close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

8481

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
М.Н. ГОРОХОВА, С.Д. ПОЛИЩУК, Ю.Н. АБРАМОВ, Д.Н. БЫШОВ
СОЗДАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДАМИ
ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ
МОНОГРАФИЯ
РЯЗАНЬ – 2012
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.91.01: 621.757
ISBN 978-5-98660-093-2
РЕЦЕНЗЕНТ: профессор, д-р. техн. наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А.
Костычева Борисов Г.А.
В работе представлены результаты теоретических и экспериментальных
исследований по влиянию поверхностного пластического деформирования на
эксплуатационные свойства деталей, рассмотрены конструкции накатных, обкатных, выглаживающих и комбинированных инструментов, приводятся необходимые данные для разработки технологических процессов по созданию износостойких покрытий.
ISBN 978-5-98660-093-2
 М.Н. Горохова, С.Д. Полищук, Ю.Н. Абрамов, Д.Н. Бышов,
 Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Рязанский государственный агротехнологический университет
имени П.А. Костычева, 2012
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................
6
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНТАКТНОГО
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ………………………………..
7
1.1. Классификация и область применения методов упрочнения…………
7
1.2. Механика контактного взаимодействия поверхностей при формировании
поверхностного слоя...............................................................................
9
1.2.1. Взаимодействие поверхностей при контактировании……………….
9
1.2.2. Фактическая площадь касания поверхностей установленной шероховатости.............................................................................................................
12
1.2.3. Фактическая площадь касания и действительная нагрузка ................
15
1.2.4. Одновременное действие нормальных и касательных нагрузок при изменении положения поверхностей…………………………………………
18
1.3. Теоретические предпосылки исследования контактных условий при поверхностном пластическом деформировании цилиндром.........................
21
2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ
НОМАЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЙ И КОНТАКТНЫХ СИЛ ТРЕНИЯ ПРИ
ОБКАТЫВАНИИ РОЛИКАМИ……………………………………………
24
2.1. Исследование контактных условий при поверхностном пластическом деформировании методом точечных мессдоз........................................
24
2.2. Распределение удельных нормальных давлений в радиально-окруж-ной
плоскости ролика........................................................................................
41
2.3. Влияние углов установки ролика на распределение удельных нормальных давлений и контактных сил трения .................................................
52
3. КОНТАКТНОЕ ТРЕНИЕ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ
ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ НАКАТЫВАНИЕМ.........
57
3.1. Граничные условия при обкатывании роликами...................................
57
3.2. Исследование осевых составляющих контактного трения при обкатывании роликами.............................................................................................
63
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.3. Влияние смазочного материала на контактные условия при обкатыва-нии
роликами........................................................................................................
70
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УДЕЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЙ И
КОНТАКТНЫХ СИЛ ТРЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ
НАКЛЕПАННОГО СЛОЯ МЕТАЛЛА........................................................
74
4.1. Исследование остаточных напряжений 1-го рода...................................
75
4.2. Исследование шероховатости обкатанной поверхности………………
82
4.3. Исследование упрочнения обкатанной поверхности………………….
83
4.4. Назначение параметров обкатывания.......................................................
89
5. ВЛИЯНИЕ ППД НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
ДЕТАЛЕЙ.............................................................................................................
91
5.1. Влияние ППД на сопротивление усталости.............................................
91
5.2. Коррозионно-усталостная прочность ......................................................
99
5.3. Износостойкость поверхности..................................................................
101
6. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ППД........................................................
105
6.1. Раскатывание и накатывание роликовым инструментом ....................
105
6.1.1. Особенности раскатывания.....................................................................
105
6.1.2. Выбор параметров раскатывания ..........................................................
106
6.1.3. Сепараторные устройства для раскатывания .......................................
112
6.2. Накатывание ротационными инструментами .........................................
126
6.2.1. Классификация инструментов ...............................................................
126
6.2.2. Накатывание роликовыми инструментами...........................................
127
6.2.3. Накатывание и раскатывание шариковыми инструментами ..............
151
7. АЛМАЗНОЕ ВЫГЛАЖИВАНИЕ............................................................
165
7.1. Сущность процесса и конструкции инструментов .................................
165
7.2. Шероховатость и точность выглаженных поверхностей………………
170
7.3. Физико-механические свойства обработанной поверхности……….....
173
7.4. Режимы обработки......................................................................................
175
7.5. Использование алмазного выглаживания ...............................................
178
8. ДОРНОВАНИЕ ...........................................................................................
180
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8.1. Схема дорнования и конструкции инструментов ..................................
180
8.2. Определение тягового усилия и параметров инструмента.....................
183
8.3. Режимы дорнования...................................................................................
186
8.4. Дорнование с большими натягами ...........................................................
189
8.5. Точность и качество поверхностей дорнованных отверстий………….
196
8.6. Использование дорнования в производстве ............................................
202
9. СОВМЕЩЕННАЯ ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ И ППД………………
206
9.1. Комбинированные инструменты для совмещенной обработки .............
206
9.2. Комбинированные инструменты и устройства для совмещенной обработки различных поверхностей.................................................................
209
9.3. Выбор режимов обработки и основных параметров комбинированного
инструмента................................................................................................
217
9.4. Использование совмещенной обработки в производстве……………..
220
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................
221
ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................
223
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в области металлообработки определилось направление, связанное со снижением припусков и расширением объема финишных операций, в процессе которых окончательно формируются качественные
характеристики поверхностного слоя. Технологические процессы методами поверхностного пластического деформирования (ППД) заменяют во многих случаях традиционные процессы резания, обеспечивая высокие качественные показатели и экономию материальных средств. Это происходит за счет увеличения эксплуатационных сроков службы деталей, замены высоколегированных
сталей менее легированными, а также снижения затрат труда.
Применение ППД в 1,5-2 раза повышает несущая способность деталей по
допускаемым напряжениям и значительно повышается их долговечность. Обработка деталей машин методами ППД увеличивает площадь контакта сопрягаемых деталей, что способствует более ранней их приработке в подвижных соединениях и прочности неподвижных посадок, повышает предел коррозионной
выносливости в 2-2,5 раза, уменьшает влияние концентрации напряжений в местах надрезов, отверстий, галтелей, выточек и т.п. При обработке методами
ППД в деталях возникают благоприятные остаточные сжимающие напряжения,
при этом глубина наклепанного слоя может достигать до 20 мм, а шероховатость поверхности снижается с Ra=3,2 - 0,8 до Ra=0,8 - 0,025 мкм.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ПОВЕРХНОСТЕЙ
1.1. Классификация и область применения методов упрочнения
В настоящее время накоплен большой опыт создания износостойких поверхностей путем использования различных технологических методов воздействия на поверхность деталей машин, изменяющих физико-механические свойства в процессе упрочнения. В зависимости от условий эксплуатации машин
методы упрочнения разделяются на три группы (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Взаимосвязь условий эксплуатации и методов упрочнения
Условия эксплуатации
Метод упрочнения
1. Циклические нагрузки, требующие высокой усталостной прочности материалов
Силовое и тепловое воздействие на
поверхностные слои деталей машин
для их упрочнения
2. Износ различных видов, требующий вы- Методы защиты поверхностного
сокой износостойкости материалов
слоя, улучшающие триботехнические свойства поверхности
3. Сложные условия циклических нагруКомбинированные методы
жений с одновременным изнашиванием
технологического воздействия
отдельных поверхностей
К первой группе относятся методы ППД, термической, химикотермической (ХТО) и термомеханической (ТМО) обработки. Применение этих
методов вызывает деформационные, структурные, фазовые изменения или изменения по химическому составу поверхностного слоя материала детали.
Ко второй группе относятся методы, связанные с нанесением различных
твердых покрытий из разнообразных материалов - металлов, сплавов, керамики, пластмасс и т.п. В результате применения этих методов физико-химическое
состояние поверхностного слоя может значительно отличаться от основы. К
ним относятся наплавка и напыление, а также различные виды покрытий: электролитические, химические, плазменные, электромагнитные, полимерные и др.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К третьей группе относятся комбинированные методы обработки (КМО),
у которых процесс преобразования или нанесения материала происходит в результате одновременного протекания двух или более воздействий на поверхность изделия. Одним из особенностей КМО является их реализация на специальном оборудовании, совмещающем эти процессы. При этом КМО обычно
устраняет отдельные недостатки, присущие каждому из них.
Выбор метода зависит от конструкции детали, ее жесткости, материала,
кинематической схемы и технологических возможностей процесса упрочнения.
Наибольшее применение в промышленности нашли технологические методы
силового воздействия на поверхностные слои деталей. К этим методам, прежде
всего, относятся методы ППД (рис. 1.1). Наиболее распространены обкатка и
раскатка шариками и роликами, обработка дробью, алмазное выглаживание.
Методы ППД можно условно разделить на две группы: статические и динамические. При статических методах обработки инструмент или среда воздействуют на обрабатываемую поверхность с постоянной силой Р, происходит
плавное перемещение очагов воздействия по поверхности. При этом инерционные силы не оказывают существенного влияния на ППД. К таким методам
относятся различные виды выглаживания (рис. 1.2, а) и накатывания (рис. 1.2,
б), а также метод однократного обжатия обрабатываемой поверхности (рис. 1.2,
в) без перемещения очагов воздействия. При динамических методах (рис 1.2, г)
инструмент многократно воздействуют на обрабатываемую поверхность, при
этом сила воздействия Р в каждом цикле изменяется от нуля до максимума.
Обработка ППД может быть сглаживающая - для уменьшения высоты
микронеровностей; упрочняющая - для повышения твердости и формирования
остаточных сжимающих напряжений; точностная - для получения требуемых
параметров точности; рельефная - для получения определенного микрорельефа;
декоративная и т.п.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.2. Схемы контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой
поверхностью при различных методах ППД
Расширение области использования методов ППД может быть обеспечено путем КМО (электромагнитная наплавка (ЭМН) с ППД).
Рис. 1.1 Классификация методов ППД
1.2. Механика контактного взаимодействия поверхностей при
формировании поверхностного слоя
1.2.1. Взаимодействие поверхностей при контактировании. Фундаментальные исследования контактных взаимодействий поверхностей выполне9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ны в работах Г.Герца, А.И. Динника, Н.М. Беляева, М.М. Саверина, И.Я. Штаермана, А.И. Лурье, С.Д. Пономарева, Е.М.Макушка, К. Л.Джонсона и других
[2].
Теория контакта получила широкое применение в ряде практических задач как рациональная схема расчета, требующая уточнения конкретных случаев
эксплуатации деталей машин.
При сжатии шара и плоскости из одного материала была получена круговая площадка радиусом
r
3
3 1 

RP ,
2
E
где – μ коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости; R - радиус шара;
Р - нагрузка.
Приведем зависимости для полуосей эллипса площадки контакта аэ и bэ,
сближения контактирующих тел и максимального контактного напряжения qо:
a,  na 3
3 JP
;
2 K
ac  nc
9 2 2
J P K ;
4
3
b,  nb 3
3 JP
;
2 K
qo  nq
1

