Липецк, Липецкая область, Россия
Липецк, Липецкая область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
ГРНТИ 55.35 Металлургическое машиностроение
Представлен метод обкатывания фасонной поверхности самоустанавливающимся обкатным инструментом. Приведены конструкция и методика расчета основных элементов обкатника. Изложены результаты экспериментальных исследований формирования шероховатости фасонных поверхностей при различных режимах обкатывания.
поверхностно-пластическая деформация, обкатывание фасонной поверхности, обкатной инструмент
В последние годы появилось множество новых способов обкатывания с заданными па-раметрами микрогеометрии поверхности [1 ‒ 3]. Однако обработка объемных фасонных по-верхностей представляет собой сложный и трудоемкий процесс. Поверхность, получае-мая после предварительного фрезерования, имеет волнистость и высокую продольную шероховатость, определяемые формой ради-усной части фрезы и вибрациями. Оконча-тельная обработка выполняется вручную. При этом качество поверхности и точность зависят от квалификации исполнителя.
Для окончательной обработки объемных фасонных поверхностей разработаны самоус-танавливающиеся специальные инструменты (рис. 1), работающие методами поверхностно-го деформирования [4]. Выглаживающие эле-менты со сферической рабочей поверхностью (рис. 1, а) или тороидальные ролики (рис. 1, б) такого инструмента, установленные с равным эксцентриситетом относительно оси вращения, через рычажное устройство или шестерню связанные между собой, самоустанавливаются на наклонных и радиусных участках фасонной поверхности.
Инструмент устанавливают в шпинделе ко-пировально-фрезерного или фрезерного стан-ка с ЧПУ (рис. 2), подводят к заготовке с не-обходимым натягом, задают вращение и пе-ремещают по программе или при помощи ко-пира. При движении относительно поверхно-сти инструмента рабочие поверхности роли-ков или выглаживателей, совершают циклои-дальные движения, пластически деформируют фасонную поверхность.
Ширина строки, оставленная обкатными элементами или выглаживателями на обраба-тываемой поверхности, равна двойному рас-стоянию от оси инструмента до точки контак-та деформирующего элемента с заготовкой.
Кинематическая схема инструмента пред-
ставлена на рис. 3. Корпус 1, установлен на тарированных пружинах 2 в стакане 3 с кони-ческим хвостовиком для установки в шпин-дель. В корпусе смонтированы два плунжера 4 реечного типа, симметрично расположенных относительно оси вращения инструмента, и шарнирно соединённых с шестернёй 5. В плунжерах установлены два деформирующих ролика 6 или алмазных выглаживателя (см. рис. 1, а).
а)
б)
Рис. 1. Экспериментальные образцы инструментов для поверхностного пластического деформирования фасонных поверхностей:
а ‒ методом выглаживания; б ‒ методом обкатывания
Рис. 2. Обработка фасонной поверхности методом поверхностного пластического деформирования самоустанавливающимся инструментом
Качение деформирующих роликов (сколь-жение выглаживателей) по обрабатываемой поверхности и их равномерное давление на наклонные и радиусные участки фасонной поверхности обеспечивается за счёт свободного осевого перемещения плунжеров, симметричного расположения деформирующих элементов относительно оси вращения и радиусной
формы их рабочей поверхности.
Особенности объёмных фасонных поверх-ностей обкатыванием требуют определенной конфигурации рабочей поверхности ролико-вых обкатников, зависящей от кинематики движения обката инструмента и максимального угла наклона фасонной поверхности к горизонтали. В целях обеспечения идентичных условий контакта роликов при их качении на разных участках фасонной поверхности, рабочую поверхность роликов необходимо выполнять тороидальной.
В зоне контакта с обкатываемой фасонной поверхностью на всех участках кривизна ра-бочей поверхности деформирующих роликов должна быть большей, чем кривизна поверх-ности подлежащей обработке, т.е. Rр < Rф. Та-ким образом, величина наружного радиуса Rр деформирующих роликов определяется по формуле
, (1)
где Rф ‒ минимальный радиус фасонной по-верхности.
Рис. 3. Кинематическая схема инструмента для обкатывания фасонной поверхности
Величина профильного радиуса rр дефор-мирующих роликов определяется допустимы-ми величинами угла α наклона участков фа-сонной поверхности и пластической деформа-ции δ поверхностного слоя (см. рис. 3)
На схеме представлено два экстремальных положения деформирующих роликов за один оборот инструмента при обработке наклонной поверхности, расположенной под углом α к горизонтали. В положении с максимальным вертикальным смещением роликов (положе-ние центров роликов в точках О1 и О2) рас-стояние от центра каждого ролика до обраба-тываемой поверхности равно АВ и определя-ется из ΔАВС.
,
.
При повороте инструмента вокруг оси О1О2 на 90º центры роликов переместятся в точку О, (рабочие поверхности роликов в этом по-ложении обозначены штриховой линией). Расстояние от оси каждого ролика до обрабатываемой поверхности равно OD. Очевидно, что OD = AB будет при абсолютно жестком рас-положении корпуса в стакане, т.е. при отсутствии пружин 2. В этом случае, при каждом повороте инструмента вокруг оси О1О2 ролики будут деформироваться в поверхность на величину δ, которая определяется по формуле
.
