Влияние конструктивных параметров раскатника вращающегося на силу деформирования

Аннотация

ролик пластический деформирование машиностроение

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) роликами нашло широкое применение в машиностроении при изготовлении многих изделий и предназначено для повышения качества поверхностного слоя, которое в свою очередь определяет эксплуатационные свойства и несущую способность деталей машин.

Ключевые слова: раскатник центробежный, ролик, рычаг, сила деформирования, сила центробежная, глубина упрочнения, шероховатость, радиус отверстия.

Для раскатывания применяют многочисленные конструкции деформирующего инструмента. Выбор оптимальной конструкции инструмента определяется технико-экономическими показателями процесса и зависит от различных факторов, важнейшими из которых являются тип производства, жесткость технологической системы, диаметральные размеры обрабатываемой поверхности и ее длина, требования по производительности, качеству, стабильности протекания процесса, а также стоимости обработки.

Выбор рациональной конструкции инструмента для раскатывания, номенклатура которого чрезвычайно большая, связан со сложностью обеспечения одновременно всех предъявляемых требований к технологическому процессу обработки ППД.

Главным требованием является обеспечение стабильного и заданного качества обработки при высокой производительности, долговечности и надежности инструмента.

Практически ни один существующий в настоящее время инструмент для раскатывания отверстий роликами не удовлетворяет в полной мере предъявляемым к нему требованиям. Особенно это относится к инструменту для обработки глубоких отверстий, так как при этом проявляются определенные дополнительные специфические особенности, не имеющие места при обработке наружных поверхностей.

Известные недостатки инструментов для раскатывания отверстий привели к созданию принципиально нового вида - инерционного инструмента, у которого усилие деформирования создаётся центробежными силами при вращении деформирующих роликов вокруг оси инструмента. Конструкции инерционных инструментов практически сводятся к единичным экземплярам, где деформирующие элементы выполнены в виде шаров, что не позволяет выбирать другие формы их поверхности с целью достижения оптимального качества. Конструкции рассмотренных инерционных инструментов не совершенны, отсутствует методика их проектирования, расчета и выбора оптимальных конструктивных параметров.

В общем случае вращающееся раскатывающее устройство (рисунок 1) состоит из корпуса 1, инерционных рычагов 2, предназначенных для создания силы деформирования, имеющих форму кругового сектора наружной образующей поверхности, в которых выполнены отверстия с расположенными в них вставками 3.

На правом конце вставки имеют утолщение, в которых расположены оси 4, относительно которых инерционные рычаги в сборе могут поворачиваться в радиальном направлении. В каждом из рычагов установлено по два деформирующих ролика 7, опирающихся на катки 10. Штифты 11 служат для удержания фиксации цилиндрических вставок 3 от выпадения. Кроме того, на корпусе 1 инструмента посредством подшипника 9 крепится базирующее устройство, выполненное в виде обоймы 6, внутренняя поверхность которой охватывает наружное неподвижное кольцо подшипника 19, закрепленного на корпусе. Внешняя поверхность обоймы снабжена направляющими шпонками 5, наружная поверхность которых имеет диаметральный размер и форму обработанной поверхности. Корпус инструмента также имеет радиальные отверстия для подачи смазывающе-охлаждающей жидкости в зону пластического деформирования.

Конструкция рассматриваемого инструмента позволяет инерционным рычагам 2 перемещаться вместе с рычагом по дуге, в сторону обрабатываемой поверхности, при этом величина радиуса дуги зависит от расчетной длины рычагов.

Таким образом, рассматриваемый инструмент предполагает получать расчетные силы деформирования, приложенные к деформирующим роликам, как действие моментов от величин центробежных сил, обеспечиваемых массами инерционных рычагов и распределенными по длине массами самих рычагов, на расчетных величинах плеч - расстояний по длине оправки от центров тяжести инерционных рычагов до их крепления в шарнире 4. Форма поперечного сечения инерционных рычагов в виде кругового сектора позволяет наиболее рационально использовать все полезное пространство в радиальном сечении.

Как следует из описания работы принципиальной схемы раскатника вращающегося, его конструкция позволяет использовать инерционные рычаги, с заданными конструктивными параметрами и, соответственно, расчетной массой. Форма поперечного сечения инерционных рычагов в виде кругового сектора позволяет наиболее рационально использовать все полезное пространство в радиальном сечении вокруг наружной цилиндрической поверхности оправки.

Не вызывает сомнения, что увеличение массы инерционного рычага позволяет существенно снизить необходимую скорость вращения раскатника вращающегося, не уменьшая при этом заданного усилия деформирования. Так как конструктивные параметры поперечного сечения инерционных рычагов определяются в соответствии с диаметром обрабатываемого отверстия, то определение их рациональной расчетной массы осуществляется за счет варьирования его длины [1].