3 PK 2
;
2 J2
1 
1   22
J

,
E1
E2
2
1
где J - упругая постоянная контакта; КΣ - сумма главных кривизн соприкасающихся тел; пa, пb, пc, пq - коэффициенты.
Полученные зависимости подтверждаются до тех пор, пока нагрузка,
примененная к соприкасающимся телам, не приводит к образованию в зоне
контакта остаточных деформаций. Между тем контакт реальных поверхностей
носит дискретный характер вследствие их волнистости и шероховатости. Поскольку идеальные условия контакта не соблюдаются, затрудняется получение
необходимых решений с достаточной для практического использования точностью.
Для учета формы и взаимного расположения контактирующих тел при
поверхностном деформировании деталей целесообразно их рассматривать со10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
прикасающимися в точке, на отрезке или по площадке (рис. 1.3).
Теоретические расчеты контактного взаимодействия тел возможны только при условии идеализированных моделей шероховатых поверхностей. Под
шероховатой поверхностью в нашем случае понимаем ту, рельеф которой оценивается стандартными параметрами шероховатости ГОСТ 2789-85. При этом
различают четыре площади касания: номинальную Аа, контурную Ас, фактическую Аτ и физическую Аf. Номинальная площадь контакта Аа, очерчена геометрическими размерами соприкасающихся тел. Контурная площадь Aс определяется площадками объемного смятия тел вследствие макрогеометрических отклонений поверхностей. Фактическая площадка Аτ представляет собой суммы
фактических участков соприкосновения тел, через которые передается давление.
Площадь Аf контакта составляет менее 1 % от фактической площадки, и в
этой области реализуется теоретическая прочность на поверхности. При контактировании менее твердой шероховатой поверхности с более твердой и гладкой, выступы шероховатой поверхности в процессе деформации расплющиваются. Под гладкой понимается поверхность, которая в расчетах принимается
идеальной.
Изучение площади контакта Af на субмикроскопическом уровне имеет
важное значение при исследовании процессов структурной приспособляемости
материалов при трении. Структурная приспособляемость реализуется в результате самоорганизации вторичных структур, имеющих аморфно-кристаллическое строение, которые образуются при взаимодействии поверхностей друг с
другом и с окружающей средой.
Это особенно важно для покрытий из самофлюсующихся материалов,
склонных к аморфизации вследствие способности систем, содержащих В и Si, к
переохлаждению при скоротечных процессах нанесения покрытий тонким слоем, что присуще электромагнитной наплавке с ППД.
Помимо структурной приспособляемости материала поверхности при
трении происходит приспособляемость контртела, деформирующего поверх11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ность, проявляющаяся в дополнительных перемещениях деформирующего элемента (рис. 1.3).
Рассмотренные номинальные и контурные площадки контактирования
твердых тел произвольной формы позволят далее не рассматривать форму, как
обрабатываемой поверхности, так и деформирующих элементов (шарик, ролик
и т.д.) при решении контактных задач. Вместе с тем показано, что фактические
и физические площадки контакта зависят как от микрогеометрии контактирующих поверхностей (шероховатости поверхности, волнистости), так и от
свойств (физико-механических, химических и др.) обрабатываемого материала.
Цилиндр
Сфера
Шарик
Ролик
Пластина
Плоскость
Рис. 1.3. Классификационная схема контактирующих тел при пластической
обработке поверхностей деформирующими элементами с дополнительными
степенями свободы:
S,V - главные движения; δ, ω, ω’ – дополнительные перемещения элемента
1.2.2. Фактическая площадь касания поверхностей установленной
шероховатости. Фактическая площадь касания составляет незначительную
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
долю от номинальной. С увеличением нагрузки рост площади фактического
контакта происходит в основном в результате увеличения числа пятен контакта
при относительном постоянстве их размеров. При увеличении площади контакта на 90 % - величина отдельных пятен возрастает до 20 %.
Ф.П. Боуденом и Д. Тейбором предложена формула для расчета фактической площади контакта
Ar = N / qm,
где N - номинальная нагрузка; qm - давление, соответствующее переходу материала выступа в пластическое состояние.
Предложенная формула широко использовалась и другими исследователями. Так, например, А.Ю. Ишлинский показал, что
qm = Cσm ≈ HB,
где С - коэффициент стеснения, С = 2,85; σm - предел текучести наклепанного
материала; НВ - твердость материала по Бринеллю.
В.Н. Марочкин установил, что в зависимости от геометрических очертаний выступов С может принимать значения от 1,0 до 4,7 в пределах углов,
имеющих место на реальных поверхностях, изменение коэффициента: С может
приниматься от 2,7 до 3,1. И.В. Крагельский получил для наклепанного материала С = 9, а Н.В.Демкин принял Сσm = НВ. С.Б. Айнбиндер экспериментально
определил давление на контакте, равное примерно величине трех пределов текучести материала.
Рост пятна контакта при вдавливании сферы с увеличением нормального
усилия протекает по трем механически различным стадиям: упругий режим,
при котором деформации обратимы и описываются решением Герца; переходный режим, начинающийся с зарождения пластической зоны, в течение которого коэффициент С растет с увеличением радиуса пятна контакта r; полностью
пластичный режим, при котором коэффициент С остается постоянным.
К.Л. Джонсон нашел, что распределение давления по поверхности контакта при полностью пластическом режиме приблизительно равномерно. Так
как распределение давления при упругом режиме имеет эллипсоидную форму,
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
то давление может заметно изменяться с ростом нагрузки. При упругом режиме
поля напряжений и деформаций известны, поэтому зона возникновения пластического течения, означающая начало переходного режима, может быть использована как граничное условие для последующей пластической деформации [3].
В упругом режиме из уравнений Герца
C
0,65
1  2
h   m  0,65
/
,

r '  E  1  2
где h - перемещение центра контакта относительно поверхности отсчета; r’- радиус пересечения поверхности контакта с поверхностью отсчета; Ω - параметр
отпечатка,  
h  m 
/
.
r'  E 
Коэффициент С линейно растет с ростом Ω в переходном режиме при
1,15 >Ω < 27 и становится постоянным С = 2,87 при полностью пластическом
режиме Ω > 27 для различных материалов. Значение Ω в начале режима полной
пластичности не зависит от способности материала к упругому деформированию и скорости деформационного упрочнения.
Коэффициент С далее использовался как коэффициент запаса при расчете
рационального диапазона усилий деформирования Р по допустимым напряжениям (σо+ = σт - предел текучести, контактное давление qm = Cσm), где С принимается равным 2, так как рассматриваем переходный режим - зарождение пластической зоны.
И.В. Крагельский впервые использовал универсальную стержневую модель взаимодействия выступов. В случае после обработки поверхности ЭМН
более точны специальные модели - сферическая и эллипсоидная.
Значительный объем теоретических и экспериментальных исследований
позволил выбрать оптимальные модели поверхности с заданной шероховатостью. Наиболее удовлетворительными моделями явились стержневая, клиновая, сферическая и эллипсоидная, причем наилучшие результаты дают сферическая и эллипсоидная модели выступов. Сферическая модель имеет преимущество, заключающееся в том, что сфера является частным случаем эллипсои14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
да, и это упрощает расчетные зависимости. Сферическая модель используется
для расчета всех параметров контакта шероховатых и волнистых поверхностей.
Эллипсоидная модель, учитывающая характер распределения шероховатости
поверхности, что особенно важно с точки зрения технологического обеспечения качества поверхностного слоя детали, положена в основу теоретических
исследований.
Необходимо отметить, что при электромагнитной наплавке порошков эллипсоидная и особенно сферическая модель предпочтительнее, так как в этом
случае специфика формирования наплавленной поверхности обеспечивает образование выступов именно такой формы.
1.2.3. Фактическая площадь касания и действительная нагрузка.
При силовых расчетах контактного взаимодействия поверхностей можно
использовать параметры их опорных кривых, построенных по профилограммам, снятым в продольном и поперечном направлениях. Микрогеометрия поверхности определяется методом ее формирования и в значительной мере обусловливает ее износостойкость и другие эксплуатационные свойства. Для анализа поверхности необходимо изучение геометрических характеристик отдельных микронеровностей. В частности, для поверхностей, созданных методом
порошковой наплавки, особенно важно исследование радиусов закругления выступов ρ, углов наклона профиля β и их распределения по высоте сечения
(рис. 1.4).
Опорная кривая поверхности является одной из важнейших характеристик шероховатой поверхности. Она строится на основании профилограмм
поверхности.
Опорные кривые поверхности, построенные по профилограммам, снятым
в одном направлении, достаточно хорошо характеризуют опорную площадь.
Опорные кривые поверхности могут быть описаны математически. П.Я.
Дьяченко представил опорную кривую зависимостью
у = уо + kхv,
где х - текущее значение ординаты; уo - протяженность материала на некотором
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
уровне; k и v - коэффициенты.
М.А. Бабичев и Н.П. Гнусин представили опорную кривую одной из ветвей графически выраженного нормального закона распределения Гаусса
y = yo exp (-k2x2).
И.В. Крагельский описал кривую опорной поверхности для стержневой
модели интегралом вероятности Гаусса
1
n
 2
  x  x 2 
0 exp  2 2 dx,



где п - число стержней-выступов; х - наиболее вероятная высота стержнейвыступов; σ - среднеквадратичное отклонение.
а
б
в
г
Рис. 1.4. Профиль наплавленного покрытия при поверхностной пластической
обработке в случаях образования одной (а, б) или несколькими (в, г) частицами
порошка выступов
ρн << R(a), ρΣн << R(в) и впадин ρв >> (б), ΔρΣв>>R, ΔρΣв<<R(г)
Н.Б.Демкин представил опорную кривую как
η = ехр (С - С/ε),
где η = Аr/Аa , - относительная площадь касания; ε = r/h - относительное сближение.
Фактическая площадь контакта Аr составляет незначительную часть от
номинальной Аа. В этой связи наибольший интерес представляют начальные
участки опорных кривых поверхностей, которые описываются следующей степенной зависимостью:
tp = b(pc / Rmax)v = bεv,
где tp - относительная опорная длина профиля; рc - уровень сечения про16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
филя от линии выступов; Rmax - расстояние между линией выступов и линией
впадин профиля; ε - относительное сближение контактирующих поверхностей;
b,v - параметры опорной кривой поверхности, определяющиеся путем построения опорной кривой поверхности в логарифмических координатах.
По данным Н.Б. Демкина параметры b, v имеют следующие значения:
при строгании, точении, фрезеровании b = 1 - 2, v = 1,2 - 2; при шлифовании
b = 1,5 - 4, v = 1,6 - 3; при полировании b = 3 - 10, v = 2 - 3.
При ППД обрабатываемых поверхностей, имеющих низкую шероховатость, выступы последней деформируются в основном упруго, грубые поверхности - преимущественно пластически, а поверхности со средними величинами шероховатости - упруго-пластически. При повторных нагружениях без
увеличения давления имеет место только упругая деформация.
Для приближенных расчетов характеристик контакта разработаны упрощенные формулы, удобные для инженерных расчетов. Среднее значение фактического давления
qr 
N
  K3 p 
Ar
v
v w
 Rср 


 r 
vw
vw
 N

  tср Ar



v w
vw
,
где К3 - коэффициент, определяемый в зависимости от v; w, р и α – коэффициенты, характеризующие деформационные свойства материала: при угловой
деформации w = 0,5, р = 0,43/I, α = 0,5; при пластической с упрочнением w = 0 0,5, р = 2wH , α = 0 - 0,5; при упругой деформации w = 0, ρ = Hμ, α = 1; Нy - максимальная твердость по Майеру; Нμ - микротвердость поверхности; Rср - расстояние от линии вершин до средней линии, Rcр =3Ra; tср - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии.
При упругом контакте фактическое давление
qr  K q I
m1  I
 Ra 