После преобразований
. (2)
В том случае, когда направление подачи S совпадает с направлением наклона плоскости, деформация δ будет увеличиваться от центра к краям строки (рис. 4, а, показано сплошной линией). Когда направление подачи S перпен-дикулярно направлению наклона плоскости, деформация δ металла в поперечном сечении строки увеличивается к центру (точка М). По-ложение роликов и форма соответствующего поперечного сечения обработанной поверхно-сти для этого случая обозначены штриховыми линиями (рис. 4, а). Координаты точки М оп-ределяется из ΔАО1О и ΔАВK как разность (AO – BF).
, (3)
где L – смещение роликов относительно оси О1О2 инструмента.
а) б)
Рис. 4. Положение роликов при обработке наклонной поверхности:
а ‒ с подачей в направлении наклона плоскости;
б ‒ с подачей в направлении перпендикулярном направлению наклона плоскости
Пружины 2 (см. рис. 3) компенсируют не-равномерную деформацию в поперечном се-чении строки. Допустимый угол αmax наклон-ных участков фасонной поверхности при об-катывании определяется геометрическими параметрами роликов, однако, он ограничивается прочностью и жесткостью, которые зависят от вылета инструмента относительно шпинделя.
Радиус rР тороидальной поверхности де-формирующего ролика находится на ΔАОО1 (рис. 4, б).
; , (4)
где bр ‒ ширина деформирующих роликов, принимается равной (0,5 …0,8)Rp.
На основании уравнений (3) – (4) после
преобразований получим
. (5)
На основании уравнений (4), (5) и рекомен-даций по выбору ширины ролика установлен диапазон максимальных значений угла, кото-рый находится в пределах
αmax = 59…48о.
Сила Р прижатия деформирующихся роли-ков к обрабатывающей поверхности опреде-ляется по формуле
Р ≥ 1,1σТFK ,
где FK ‒ площадь контакта ролика с обрабаты-ваемой поверхностью; σТ ‒ предел текучести обрабатываемого материала.
Площадь контакта ролика с обрабатывае-мой поверхностью с достаточной степенью точности определяется по формуле
, (6)
где Rn-1 ‒ высота исходной шероховатости на обрабатываемой поверхности перед обкатыванием; S0 ‒ подача при обкатывании за один проход шпинделя; k ‒ коэффициент, учитывающий торои-дальную форму контактной поверхности и упругие деформации обрабатываемого металла,
k = 1,3…1,5.
На основании данной методики спроекти-рованы и изготовлены в металле роликовые инструменты, которыми проводилась чисто-вая обработка фасонной рабочей поверхности радиусных гибочных штампов из стали 15ХНТ. Для вариантов обкатников были изго-товлены два типа роликов с RРxrР xbР: 20х8х10 с углом αmax = 59о и 12,5х5х10 с углом
αmax = 48о. Обработка проводилась на копиро-вально-фрезерном станке силой прижатия ро-ликов (с размерами 20х8х10) P = 3…4 кН, со скоростью качения роликов 48 м/мин и про-дольной подачей 200 мм/мин. При исходной шероховатости Ra = 20 мкм после обработки обкатником с указанными выше параметрами роликов шероховатость обработанной поверх-ности составила Ra = 1,25 мкм.
Результаты экспериментальных исследо-ваний обкатывания фасонных поверхностей при максимально допустимом значении угла наклона обрабатываемой поверхности
αmax = 40º показали снижение шероховатости по параметру Ra до 0,8…1,5 мкм, при исход-ной шероховатости Ra = 10…25 мкм (рис. 5).
Рис. 5. Участок фасонной поверхности, обработан-ный обкатыванием после построчного фрезерова-ния
Выглаживание осуществлялось сфериче-скими алмазами радиусом 2,5 мм при нагрузке 150…250 кН со скоростью 120 м/мин при подаче 50 мм/мин, при исходной шероховатости Ra = 20 мкм, шероховатость обработанной поверхности составила Ra = 0,8 мкм.
1. Амбросимов, С.К., Грибков, Р.В. Способ создания поверхности с регулярным микрорельефом // Сб. науч. ст. 6-й научно-технической конференции с международным участием «Прогрессивные технологии и процессы». - Курск, - 2019. - С. 8-10.
2. Зайдес, С.А. От кинематики рабочего инструмента к новым процессам отделочно-упрочняющей обработки // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2019. - Т. 23. - С. 863-873.
3. Амбросимов, С.К., Грибков, Р.В. Повышение адгезионных свойств поверхности под износостойкие покрытия при обкатывании абразивными кругами // Вестник Липецкого государственного технического университета. - 2019. - №3(41). - С.40-43.
4. А.С. 880705 СССР, МПК B24 B39/02. Виброобкатник / Савищенко В.М., Амбросимов С.К. (СССР). - 2878541; заявлено 01.02. 80; опубл. 15.11.1981, Бюл. 42. - 4 с.