Рисунок 1 - Раскатник вращающийся 1 - корпус; 2 - инерционный рычаг; 3 цилиндрическая вставка; 4 - ось; 5 - направляющая шпонка; 6 - обойма; 7 - деформирующий ролик; 8 - накладка; 9 - палец; 10 - опорный каток; 11 - штифт; 12 - толкатель

Рисунок 2 - Расчетная схема определения усилия деформирования Руп - усилие, действующее со стороны деформирующего ролика на поверхность детали; Рсрч - центробежное усилие, действующее на центр тяжести рычага; 2ш - угол между смежными деформирующими роликами отверстия; Rрч - радиус окружности наружной поверхности рычагов; rрч - радиус окружности, до центра тяжести рычага

Приведем теоретические зависимости для определения центробежных сил, развиваемых инерционным рычагом (рисунок 2) и деформирующими роликами при его работе.

Инерционный рычаг в поперечном сечении представляет собой круговой сектор, с длиной по его образующей поверхности, равной Lру. Следовательно, центробежная сила, развиваемая массой инерционного рычага, приложенная к центру тяжести рычага, будет равна:

(1)

где rc - величина расстояния от центра тяжести кругового сектора до оси инструмента:

(2)

Составив и решив уравнение равновесия в виде суммы моментов центробежных сил, приложенных к центру тяжести инерционного груза относительно усилия Руп, действующего на ролик, расположенных на заданных расстояниях от оси поворота инерционного рычага, будем иметь следующее уравнение:

(3)

Полученное значение усилия деформирования должно соответствовать величине, необходимой для достижения заданных показателей качества поверхностного слоя при обработке ППД раскатником. Одним из важных показателей качества поверхностного слоя наряду с шероховатостью является глубина упрочнения.

Глубина упрочнения главным образом зависит от силы деформирования. Таким образом, при обработке центробежным раскатыванием необходимо определить необходимую частоту вращения, при которой силе соответствует заданная глубина упрочнения. Одной из зависимостей определения глубины упрочнения является формула Хейфеца [2]:

(4)

На рисунке 3 представлены зависимости изменения усилия деформирования от радиусов обрабатываемых отверстий. На графике горизонтальные штриховые линии 4 соответствуют необходимым усилиям деформирования, для получения обработанной поверхности с заданной шероховатостью Ra = 0,16 мкм коническим роликом, имеющим диаметр 12 мм.

Из зависимостей видно, что кривые имеют монотонно возрастающий характер. При этом чем больше частота вращения инструмента, тем больше сила деформирования при длине рычага Lгр = 80 мм.

Рисунок 3 Зависимость изменения усилия деформирования от радиуса обрабатываемого отверстия кривая 1 - n = 1500 мин-1; кривая 2 - n = 1200 мин-1; кривая 3 - n = 900 мин-1

На рисунке 4 представлены зависимости изменения глубины упрочнения от диаметров радиусов обрабатываемых отверстий. Как видно из этих графиков, для достижения рекомендуемой глубины упрочнения даже частоты вращения раскатника n = 1500 мин-1 при обработке отверстий диаметрами до 200 мм недостаточно. Вопрос может стоять только о достижении требуемой шероховатости.

Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

- установлено, что увеличение массы инерционного рычага позволяет снизить необходимую скорость вращения раскатника, не уменьшая при этом усилие деформирования;

- определены центробежные силы, развиваемые раскатником;

- получены зависимости изменения усилия деформирования и глубины упрочнения от радиуса обрабатываемого отверстия;

- определены необходимые усилия деформирования, обеспечивающие заданную шероховатость Ra = 0,12 мкм для конического ролика;

- на основе исследований в конструкцию раскатника центробежного были внесены доработки. Они заключаются в том, что на рычаги будет дополнительно воздействовать радиальная сила деформирования, создаваемая осевым нагружением штока 12 через вставку 8.

Рисунок 4 Зависимость изменения глубины упрочнения от радиуса обрабатываемого отверстия кривая 1 - n = 1500мин-1; кривая 2 - n = 1200 мин-1; кривая 3 - n = 900 мин-1

Список литературы

1. Отений Я.Н. Технологическое обеспечение качества деталей машин поверхностным пластическим деформированием. - Волгоград: ВолгГТУ, 2005. - 220 с.

2. Хейфец С.Г. Аналитическое определение глубины наклепанного слоя. - В сб. ЦНИИТмаша. - М.: Машгиз, 2007. Кн. 49. С. 7-17.

Размещено на Allbest.ru