 r 
0,43
qcm1 ,
где Kq = 0,1 и m1 = 0,14 для контакта двух шероховатых поверхностей;
qc - контурное давление.
Абсолютное сближение а, средняя площадь пятна контакта А, объем за17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зора между контактирующими поверхностями V3 равны
a = KaRa(qc /qr)m2, A = Krm2r2Ra(qc / qr)m2; V3 = (Rp1 + Rp2 – a)Ac,
где Ka = 3,3 и m2 = 0,33 для контакта двух шероховатых поверхностей;
Ka = 3,6 и т2 = 0,5 для контакта шероховатой поверхности с гладкой; Kr = 11
для упругого контакта, Kr = 21 для пластического контакта.
При большой нагрузке пятна контакта на вершинах могут располагаться
очень близко, и начинается взаимное влияние пластических деформаций. Это
приводит к увеличению фактического давления в контакте, и при qc > 0,25 НВ,
qr = qc(1 + НВ/Нμ) фактическое давление на контакте может в два раза превысить твердость.
Приведенные формулы предназначены для условий статического нагружения. При переходе от покоя к движению происходит изменение напряженного состояния контактирующих выступов и перераспределение площадей контакта. Применительно к электромагнитной наплавке с ППД превышение в два
раза фактического давления на контакте, твердости или начального давления
дает возможность при расчете требуемой нагрузки рекомендовать в качестве
коэффициента запаса С ≈ 2, , так как qт = НВ.
1.2.4. Одновременное действие нормальных и касательных нагрузок
при изменении положения поверхностей. Решение контактных задач при одновременном действии нормальных и касательных сил, которые часто возникают при изучении процессов формирования поверхности, чрезвычайно сложно, и только в простейших случаях возможно получение приближенных решений.
Увеличение площади упругости контакта под влиянием касательных сил
при средних значениях коэффициента трения не превышает 5 %. Изменение коэффициента трения в пределах 0,2 - 0,4 при контакте цилиндра с плоскостью
сохраняется полуширина площади контакта под действием сил трения.
Увеличение сближения при сдвиге вызвано перераспределением площади
контакта. При переходе от покоя к скольжению сближение составляет пример18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
но 0,5 мкм, затем оно быстро убывает и стабилизируется по установившейся
величине.
Установлено, что величина сближения постепенно уменьшается вследствие приработки поверхностей и наклепа поверхностных слоев, а увеличение
фактической площади контакта не превышает 9 %.
Замеры изменения сближения в статическом состоянии и при скольжении
тел показали, что фактическая площадь касания при движении незначительно
отличается от площади касания в неподвижном состоянии.
Было показано, что при средних значениях коэффициентов трения и
установившейся микрогеометрии поверхности касательные силы изменяют
фактическую площадь контакта между контактирующими телами.
При переходе от статики к движению в начале скольжения площадь фактического контакта перераспределяется, так как любой выступ опирается на
сформированный материал только фронтальной по направлению движения частью поверхности. Резкое уменьшение площади контакта при сдвиге вызывает
увеличение сближения между контактирующими телами. Приведем следующие
соотношения между сближением в статике и при скольжении:
для единичного выступа
ад  а2 1  f 2 ;
для контакта шероховатой поверхности с гладкой

ад  а 2 1  f 2

1/ v
;
для контакта двух шероховатых поверхностей

ад  а 2 1  f 2

1/  v1  v2 
;
где а и ад - абсолютные, сближения в статике и динамике; f - коэффициент внешнего трения; v1 и v2 - параметры степенной аппроксимации кривых
опорных поверхностей контактирующих тел.
Увеличение сближения в момент сдвига сопровождается перемещением
материалов твердых тел в тангенциальном направлении и увеличением силы
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
трения от нуля до максимального значения, равного силе скольжения. Расстояние, проходимое твердым телом в тангенциальном направлении, является контактным предварительным смещением. Сближение и предварительное смещение увеличиваются с ростом нагрузки и пластичности материала. Пластичность
материала, его разупрочнение для большинства металлов и сплавов увеличиваются особенно быстро при нагревании с 300 - 400 °С.
При переходе от покоя к скольжению движущееся тело выталкивается к
поверхности. Это объясняется двумя факторами: опережающим деформационным упрочнением материала перед деформирующим телом и течением материала в навалы, что приводит к возникновению силы трения, выталкивающей
движущееся тело. Так при переходе от покоя к скольжению движущееся тело
всплывает, а после остановки заглубляется, но не достигает первоначальной величины заглубления. Это полностью объясняется двумя указанными факторами, так как в момент остановки прекращается течение материала и образование
навалов. Если бы материал под выступами тела не упрочнялся и не было бы течения материала, то при тангенциальном сдвиге внедренного тела его площадь
касания уменьшилась бы примерно вдвое, что привело бы к резкому углублению выступов в материале.
Управлять этими факторами в процессах формирования поверхности
можно, разупрочняя обрабатываемый материал предварительным нагревом и
направляя течение материала посредством дополнительных перемещений деформирующего тела.
Контактное взаимодействие нередко сопровождается возникновением
трещин под действием как тепловых, так и деформационных нагрузок. Особенно часто трещины появляются при контактировании слоистых сред со сложным
микрорельефом поверхности.
При решении контактных задач с учетом трения важны не только текущие значения нормальных и сдвиговых нагрузок, но последовательность и методики нагружения, т.е. технологическая и эксплуатационная наследственность
поверхностных слоев детали.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.3. Теоретические предпосылки исследования контактных условий при
поверхностном пластическом деформировании цилиндром
Известно, что пластическая деформация поверхностного слоя определяется характером напряженного состояния металла в контакте. В настоящей работе ППД рассматривается с позиций математической теории пластичности. В процессе ППД происходит упрочнение поверхностного слоя как по
дуге контакта, так и на глубине этого слоя, изменяются шероховатость поверхности, размеры очага деформации и т.д. Большое распространение в теории
пластичности получила модель жестко-пластического тела, позволяющая изучать механику процессов обработки металлов давлением (ковки, штамповки,
прокатки, волочения и т.д.). Имеются также работы по качению жесткого шероховатого цилиндра по жестко-пластическому полупространству. Данный процесс исследуется методом построения полей линий скольжения, возникающих в
процессе пластического деформирования поверхностного слоя. Полученные авторами результаты могут служить теоретическим обоснованием для исследования процесса ППД. Однако при теоретическим изучении данного процесса
должны учитываться реология реального обкатываемого металла, исходная шероховатость поверхности, наличие различных смазок и прослоек на контакте и
т.д.
Учет этих факторов при теоретическом изучении процесса является
крайне затруднительным из-за сложности их изменения и многообразия Однако
они могут быть учтены экспериментальным путем.
В работах рассматривается пластический контакт при установившемся
качении жесткого шероховатого цилиндра по идеально-пластическому полупространству. Отмечается, что начальное решение для скольжения цилиндра
рассмотрено Б.А. Друяновым, установившееся качение гладкого цилиндра исследовалось Е.А.Маршаллом [4].
На рис. 1.5 показано движение цилиндра, которое происходит под действием приложенных к нему усилий Px, Рy и момента М. Движение цилиндра
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
складывается из поступательного перемещения центра со скоростью V и вращения с угловой скоростью ω. Показана пластическая область АДА7, которая
возникает перед цилиндром, в результате приложенных нагрузок. В указанной
пластической области допускается существование трех областей: области отставания АВА1, области прилипания ВСВ1 и области опережения СДС1. Решение по определению контактных напряжений выполнено методом малого параметра, что возможно при радиусе цилиндра, значительно превышающем ширину пластического контакта, что позволяет разложить его в степенной ряд по
малому параметру δ.
В работе получены формулы распределения контактных напряжений
вдоль дуги контакта для соответствующих областей.
Для области отставания
n
K
 1

2

 2  sin 2  2 cos ec  2
 tn   K ;
 dx ;
0  x  b.
Для области прилипания
n
K
 1



2 xbtg
2
x

 arctg  tg   2

x 2  b 2ctg 2  2 x ;
2
2
2
d
b
 b  x tg 
2
2
2
 tn b  x tg 

;
(b x c).
K b 2  x 2tg 2
Для области опережения
n
K
где
 tn
K
 1
3
x
 2  sin 2  2 sec  2 ;
2
d
 tn   K ;
(c  x  d ).


- коэффициент контактного трения; η - угол наклона α-линий
скольжения к контактной поверхности; b, с - абсциссы точек В и С - границ области прилипания; d - абсцисса конечной точки Д дуги контакта.
Абсциссы точек В и С находятся из геометрических соотношений для
границ области прилипания и соответственно равны
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
xB
 sin    B  ;
R
xC
 cos    C  ;
R
 0  R  V / .
sin    C   cos    C  ctg C  0;
Усилия и момент, которые действуют на цилиндр, вычисляются по формулам
 

Px    x n   tn dx;
d

0
d
 

Py     n  x tn  dx;
d 
0
d
M
d
d 0
 tn dx.
В работе [4] аналитическим путем определены условия существования
трех и двух областей контактного трения. При этом Т) соответственно находится в пределах 0,4316 < η < 0,7891 и η < 0,4316.
Итак, в рассмотренных работах показано, что при пластическом контакте
шероховатого цилиндра с однородным полупространством в зависимости от
коэффициента контактного трения имеются две или все три области контактного трения: области отставания и прилипания или же области отставания, прилипания и опережения. Получены также уравнения распределения нормальных
контактных напряжений и указаны направления действия контактных тангенциальных напряжений, что позволяет экспериментально исследовать процесс
ППД методом обкатывания роликами. С целью обеспечения схемы плоской
пластической деформации напряженное состояние должно рассматриваться в
тех сечениях, где обеспечиваются условия плоской пластической деформации.
Так, при обкатывании деталей цилиндрическим роликом без подачи условия
плоской деформации будут обеспечиваться в центральном и близком к центральному сечениях.
При решении задачи в случае с роликом произвольной формы применяем
следующий приближенный метод, используемый в теории упругости. Контактная площадка делится на тонкие полосы, параллельные направлению качения.
Затем к этим полосам применяется теория плоской деформации без учета их
взаимодействия. Значит, ролик произвольной формы можно рассматривать как
набор тонких соосных роликов различных диаметров. Контур исходного ролика
будем рассматривать, как сгибающую этих тонких соосных роликов.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таким образом, применение метода поля линий скольжения позволяет
раскрыть механику процесса ППД и может служить основой для экспериментального исследования данного процесса с учетом реологии реальных обкатываемых металлов и сплавов, шероховатости поверхностей, наличия смазочных
материалов.
Рис. 1.5. Контакт шероховатого цилиндра с однородным полупространством
2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ НОРМАЛЬНЫХ
ДАВЛЕНИЙ И КОНТАКТНЫХ СИЛ ТРЕНИЯ ПРИ ОБКАТЫВАНИИ
РОЛИКАМИ
2.1. Исследование контактных условий при поверхностном пластическом
деформировании методом точечных мессдоз
Сущность исследования контактных условий при ППД методом точечных мессдоз заключается в том, что незначительная часть усилия воспринимается штифтом небольшого диаметра и фиксируется прибором. Данный метод
имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами: позволяет учитывать упрочнение тонкого поверхностного слоя металла, дает возможность измерять нормальные напряжения и силы трения как при упругой, так и при пластической деформации, а также определять длину дуги контакта между дефор24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мирующим элементом и обрабатываемым металлом [5].
Так, для экспериментального определения удельных нормальных давлений и контактных сил трения на площадке контакта между роликами и обкатываемой поверхностью используется специальное приспособление, которое для
обкатки образца 4 (рис. 2.1) устанавливается на поперечных салазках токарновинторезного станка модели 1К62 и при помощи основания 9 крепится к ним
болтами. В направляющих основания устанавливается динамометр 8, который
служит для определения радиальных и тангенциальных составляющих усилия
при обкатывании. Обкатывающий ролик 6 устанавливается в динамометре и
может поворачиваться вокруг своей оси в вертикальной, а также в горизонтальной плоскостях. Верхняя плита динамометра устанавливается на четыре колонки, изготовленные из стали 65Г.
Усилие, необходимое для обкатывания, создается винтом 5. Уравновешивающий ролик 2 смонтирован в левой скобе 3, связанной винтом со
скобой 7 и при помощи задней стойки 1 устанавливается по центру прокладок
10. Обкатной ролик диаметром 148,5 мм имеет сменные вкладыши, которые
хомутами 12 крепятся к нему. В сменных вкладышах смонтированы точечные
мессдозы. Тонкостенные цилиндры 14 укреплены во вкладышах контргайками
16. Измерительные штифты 15 изготовлены из стали ШХ15, закалены и отпущены до 59-61 HRC. Тензодатчики 13 сопротивлением 97 Ом с базой 5 мм
наклеены на цилиндры вдоль и поперек образующих. Соединение тензодатчиков производилось по схеме полумоста Уитсона. При этом вторая половина моста встроена в усилительное устройство. Обкатывающий ролик изготовлен из
стали 40Х и закален до 54 HRC. При изготовлении вкладышей, во избежание их
сдвига во время обкатывания, особое внимание уделено подгонке опорных
плоскостей и притирке отверстий под измерительные штифты с тем, чтобы получить оптимальный зазор между штифтом мессдозы и каналом вкладыша.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.1. Экспериментальное обкатное приспособление
Слишком плотная подгонка штифта способствует заклиниванию его в отверстии во время обкатывания, а в большой зазор затекает металл, что также
сказывается на показаниях мессдоз [6].
Как показали исследования, наилучшие условия работы штифтов наблюдались при зазорах между измерительным штифтом и каналами вкладышей
0,015-0,02 мм. Полировка отверстий под измерительные штифты проводилась
латунными притирами и пастой ГОИ, а полировка штифтов - пастой ГОИ. Закрепленные вкладыши со смонтированными точечными мессдозами шлифовались в сборе с роликом. Во вкладышах для измерения удельных нормальных
давлений и контактных сил трения в диаметральной плоскости ролика смонтированы по две точечные мессдозы: одна - радиальная, вторая - наклонная с углом наклона 30° относительно радиальной в радиально-окружной плоскости
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ролика. С целью исследования контактных сил трения вдоль оси обкатываемой
детали изготовлены вкладыши со смонтированными наклонными мессдозами
под углом 30° относительно радиальной мессдозы в горизонтальной плоскости.
Для передачи сигналов от мессдоз к аппаратуре применен ртутный амальгамированный 8-канальный токосъемник типа РАТ-2-11, который вносит наименьшие погрешности в передаваемый сигнал (1 %), Провода от датчиков проходят
через отверстие в валу ролика и припаиваются к соответствующим выводам токосъемника. На валу ролика установлен кулачок, который включает и выключает кассету осциллографа в период прохождения точечными мессдозами дуги
контакта.
Зная скорость движения пленки в осциллографе и расстояние между измерительными штифтами радиальной и наклонной точечной мессдозы (38,8
мм), можно определить длину дуги контакта между роликом и обкатываемой
деталью. Так как во вкладышах смонтировано по две точечные мессдозы (рис.
2.1, направление I и II), то с целью проверки полученных результатов обкатывание производили в прямом и обратном направлениях. Обработку осциллограмм производили как по двум наклонным, так и по наклонной и радиальной
мессдозам. Полученные результаты оказались одинаковыми, что говорит о стабильной и надежной работе оснастки и аппаратуры. Обкатной ролик имеет цилиндрическую ленточку длиной 10 мм, заборный и обратный конусы по 30°.
С целью исследования распределения нормальных удельных давлений и
контактных сил трения вдоль площадки контакта изготовлено четыре вкладыша с мессдозами, расположенными на различном расстоянии друг от друга
вдоль цилиндрической ленточки. При проведении экспериментов использована
тензометрическая аппаратура, в комплект которой входит осциллограф и тензометрический усилитель (рис. 2.2). Осциллограммы записывались на пленку
чувствительностью больше 350 единиц. Скорость движения пленки в осциллографе выбиралась в зависимости от скорости обкатывания и составляла 2501000 мм/мин.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
о сц и л ло гр аф
а
б
Рис. 2.2. Экспериментальное обкатное приспособление:
а — блок-схема оснастки; б — экспериментальное обкатное приспособление
установленное на станке
Обкатывались образцы диаметром от 50 до 100 мм, толщиной 7-15 мм,
изготовленные из стали Ст 5, 45, У8 и армко-железа.
Изготовление вкладышей, штифтов мессдоз, а также расшифровку полученных осциллограмм удельных нормальных давлений производили с учетом
следующих недостатков, присущих данному методу:
1. Так как измерительный штифт мессдозы имеет определенный диаметр,
то измеряемые удельные давления получаются осредненными по площадке среза штифта.
2. В процессе проведения экспериментов наблюдается некоторое защемление штифтов в каналах ввиду упругой деформации инструмента, что сказывается на показаниях датчиков.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Происходит затекание металла в штифтовое отверстие, которое вносит
изменения в напряженно-деформационное состояние в области, примыкающей
к торцовой поверхности штифта и искажает показания мессдоз.
Влияние первого недостатка особенно сказывается в начальный и конечный периоды обкатки образца, когда штифт соприкасается с металлом лишь частью торцовой площади. На среднем же участке осциллограммы - отклонение
величины среднего по площадке контакта давления от истинного является минимальным ввиду незначительного приращения удельного давления по дуге
контакта. С целью устранения этого недостатка использовали методы обработки концов осциллограмм, которые заключались в установлении по опытным
кривым истинной кривой распределения удельного давления по дуге контакта.
Влияние упругой деформации инструмента снижается подбором оптимального зазора между измерительным штифтом и отверстием вкладыша.
Градуировку точечных мессдоз производили в специальном штампе (рис.
2.3), что позволяло, учитывая затекание металла в штифтовой канал, с помощью градуировочных графиков независимо от жесткости мессдоз и инструмента как при возрастании, так и при падении давления, выполнять градуировку.
Для этого изготовили образцы из сталей СТ 5, 45, У8 и армко-железа диаметром 16,5 и 21,5 мм, высотой 13 мм. Шероховатость поверхности, контактирующей с пуансоном, была такой же, как и у обкатываемых образцов – Ra = 1,6
мкм.
При давлении на пуансон 8 (рис. 2.3) металл выдавливался в узкий кольцевой зазор между матрицей 1 и пуансоном. Данная схема деформации соответствует полю линий скольжения для истечения металла в заусенец. Мессдозы
в пуансоне располагались таким образом, чтобы торцы точечных мессдоз находились в местах среднего давления. В изготовленные сменные пуансоны ввинчивались рабочие мессдозы. Затем штифты шлифовались заподлицо с контактной поверхностью пуансона. Отверстия для штифтов мессдозы в пуансонах
полностью соответствуют отверстиям во вкладышах обкатного ролика.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.3. Штамп для градуировки точечных мессдоз:
1 - матрица; 2 - вставка; 3 - образец; 4 - мессдоза; 5 - основание;
6 - стойка; 7 - верхняя плита; 8 - пуансон
Были изготовлены пуансоны как для радиальных, так и для наклонных
(угол наклона выбран 30° относительно радиальной) точечных мессдоз. С целью проверки идентичности условий трения в каналах пуансонов и вкладышей
мессдозы многократно последовательно нагружались и разгружались как в пуансонах, так и во вкладышах. Нагрузку производили сосредоточенной силой до
различных значений при углах наклона мессдоз 30º. В этом случае реакция мессдозы равна
RP
cos 30
sin 30
 P
.
cos 30
cos 30
Откуда
R = P(1 ± μtg30º)
(2.1)
В уравнении (2.1) знак минус означает нагрузку, знак плюс - разгрузку.
Исходя из уравнения (2.1), строили графики
l = f(P),
l = RM,
где l - отклонение луча осциллографа от 0-й линии; М - масштабный коэффициент; μ - коэффициент трения между штифтом мессдозы и каналом вкладыша.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Градуировку мессдоз производили сосредоточенной силой во вкладыше
ролика на токарном станке модели 1К62. В собранном виде обкатной ролик 1
(рис. 2.4, а) крепится в патроне станка и поджимается центром. Нагрузка создается поперечным винтом суппорта до различных значений радиального удельного давления и передается на штифт мессдозы 2 посредством динамометра 3.
Создаваемое усилие регистрировалось индикатором 4. Градуировку мессдоз,
расположенных в пуансоне, сосредоточенной силой производили на поперечнострогальном станке модели 7Б36 аналогичным образом (рис. 2.4, б). На поперечно-строгальном станке также производили градуировку радиальных мессдоз, расположенных во вкладыше сосредоточенной силой, направленной под
углом 30° к оси, проведенной по радиусу ролика, устанавливая вкладыш соответствующим образом в тисках. На приведенных на рис. 2.5 графиках верхняя
ветвь кривых соответствует нагрузке, нижняя - разгрузке. Прямая 0N является
градуированной кривой для этих же мессдоз при нагружении их сосредоточенной силой вдоль оси штифта. Градуировочные кривые (рис. 2.5) использованы
для определения коэффициента трения между штифтами мессдоз и вкладышами, а также пуансонами. Кроме этого, приведенные графики позволяют учитывать влияние сил трения между штифтом мессдозы и каналом на ход градуировочных кривых.
Решая уравнение (2.1) относительно μ, можно определить коэффициент
трения между штифтом мессдозы и каналом, который равен μ = 0,15 как для
вкладышей обкатного ролика, так и для пуансонов, что свидетельствует об
идентичности условий трения в каналах вкладышей и пуансонов. При расшифровке осциллограмм использовались градуировочные графики, полученные при
нагружении мессдоз через металл.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.4. Градуировка мессдоз сосредоточенной силой:
а - мессдоза установлена во вкладыше ролика;
б - мессдоза установлена в пуансоне
Градуировку мессдоз производили на 30-тонной и 50-тонной испытательных машинах УИМ-30, УИМ-50. Было изготовлено по два пуансона
для радиальных и наклонных точечных мессдоз, диаметрами 15 и 20 мм. Общее
давление, передаваемое на пуансон, регистрировали по шкале испытательной
машины. Зная контактную площадь пуансона F и общее давление Р на пуансон,
можно в любой момент выдавливания определить удельное давление, передающееся на штифт через металл

F
.
P
Рис. 2.5. Градуировка мессдоз сосредоточенной силой:
а - мессдоза радиальная; б - мессдоза наклонная
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нагрузки производились с усилиями до достижения необходимых значений радиальных удельных давлений как отожженных, так и предварительно
наклепанных образцов 3 (рис. 2.3) с различными удельными давлениями и
строились градуировочные кривые l=f(P). Цилиндрические образцы диаметром
16,5 и 21,5 мм, высотой 13 мм изготавливались из сталей Ст 5, 45, У8 и армкожелеза, как и образцы для проведения экспериментов.
На рис. 2.6 показаны градуировочные кривые для радиальной мессдозы
при нагружении через сталь до различных максимальных удельных давлений
отожженной (кривая 1) и предварительно наклепанной (кривые 2, 3) сталей Ст
5 и 45. Такие же градуировочные кривые для наклонной мессдозы приведены
на рис. 2.7. Градуировочные кривые для точечных мессдоз можно строить и
расчетным путем, зная предел текучести металла σт и градуировочный график
мессдозы для сосредоточенной силы - прямая 0N.
Если обрабатываемый материал обладает кривой упрочнения, близкой к
характеристике жестко-пластического тела, то точка перегиба М и кривой ОМВ
(рис. 2.6) должна соответствовать 2,5 σт. Тогда lm определится из соотношения
lM   p м   т 
m
,
tg 0
где lm - отклонение луча, соответствующее давлению на меcсдозу в точке
перегиба M; рм - удельное давление, действующее на меcсдозу в точке перегиба; т - коэффициент, зависящий от условий на входе в канал и трения в самом
канале; σт - предел текучести металла; tgα0 - тангенс угла наклона прямой 0N к
оси 0l.
Приведенная формула справедлива для малоупрочняющихся или неупрочняющихся материалов при привлечении модели жестко-пластического
материала. В общем случае прямая MB не параллельна 0N, причем приращение
угла наклона Δ αо по сравнению с αo определяется константой пластического
упрочнения. Так как учесть реологическое поведение тонкого поверхностного
слоя при обкатывании представляется затруднительным, была проведена вышеописанная экспериментальная градуировка точечных мессдоз. Приведенные
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
градуировочные кривые (рис. 2.6, 2.7) позволяют сделать вывод о том, что реологическое поведение обкатываемого металла соответствует модели жесткопластического упрочняющегося материала.
Рис. 2.6. Градуировочные кривые радиальной мессдозы:
а - для стали Ст 5; б - для стали 45
Прямая 0N, соответствующая нагрузке мессдозы, сосредоточенной силой
наклонена к оси 01 под углом α'о < αо.
Рис. 2.7. Градуировочные кривые наклонной мессдозы:
а - для стали Ст 5; б - для стали 45
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При пластическом контакте движущегося шероховатого цилиндра с однородным полупространством, на площадке контакта в общем случае имеются
три зоны контактного трения: зона отставания, зона прилипания и зона опережения. Так как при обкатывании роликами наблюдается упрочнение тонкого
поверхностного слоя металла, то данное упрочнение учитывается градуировочными кривыми мессдоз. С целью обеспечения схемы плоской пластической деформации напряженное состояние рассматриваем в сечениях, где обеспечиваются условия плоской пластической деформации. Так как в экспериментах
применялся цилиндрический ролик, то условия плоской деформации будут
обеспечиваться в центральном и близком к центральному сечениях. При исследовании углов установки ролика также пользовались схемой плоской деформации, применяя приближенный метод, используемый в теории упругости. Так
как точечные мессдозы были изготовлены диаметром 1,2 мм, то контактную
площадку делили на тонкие полосы такой же толщины в направлении, параллельном качению. Затем к этим полосам применялась теория плоской деформации без учета их взаимодействия.
Используя схему плоской пластической деформации, получим формулы
для определения удельных давлений и сил трения на основании уравнения равновесия сил, действующих по осям штифтов в процессе обкатывания, используя схемы сил (рис. 2.8), действующих на измерительные штифты мессдоз и
расположенных под углом 30° относительно радиальной мессдозы.
Так для зоны опережения (рис. 2.8, а) в предположении, что штифты
нагружаются,
R1on  p  1 p
sin 30
sin 30
cos 30

 1
 p  1 ptg 30   tg 30  1 .
cos 30
cos 30
cos 30
Для штифта радиальной мессдозы
R2on = p – μ2τ.
Для наклонной мессдозы № 3
R3on = p – μ3ptg30º + τtg30º + μ1τ.
Для зоны отставания (рис. 2.8, б) аналогично имеем
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
R1om  p  1 ptg 30   tg 30  1 ;
R2 om  p   2 ;
R3om  p  3 ptg 30   tg 30  1 .
где р - удельное давление обкатывания, действующее на измерительный
штифт мессдозы; τ - удельная касательная сила трения, действующая на измерительный штифт мессдозы; μ1, μ2, μ3 - коэффициенты трения в каналах вкладыша; R1, R2, R3 - реакции мессдоз.
Рис. 2.8. Схемы сил, действующих на измерительные штифты мессдоз:
а - для зоны опережения, б - для зоны отставания
Если штифты, сошлифованные под углом 30° к радиусу ролика или заподлицо с поверхностью ролика, нагружать статически сосредоточенной
удельной силой рi, направленной по радиусу ролика, то уравнение равновесия
сил, действующих по осям штифтов, будет
R1  pi
cos 30
sin 30
 1 pi
.
cos 30
cos 30
Откуда
R1 = pi (1 ± μ1tg30º);
R2 = pi;
R3 = pi (1 ± μ3tg30º).
В полученных выше уравнениях знак минус означает нагрузку, знак плюс
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- разгрузку.
Коэффициенты трения μ1, μ2, и μ3 в каналах определены при градуировке
мессдоз сосредоточенной силой и как для вкладышей, так и для пуансонов оказались равными
μ1 = μ2 = μ3 = 0,15.
Тогда, заменяя R1, R2, R3 значениями сил Р1, Р2, Р3 соответствующими ординатами осциллограмм, расшифрованным по градуировочным графикам,
определяем удельные нормальные давления и силы трения.
Для зоны опережения
Р1(1- μtg30º) = р - μptg30º- τtg30º - μ1τ;
Р2 = р – μτ;
Р3(1- μtg30º) = р - μptg30º- τtg30º + μτ.
Для зоны отставания
Р1(1- μtg30º) = р - μptg30º+ τtg30º - μ1τ;
Р2 = р – μτ;
Р3(1- μtg30º) = р - μptg30º- τtg30º - μτ.
Решая попарно приведенные уравнения и подставив численные значения
(μ = 0,15; tg30º = 0,577) можно определить удельные давления и силы трения в
зонах отставания и опережения.
Окончательно для зоны опережения получим
p
p1on  p3on
;
2

5,33 p2on  p3on
;
6,33
5,33 p2on  p1on
p
;
4,33
p
p3on  p1on
;
1, 6
p3on  p2 on
;
0,95
p p
  2on 1on .
0, 65

Для зоны отставания аналогично получаем
p1om  p3om
;
2
p  p3om
p  1om
;
4, 33
5, 33 p2 om  p1om
p
;
6, 33
p
p1om  p3om
;
1, 6
p  p3om
  2 om
;
0, 65
p  p2 om
  1om
.
0, 95

(2.2)
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таким образом, расчет удельных нормальных давлений и контактных сил
трения можно производить по показаниям нескольких мессдоз, что позволяет
проверить работу оснастки и аппаратуры. Так как вкладыши ролика были изготовлены с одной радиальной и одной наклонной мессдозами, то обкатывание
производил и в прямом и обратном направлениях, а затем осуществляли обработку осциллограмм. Результаты оказались идентичными, что говорит о стабильной работе аппаратуры и оснастки.
Методика обработки осциллограмм распределении нормальных удельных
давлений и контактных сил трения
Полученные осциллограммы распределения нормальных и удельных
давлений по дуге контакта следует обрабатывать в местах входа штифта в соприкосновение с обкатываемым металлом, а также в местах выхода из металла,
потому что на этих участках штифт мессдозы соприкасается с металлом лишь
частью торцовой поверхности. На средних же участках осциллограмм, где приращение удельных нормальных давлений невелико, значения удельных нормальных давлений отличаются от напряжений также незначительно. Существует несколько методов обработки осциллограмм: метод производной, предложенный А.А. Королевым и А.М. Брумбергом [7] и приближенный метод,
разработанный И.М.Павловым и др. Полученные осциллограммы для наклонных и радиальных точечных мессдоз обрабатывали методом производной, на
основании которого обработку полученных осциллограмм распределения нормальных удельных давлений производили на участках входа штифта мессдозы
в соприкосновение с обкатываемым металлом и выхода из металла. Для штифта
круглого сечения (рис. 2.9) сила, действующая на торец штифта определяется
из выражения
z
Pш 
 P dF  P C dx,
x
Fz
x
x
x
0
где dFx = Cxdx - площадь элементарной полоски шириной dх, выделенной
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
из площадки соприкосновения; Сx - хорда окружности штифта, соответствующая координате х.
На осциллограмме записывается давление, равное частному от деления
силы, которая действует на штифт, на его торцовую площадь
z
P
1
qz  ш   PxCx dx,
F F0
где F 
d2
4
; d - диаметр штифта.
Рис. 2.9. Обработка экспериментальных осциллограмм:
а - осциллограмма до обработки; б - эпюра распределения удельных нормальных давлений в радиально-окружной плоскости по дуге контакта
Возьмем производную от qz по z
qz' 
Pz Cz
.
F
Pz 
F '
qz .
Cz
Тогда
Таким образом, удельное давление Рz равно произведению производной
от записываемого удельного давления qz по пути перемещения штифта на площадь сечения штифта F и поделенное на хорду Сz.
Далее рассмотрим порядок обработки полученных осциллограмм (рис.
2.9). Зная расстояние между наклонной и точечной мессдозами (38,8 мм) и скорость протягивания пленки в осциллографе, находим длину дуги контакта меж39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ду роликом и обкатываемым металлом. Затем в масштабе осциллограммы
определяем диаметр штифта мессдозы. Часть осциллограммы, равную диаметру штифта, разбиваем на участки с определенным шагом. Далее по ординате Z с
этим же шагом определяем значения удельных давлений q и берем разность Δq
двух соседних величин. Далее приближенно вычисляем производную
qz' 
q
;
Z
по таблицам находим площадь диаметра штифта в масштабе осциллограммы и хорды С. для каждого шага. Затем по формуле определяем ординаты действительных удельных давлений. Через полученные точки проводим
кривую удельных давлений. На участке выхода штифта из соприкосновения с
металлом отсекаем часть осциллограммы d, вызванную затеканием металла в
штифтовой канал.
Обработку осциллограмм на этом участке производим аналогичным образом, используя разгрузочную ветвь градуировочной кривой для мессдоз. Так
как длина дуги контакта получается больше действительной длины дуги контакта между роликом и обрабатываемым металлом, то после обработки участков входа и выхода штифты сдвигаются на половину своего диаметра от обоих
концов вглубь осциллограммы. Аналогичным образом обрабатываются осциллограммы наклонных точечных мессдоз. Отличие заключается в том, что площадь торца наклонного штифта мессдозы больше радиального и равна
Fн 
Fp
cos 
,
где α - угол наклона мессдозы относительно радиальной.
Длина дуги контакта в этом случае будет также больше на величину с,
равную
c
d
.
cos 
где d - диаметр радиального штифта.
На рис. 2.9, б показана обработанная осциллограмма.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.2. Распределение удельных нормальных давлений в радиально-окружной
плоскости ролика
Эксперименты по исследованию распределения нормальных удельных
давлений в диаметральной плоскости ролика проводились на обкатном приспособлении с использованием тензометрической аппаратуры, описанной выше.
Полученные типичные осциллограммы в радиально-окружной плоскости ролика показаны на рис. 2.10. По внешнему виду осциллограммы соответствуют
верхней половине синусоиды, что согласуется с данными, приведенными в литературе [4, 8]. Обрабатывая осциллограммы, получили эпюры распределения
нормальных удельных давлений и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости ролика для первого прохода (рис. 2.11-2.14). Обкатыванию подвергались образцы из сталей Ст 5, 45, У8 и армко-железа, диаметром от 65 до
100 мм. Шероховатость поверхности образцов перед обкатыванием Ra = 1,6
мкм, ролик устанавливался перпендикулярно оси образца. Так как условия
плоской пластической деформации обеспечиваются в центральной и близкой к
центральной областях, то точечные мессдозы располагались посередине обкатываемых образцов.
Рассматривая справа налево полученные эпюры распределения нормальных удельных давлений по дуге контакта, видно, что они имеют одинаковый характер для всех обкатанных сталей. Полученные эпюры удельных нормальных давлений показывают, что на дуге контакта имеются все три зоны
контактного трения: области опережения, прилипания и отставания. В зонах
опережения и прилипания полученные эпюры распределения удельных нормальных давлений имеют куполообразный вид. В этих зонах удельные нормальные давления возрастают от минимума, достигают максимума, а затем
опять снижаются. В зонах отставания нормальные удельные давления опять
возрастают. Возрастание удельных нормальных давлений в зонах отставания
объясняется разрывом касательной компоненты скорости на контакте.
Удельные нормальные давления определяются пределом текучести ме41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
талла на сдвиг и выходом α-линий скольжения к контактной поверхности. Поэтому разрыв касательной компоненты скорости на контакте вызывает изменение угла α -линий скольжения и контактной поверхности и рост удельных нормальных давлений в зонах отставания при обкатывании.
Рассматривая эпюры удельных нормальных давлений для различных радиальных составляющих усилия обкатывания исследуемых сталей, видим, что
протяженность зон контактного трения для различных сталей зависит от длины
дуги контакта, но приблизительно одинакова при одинаковых дугах контакта.
Однако дня исследуемых сталей в этих случаях имеются различные по величине удельные нормальные давления.
Это обусловлено пределами текучести на сдвиг для исследуемых сталей,
для более пластичных материалов нужны меньшие значения удельных нормальных давлений при заданной дуге контакта.
Для исследования влияния смазок на распределение удельных нормальных давлений и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости
ролика применялись следующие смазки: масло индустриальное 45, смесь сульфофрезола с керосином (70 % + 30 %), масло веретенное 12, а также смесь олеиновой кислоты с керосином (50 % + 50 %). Обкатывались также образцы без
применения смазки. В этом случае образцы и ролик тщательно обезжиривались.
Рис. 2.10. Типичные осциллограммы распределения удельных нормальных
давлений в радиально-окружной плоскости для круглых образцов
(12-ый проход, сталь 45):
1 - мессдоза радиальная; 2 - мессдоза наклонная;
3 - радиальная составляющая усилия обкатывания Ру
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.11. Эпюры распределения удельных нормальных давлений (а) и
контакных сил трения (б) в радиально-окружной плоскости для круглых
образцов (первый проход, сталь Ст 5):
1 - Ру = 20000 Н; 2 - Ру = 17500 Н; 3 - Ру = 15000 Н
На рис. 2.15 показано распределение удельных нормальных давлений и
контактных сил трения при применении данных смазок и без смазки. Анализируя полученные эпюры видим, что все они имеют одинаковый характер, однако
протяженность зон контактного трения и абсолютные значения удельных контактных сил трения отличаются друг от друга.
При применении в качестве смазки смеси олеиновой кислоты и керосина получаем наиболее протяженные зоны отставания и опережения.
Рис. 2.12. Эпюры распределения удельных нормальных давлений (а) и
контактных сил трения (б) в радиально-окружной плоскости для круглых
образцов (первый проход, сталь 45):
1 - Ру = 22500 Н; 2 - Ру = 2000 Н; 3 - Ру = 16500 Н
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Протяженность этих зон приблизительно в 1,5 раза больше аналогичных
зон для образцов, обкатываемых с использованием масла веретенного 12, смеси
сульфофрезола с керосином и масла индустриального 45. Значения удельных
контактных сил трения также минимальны при применении смеси олеиновой
кислоты и керосина. По сравнению с обкатыванием без применения смазки
удельные контактные силы трения меньше в 1,7 раза для зоны опережения, а в
зоне отставания – в 1,5 раза. Применение масла веретенного 12, смеси сульфофрезола с керосином и масла индустриального 45 дают возрастающие значения
удельных контактных сил трения.
Рис. 2.13. Эпюры распределения удельных нормальных давлений (а) и
контактных сил трения (б) в радиально-окружной плоскости для круглых
образцов (первый проход, сталь У8):
1 - Ру = 22500 Н; 2 - Ру = 17500 Н
Изменения протяженности зон контактного трения при применении различных смазок объясняется варьированием граничных условий на контакте
(механических связей, препятствующих относительному смещению). Так, например,
применение
поверхностно-активных
веществ
позволит
плас-
тифицировать тонкий поверхностный слой при пластической деформации.
Влияние смазки на распределение удельных контактных сил трения и качество обкатанной поверхности более подробно будет рассмотрено ниже.
В процессе обкатывания каждая точка обрабатываемой детали подвергается
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
многократному воздействию деформирующего элемента. Кратность приложения нагрузки влияет на качественные характеристики получаемого в процессе
обкатывания поверхностного слоя.
Рис. 2.14. Эпюры распределения удельных нормальных давлений (а) и
контактных сил трения (б) в радиально-окружной плоскости для круглых
образцов (первый проход, армко-железо):
1 - Ру = 13500 Н; 2 - Ру = 11000 Н
Уменьшение подачи ролика или увеличение числа проходов может вызвать снижение чистоты и перенаклеп поверхности, а, следовательно, понижение предела выносливости детали. Так как длина площадки контакта между роликом и обкатываемой деталью в осевом направлении больше подачи, то в
процессе обкатывания часть ролика обкатывает уже предварительно упрочненный материал.
В процессе обкатывания могут быть два случая: радиальная составляющая усилия обкатывания колеблется в значительных пределах и в процессе обкатывания радиальная составляющая колеблется незначительно, т.е. можно
принять Pу = const.
Первый случай наиболее часто наблюдается при обкатывании (раскатывании) деталей раскатками жесткого типа при изменении натяга вдоль оси обрабатываемой детали. Получаемая шероховатость и поверхностная твердость
детали могут колебаться в значительных пределах. В этом случае ролик контактирует с металлом, наклепанным при различных удельных нормальных дав45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лениях. Контактные силы трения в радиально-окружной плоскости ролика также колеблются в значительных пределах. Длина дуги контакта в этом случае
также будет колебаться. Эпюры распределения удельных нормальных давлений
и контактных сил трения будут аналогичны по характеру эпюрам (рис. 2.112.14).
Рис. 2.15. Эпюры распределения удельных нормальных давлений (а) и
контактных сил трения (б) в радиально-окружной плоскости для круглых
образцов (первый проход, сталь 45):
1 - без применения смазки; 2 – с применением сульфофрезола с керосином
(70 % + 30 %); 1 - Pу= 13500 Н; 2 – Ру = 11000 Н
С целью получения качественной поверхности обкатанной детали применяют раскатки упругого действия или раскатки жесткого типа с обеспечиванием постоянного натяга вдоль оси обкатываемой детали. В этом случае радиальная составляющая усилия обкатывания колеблется незначительно. Важно установить зависимости распределения удельных нормальных давлений и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости ролика не только для первого
прохода деформирующего элемента, но также и для последующих проходов
при постоянной или незначительно колеблющейся радиальной составляющей
усилия обкатывания – Pу.
Обработка осциллограмм по градуировочным графикам мессдоз (для
первого прохода для отожженных материалов, а для последующих проходов
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
для предварительно наклепанного металла до заданных удельных нормальных
давлений) позволила построить эпюры распределения удельных нормальных
давлений и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости ролика
при различных проходах (2.15, 2.16). Характер эпюр удельных нормальных
давлений одинаков для всех проходов деформирующего ролика, однако происходит изменение длин дуг контакта. Наиболее интенсивное изменение длин дуг
контакта наблюдается с первого по третий проходы ролика, например, для образца, изготовленного из стали 45, длина дуги контакта изменяется с 4,5 мм для
1-го прохода до 4,0 мм для 3-го прохода. При последующих проходах длина дуги контакта меняется незначительно, достигая 3,9 мм при 12-ом проходе (рис.
2.17, 2.18). Наряду с уменьшение длины дуги контакта ролика с обкатываемым
образцом наблюдается увеличение удельных нормальных давлений для последующих проходов. Если для первого прохода максимальные удельные нормальные давления для этого образца равны 1460 МПа, то для 3-го прохода 1650 МПа.
Рис. 2.16. Эпюры распределения удельных нормальных давлений (а) и контактных сил трения (б) в радиально-окружной плоскости для круглых образцов
(сталь Ст 5): 1 - первый проход; 2 - третий проход; 3 - 12-ый проход;
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.17. Эпюры распределения удельных нормальных давлений (а) и контактных сил трения (б) в радиально-окружной плоскости для круглых образцов
(сталь 45): 1 - первый проход; 2 - третий проход; 3 - 12-ый проход
Рис. 2.18. Изменение длины дуги контакта для первого и последующих проходов ролика: а – для стали 45; б – для стали Ст 5
В дальнейшем рост удельных нормальных давлений замедляется, достигая 1700 МПа при 12-ом проходе (рис. 2.17, 2.19, а). Аналогичный характер носит изменение длины дуги контакта и удельных нормальных давлений при различных проходах и для стали Ст 5 (рис. 2.16. 2.19,б).
Так как в процессе обкатывания происходит упрочнение деформи48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рованного слоя, т.е. увеличение предела текучести на сдвиг и растяжение, а
также изменение других механических свойств, то возрастает сопротивление
деформированию при последующих проходах ролика. Это вызывает уменьшение длин дуг контакта и увеличение удельных нормальных давлений при постоянной радиальной составляющей усилия обкатывания. Очевидно, что этот
процесс упрочнения деформированного слоя наиболее интенсивно происходит
на первых трех проходах ролика. При последующих проходах ролика интенсивность упрочнения замедляется и это вызывает меньшее изменение длин дуг
контакта и удельных нормальных давлений. Поэтому изменение эпюр распределения удельных нормальных давлений при последующих проходах аналогично изменению эпюр, полученных для менее пластичных металлов. Таким
образом, упрочнение деформированного слоя вызывает значительное уменьшение размеров площадки контакта и изменение величин в сторону роста удельных нормальных давлений на этой площадке.
Проведены исследования распределения удельных нормальных давлений
и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости для плоских образцов, изготовленных из стали Ст 5 и армко-желсза, в которых накатывание производилось на горизонтально-фрезерном станке модели 6М82. По данным обработанных осциллограмм получили эпюры распределения нормальных удельных давлений и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости для
плоских образцов (рис. 2.20, а). Сравнивая эпюры, полученные для плоских и
круглых образцов, видим, что у плоских образцов в зоне отставания (АВ) имеются более значительные нормальные удельные давления, которые превышают
максимальные для зоны прилипания (ВС). Следовательно, можно сделать вывод, что на характер распределения нормальных удельных давлений влияет
кривизна поверхности обкатываемой детали. При увеличении кривизны детали
характер распределения нормальных удельных давлений будет приближаться к
виду, характерному для плоского образца.
С целью определения возможности построения эпюр распределения
удельных нормальных давлений для реального процесса накатывания расчет49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ным путем с использованием формул, приведенных в литературе [4] В.М. Сегалом, было проведено сравнение экспериментальных и расчетных эпюр (на примере для армко-железа).
Рис. 2.19. Изменение максимальных удельных нормальных давлений для
первого и последующих проходов ролика:
а - для стали 45; б - для стали Ст 5
Так как для реального металла предел текучести при сдвиге в процессе
накатывания изменяется по дуге контакта и по глубине слоя, то с помощью
микрометрического столика замерялась твердость HV вдоль дуги контакта, а
значения К - предела текучести на сдвиг находились по выражению
К
HV
.
6
(2.4)
Из рис. 2.20, б видно, что изменение К подчиняется зависимости


K  K 0 1   2 x . Угол наклона α-линий скольжения к контактной поверхности
определяли из соотношения
cos 2 
к
K
.
где τк - контактные силы трения, полученные экспериментально для соответствующих зон (рис. 2.20, б);  
lд
малый параметр (lд – длина дуги контакта,
Rp
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
определенная экспериментально).
Рис. 2.20. Эпюры распределения удельных нормальных давлений (а),
контактных сил трения (б) и поле линий скольжения (в) в радиально-окружной
плоскости для плоских образцов (первый проход, армко-железо):
1 - экспериментальная эпюра; 2 - расчетная эпюра;
3 - изменение предела текучести на сдвиг по дуге контакта
Подставляя значения переменных К, η, а также координаты зон отставания и опережения в формулы для однородного полупространства, рассчитали
эпюру распределения нормальных удельных давлений для реального процесса
накатывания (рис. 2.20, а).
Таким образом, полученные экспериментальные данные по величине
контактного трения в соответствующих зонах, протяженности этих зон, распределения предела текучести на сдвиг по дуге контакта позволили рассчитать
эпюру распределения удельных нормальных давлений для реального процесса
накатывания с высокой точностью (экспериментальная и расчетная эпюра отличаются друг от друга на 4-7 %). Аналогичные эпюры могут быть рассчитаны
для любых других материалов при обкатывании с учетом их реологии и гра51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ничных условий на контакте.
Экспериментально установленные изменения условий на контакте показывают, что удельные нормальные давления при реальном обкатывании определяются контактными силами трения, реологией обкатываемого материала,
геометрическими параметрами ролика.
2.3. Влияние углов установки ролика на распределение удельных
нормальных давлений и контактных сил трения
Форма ролика (углы его установки) определяет течение обкатываемого
металла как в радиально-окружной плоскости, так и вдоль оси детали. Эти углы
установки ролика при обычном обкатывании невелики (0°30'- 2°), поэтому изменение диаметра ролика в пределах пятна контакта незначительно. Учитывая
это, возможно при постоянном диаметре ролика путем установки его в горизонтальной плоскости на угол φ исследовать распределение удельных нормальных давлений и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости в зависимости от этого угла.
Процесс поверхностного пластического деформирования характеризуется
кратностью приложения нагрузки. Очевидно, что при последующих проходах
ролика, в зависимости от подачи эти углы будут определять деформацию поверхностного слоя металла. Эта деформация может быть различна ввиду различного внедрения ролика в обкатываемый металл, что вызывает неодинаковые
физико-механические свойства наклепанного слоя вдоль обкатанной детали.
С целью исследования распределения удельных нормальных давлений и
контактных сил трения в радиально-окружной плоскости ролика при установке
его на угол φ основание экспериментального приспособления (рис. 2.1) разворачивали на исследуемый угол в горизонтальной плоскости и закрепляли болтами.
На рис. 2.21 показана установка ролика для записи удельных нормальных
давлений и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости ролика.
Ширина цилиндрической ленточки ролика В равна 10 мм. Удельные давления
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
замерялись в сечении 1-1 - центр точечной мессдозы находится на расстоянии
0,9 мм от начала ленточки и в сечении II-II - центр точечной мессдозы находится посередине ленточки. Затем ролик поворачивался вокруг горизонтальной оси
на 180° и удельные давления замерялись в сечении III-III. В этом случае записывались удельные давления также на расстоянии 0,9 мм от края ленточки до
середины точечной мессдозы. Исследовалось распределение удельных нормальных давлений и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости
ролика при следующих углах φ: 0°; 0°40'; 1º. Обкатывались образцы из стали
Ст 5 диаметром 65 мм и усилии на ролик Рy = 21000 Н.
На рис. 2.22 показаны распределения удельных нормальных давлений и
контактных сил трений при угле φ = 0 °40' при применении в качестве смазки
масла индустриального 45. Полученные эпюры аналогичны эпюрам распределения удельных нормальных давлений и контактных сил трения при различных
усилиях, передаваемых на ролик. Максимальные удельные нормальные давления и контактные силы трения возникают в сечении 1-1, а минимальные - в сечении III-III, что объясняется большим и меньшим внедрением деформирующего элемента в образец. При обкатывании с углом φ = 0º в сечениях 1-1 и III-III
наблюдается некоторое увеличение удельных нормальных давлений по сравнению с сечением II-II, что, по-видимому, объясняется «краевым эффектом», т.е.
имеется некоторый всплеск удельных нормальных давлений по краям деформирующего ролика (рис. 2.23).
При увеличении угла φ происходит дальнейшее перераспределение
удельных нормальных давлений вдоль ленточки - кривые 2,3 (рис. 2.23). Для
сечения 1-1 максимальные удельные нормальные давления увеличиваются с
1060 МПа при φ = 0 до 13470 МПа - при φ = 1º. Следует ожидать, что у вершины ролика максимальные удельные нормальные давления увеличиваются еще
больше (φ = 1º, 0°40') по сравнению с φ = 0, на что указывает характер кривых
2 и 3 (рис. 2.23).
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.21. Схемы установки ролика при исследовании влияния углов на распределение удельных нормальных давлений и контактных сил трения:
а - в радиально-окружной плоскости; б - в осевой плоскости
Рис. 2.22. Эпюры распределения удельных нормальных давлений и контактных
сил трения по ширине ролика (первый проход, сталь Ст 5) φ = 0º40'
Рис. 2.23. Изменение максимальных удельных нормальных давлений по ширине ролика (первый проход, сталь Ст 5):
1 - φ = 0º; 2 - φ = 0º40'; 3 – φ = 1º
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Зависимость изменения длин дуг контактов ролика и образца при изменении угла φ для указанных сечений представлены на рис. 2.24.
Таким образом, угол установки ролика φ оказывает значительное влияние
на перераспределение удельных нормальных давлений, а значит и на качественные характеристики обкатанной поверхности.
При радиальной постоянной усилия обкатывания характеристики наклепанного слоя металла приблизительно стабилизируются к 10-20 циклу обкатывания. Тогда при выбранной подаче 5 длина цилиндрической ленточки ролика
будет равна
lц 
Nц S
,
n
где Nц – число циклов нагружения, Nц = 10-20 (последняя цифра относится к
отделочному обкатыванию); S - подача, мм/об.; n - число обкатывающих роликов.
Подача ролика определяется требуемым углом а с целью получения нужного направления текстуры и физико-механических характеристик наклепанного слоя.
С целью снижения радиальной составляющей усилия обкатывания ролик
можно поворачивать на угол φ = 0°40' - 2°, так как в этом случае возрастают
максимальные удельные нормальные давления по сравнения с углом φ = 0°
(рис. 2.23). Однако в этом случае при выбранной подаче $ необходимо увеличить число обкатывающих роликов, чтобы обеспечить нужное число циклов
нагружения.
Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. Метод наклонных точечных мессдоз для исследования процесса поверхностного пластического деформирования методом обкатывания роликами
является перспективным.
2. Показано, что упрочнение обкатываемого металла изменяет эпюры
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
удельных нормальных давлений и контактных сил трения в зонах контактного
трения.
3. Упрочнение обкатываемого металла при последующих проходах деформирующего ролика с постоянной радиальной составляющей усилия обкатывания Рy вызывает уменьшение длины дуги контакта ролика и обкатываемой
детали и увеличение удельных нормальных давлений при 12-ом проходе достигает 12-20 % по сравнению с первым проходом.
4. Выявлено, что применение смазки увеличивает протяженность зон
контактного трения.
5. Установлено, что угол установки ролика φ оказывает значительное
влияние на характер распределения удельных нормальных давлений и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости ролика по его ширине, что
позволяет использовать это влияние с целью изменения радиальной составляющей усилия обкатывания и назначения конструктивных элементов ролика.
Рис. 2.24. Изменение длины дуг контакта по ширине ролика
(первый проход, сталь Ст 5): 1 – φ = 0º; 2 – φ = 0°40'; 3 – φ =1º
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. КОНТАКТНОЕ ТРЕНИЕ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ
ДЕФОРМИРОВАНИИ НАКАТЫВАНИЕМ
3.1. Граничные условия при обкатывании роликами
Одним из сложных явлений контактного взаимодействия двух тел является трение. Сложность заключается в том, что трение представляет совокупность одновременного протекания нескольких различных по природе процессов, причем дифференцировать влияние каждого процесса не представляется
возможным. В настоящее время при изучении трения учитывают топографию
контакта, реологические свойства контактирующих материалов, наличие разделяющих слоев и их свойства.
Контакт двух тел имеет определенную топографию, которая изменяется
соответственно реологическим особенностям контактирующих тел, их исходной и изменяющейся шероховатости, а также их структурному состоянию поверхностных слоев.
Реологические свойства трущихся материалов определяют изменение
очага деформации, предела текучести на сдвиг, температуры и скорости деформации, возникновение анизотропии свойств материалов, а значит и сопротивление перемещению контактирующих поверхностей.
В процессе трения устанавливаются связи между контактирующими поверхностями. Преодоление адгезионных связей на элементах контакта, а также
деформирование шероховатости реальных поверхностей создает силу трения.
Адгезионные связи являются результатом различных молекулярных взаимодействий, возникающих между поверхностными слоями двух разнородных тел.
Установление этих связей является сложной функцией условий установления
контакта, времени его существования и разрушения.
Одним из первых, кто исследовал процесс трения, был Леонардо да Винчи, который установил связь между нормальной и сдвигающей силами и номинальной поверхностью при равномерном движении тела. По Леонардо да Винчи сдвигающая сила пропорциональна нормальной нагрузке, не зависит от но57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
минальной площади и отношение сдвигающей к нормальной силе приблизительно одинаково для всех материалов и равняется одной второй. Однако законы сухого трения Леонардо да Винчи остались неизвестными современникам и
последующим поколениям исследователей.
Классические законы трения сформулированы Амонтоном. Он экспериментально установил пропорциональность сдвигающей и нормальной сил
путем введения коэффициента трения
 к   п .
Кулон сформулировал двучленный закон трения, утверждающий, что сила трения зависит от двух факторов: нормальной нагрузки и некоторой величины, не зависящей от нормальной нагрузки,
 к  А    п .
Влияние внутренних сил системы учтено и формулой, предложенной
Б.В.Дерягиным,
 к    N  N0  ,
где N - нормальная нагрузка; N0 - равнодействующая молекулярного притяжения между обоими телами (равна произведению фактической площади контакта
на единичную силу молекулярного притяжения в зависимости от сближения по
периметру); μ - коэффициент трения, названный истинным.
Однако практика показывает, что вышеприведенные законы трения справедливы при сравнительно низких и средних давлениях при упругом деформировании тел и дискретном контакте шероховатости.
При пластической деформации одного из тел изменяется соотношение
нормальной и касательной компонент, нарушается линейность приращения сил
трения от нормальной нагрузки и закон пластического трения записывается в
виде
 к     max ср.
(3.1)
При наличии между контактирующими телами прослойки, обладающей
другим пределом текучести, касательная сила определяется прочностными
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
свойствами этой прослойки.
Зависимость (3.1) обычно называют законом Прандтля, который утверждает, что касательные напряжения на поверхности пропорциональны пределу
текучести деформирующего металла, причем контактное касательное напряжение берется не в точке, а имеется в виду среднее максимальное сдвигающее
напряжение по всему контакту или в его некоторой области.
Так как реальный контакт трущихся тел имеет статический характер очагов деформации, то с целью установления зависимостей между нормальной и
касательной составляющими усилия обычно вводят номинальную поверхность.
Номинальная поверхность представляет собой границу между контактирующими телами при ее идеализации. При этом дискретность контакта
исчезает и он рассматривается на номинальной поверхности, а нормальные и
касательные напряжения теряют исходный физический смысл, становятся приведенными. Эти напряжения обычно и рассматриваются при исследовании
процессов на контакте трущихся пар. Тогда внешним трением на границе двух
тел (или их элементов) следует называть механическое сопротивление, возникающее на контактной поверхности при относительном перемещении двух соприкасающихся тел (или их элементов) и воспринимаемое в виде суммы касательных проекций элементарных сил контакта на номинальную границу тел.
Отказ от реального характера поверхностей на контакте не позволяет
установить связи между нормальными и касательными напряжениями при исследовании изучаемых процессов. Поэтому экспериментальным путем или заданными условиями принимают распределение сил трения на контакте известными. Эпюры сил трения обычно задаются в качестве граничных условий. Поэтому получение эпюр распределения контактных сил трения для реальных
технологических процессов является важным как при теоретическом, так и при
практическом их использовании в качестве движущих сил технологических
процессов.
При обкатывании роликами, как показано выше, экспериментальным путем получены эпюры распределения нормальных удельных давлений и кон59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тактных сил трения по дуге контакта для различных условий обкатывания. Полученные эпюры распределения контактных сил трения вдоль дуги контакта
имеют участки с приблизительно постоянными силами трения и участок с изменяющимися значениями сил трения. Участки с постоянными силами трения
имеют различное направление вдоль дуги контакта (рис. 2.20). Это указывает
на то, что при реальном обкатывании имеются все три зоны контактного трения: зона опережения (СД), зона прилипания (ВС) и зона отставания (АВ). Согласно теоретическим исследованиям А.Д. Томленова, Е.М. Макушка и др., а
также большому количеству экспериментальных данных, считается, что переход от максимума в зоне отставания к аналогичному участку в зоне опережения
осуществляется по плавной кривой. Полученные эпюры распределения контактных сил трения при обкатывании имеют такой же характер [8].
Таким образом, при обкатываиии имеются зоны развитого скольжения
(отставания и опережения) и прилипания, где скольжение вдоль контактной поверхности отсутствует, а сдвиги происходят во внутренних слоях близ контактной поверхности. Так как реальное контактирование двух тел является дискретным, то в случае прилипания на площадках фактического контакта имеет
место относительный перенос свободной поверхности, что при определении
скорости смещения одной поверхности относительно другой дает в результате
сложения определенное значение скорости разрыва. Резкие градиенты механических свойств (наличие смазки, окислов, пластифицированный слой) способны концентрировать деформацию в тонком поверхностном слое. В этом случае
реализуется мнимый разрыв, возникающий при пренебрежении толщиной слоя.
При обкатывании контактные силы трения, наряду с геометрическими
параметрами ролика (диаметр, углы установки ролика), реологическими свойствами обрабатываемого металла определяют кинематику всего очага деформации, а значит и физико-механические свойства обкатываемого слоя металла.
Рассмотрим это на примере для обкатываемого плоского образца из армкожелеза (рис. 2.20).
Как уже отмечалось, при обкатывании роликами пластическая де60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
формация распространяется по линиям скольжения, характер которых определяется кинематическими связями инструмента и деформируемого тела. Кроме
этого, при реальном обкатывании пластическая деформация будет определяться
реологией обкатываемого материала, наличием смазки, прослоек, пластифицированием слоя.
Полученные эпюры распределения контактных сил трения (рассматриваем плоскую задачу) позволяют охарактеризовать очаг деформации. При
описании кинематических связей вдоль контактной поверхности ABCD для
процесса ППД нормальная и тангенциальная составляющие скорости ролика
будут определяться зависимостями
Vn= ωρ sin(γ + λ); Vt = ωρ con(γ + λ).
При разрыве касательной составляющей скорости
V= ωρ cos(γ + λ)+ ωρ sin(γ + λ)tgη - Vasecη.
При непрерывности нормальной компоненты скорости
ωρ sin(γ + λ) = Vasinη - Vβcosη.
Радиус мгновенного центра вращения определяется из выражения
ρo = R-V/ω.
Координаты областей контактного трения определяются
хв 
sin    в 
;
R
хc 
cos    c 
.
R
В данных выражениях γ - угол между ρ и осью у; λ - угол между касательной к контактной поверхности и осью х; Vω, Vβ - проекции скорости на
направления линий скольжения; η - углы наклона α - линий скольжения к контактной поверхности.
При применении метода малого параметра геометрические характеристики поля линий скольжения с точностью до величины второго порядка
соответственно будут
 в     b / d;
1
2
 c       b / dctg 2 ;
0 
где b - координата точки В; δ -малый параметр, равный
b cos
,
sin    b / d cos
d
; d -ширина контакта.
R
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Угол выхода α - линий скольжения к контактной поверхности при пластической деформации определяется зависимостью
cos 2 
к
К
.
Так как в процессе обкатывания происходит упрочнение поверхностного
слоя, то изменение предела текучести на сдвиг по дуге контакта находили по
формуле (2.4).
Пользуясь значениями сил трения по дуге контакта, определенными экспериментально, находили значения углов выхода α - линий скольжения к контактной поверхности в точках В и С. Координаты точек В и С также были
определены экспериментально (рис. 2.20). В рассматриваемом случае полученный угол равен 32°.
Далее по формулам находили положение мгновенного центра вращения.
Величина малого параметра δ определялась из выражения

lд
R
где lд - длина дуги контакта, определенная экспериментально; δ в нашем
случае равнялась 0,067.
Полученное значение ρ0 сравнивалось со значением, вычисленным по
формуле. Для этого многократно секундомером измеряли время прохождения
суппортом станка определенного расстояния (300-400 мм) и находили скорость
движения Vс. Далее, зная скорость движения пленки в осциллографе и расстояние между точечными мессдозами на осциллограмме, находили время прохождения этого расстояния tм. Так как за это время от точки входа радиальной мессдозы до точки входа наклонной мессдозы ролик проходил путь 40,1 мм, находили скорость ленточки ролика, а затем угловую скорость ролика ωр. Затем положение мгновенного центра вращения определяли по указанной выше формуле. Значения ρ0, рассчитанные по формулам, оказались соответственно равными
1,33 мм и 1,41 мм. Зная значения ρ0, координаты точек В и С и углы выхода
α - линий скольжения к контактной поверхности, можно построить поле линий
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
скольжения (рис. 2.20).
При последующих проходах деформирующего ролика с постоянной радиальной составляющей усилия обкатывания ввиду увеличения сопротивления
деформированию (возрастание предела текучести на сдвиг), будет уменьшаться
очаг деформации. Так как контактные силы трения изменяются незначительно
при последующих проходах ролика, и происходит существенное изменение
предела текучести на сдвиг, то углы выхода α - линий скольжения к контактной
поверхности и очаг деформации уменьшаются. Кроме этого происходит изменение величины К по глубине деформированного слоя, которое также будет накладывать некоторое искажение на поле линий скольжения, а значит и на очаг
деформации.
Проведенные исследования по распределению удельных нормальных
давлений и контактных сил трения на контакте, изменению предела текучести
на сдвиг позволили определить геометрические характеристики и построить
ноля линий скольжения. Измеренная глубина наклепанного слоя для рассматриваемого образца из армко-железа оказалась равной 4,8 мм, а определенная по
построению поля линий скольжения - 4,4 мм.
Таким образом, очаг деформации при реальном обкатывании определяется контактными силами трения, реологией обкатываемого материала,
геометрическими параметрами ролика. Рассматриваемые же формулы по определению глубины наклепанного слоя не учитывали этих факторов.
3.2. Исследование осевых составляющих контактного трения при
обкатывании роликами
При обработке металлов давлением применяются комбинированные процессы, сущность которых заключается в наложении дополнительной схемы на
известную схему напряженно-деформированного состояния. При этом предельное напряжение в исходной схеме существенно снижается, потому что в
исходных напряжениях действуют уже не максимальные значения сдвигающих
напряжений, а только их проекции.
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Примерами комбинированных процессов при обработке металлов давлением являются: плоская осадка диска с кручением, прокатка с передним и задним натяжением, рассогласование скоростей валков при прокатке, сочетание
прокатки с изгибом. Создание комбинированных процессов, как правило, требует специального оборудования.
Рассмотрим возможности создания комбинированных схем для процесса
ППД методом обкатывания роликами. Так, за счет поворота ролика в вертикальной плоскости на некоторый угол α возможно создание осевых составляющих контактного трения. При этом одновременно будет происходить изменение эпюр контактных сил трения и в радиально-окружной плоскости ролика.
Это обусловлено изменением относительных скоростей ролика и образца ввиду
несовпадения векторов их скоростей.
Следовательно, целесообразно провести исследования влияния угла α на
распределение удельных нормальных давлений и контактных сил трений как в
радиально-окружной, так и в осевой плоскостях.
При исследовании влияния угла α на распределение удельных нормальных давлений и составляющих контактного трения в радиально-окружной
и осевой плоскостях точечные мессдозы устанавливались посередине цилиндрической ленточки при угле φ = 0° и применялась смазка - масло индустриальное 45. На рис. 2.21, б показана установка ролика для этого случая. Исследовалось распределение удельных нормальных давлений и контактных сил трения
как в радиально-окружной плоскости ролика, так и контактных сил трения
вдоль оси образца при изменении угла α от 0° до 12°.
На рис. 3.1 представлено распределение удельных нормальных давлений
и контактных сил трения в радиально-окружной плоскости ролика при углах
α = 0º, 4°; Видно, что эпюры распределения удельных нормальных давлений и
контактных сил трения имеют одинаковый характер. Абсолютные значения
удельных контактных сил трения одинаковы в соответствующих зонах контактного трения, однако протяженность зон контактного трения (зоны опережения и зоны отставания) увеличиваются с увеличением угла α, так как удель64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ные нормальные давления остались одинаковыми, а увеличение проскальзывания ролика вызвало перераспределение зон контактного трения в сторону интенсификации пластической деформации. Соотношение зон контактного трения, а также их абсолютные величины определяют проскальзывание деформирующего ролика.
Для измерения удельных осевых составляющих контактного трения точечные наклонные мессдозы располагались под углом 30º относительно радиальной мессдозы в горизонтальной плоскости.
На рис. 3.2 показана схема действия сил на точечные мессдозы при измерении удельных контактных сил трения вдоль оси образца. Тогда расчетные
формулы для определения удельных контактных давлений вдоль оси образца
имеют вид, аналогичный формуле (2.2)
R2    2 ;
R1    1 ptg 30   ;
 oc 
p1om  p2 om
0,95
Рис. 3.1. Эпюры распределения удельных нормальных давлений (а) и контактных сил трения (б) в радиально-окружной плоскости для круглых образцов
(первый проход, сталь Ст 5): 1 - α = 4°; 2 - α = 0°
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.2. Схемы сил, действующих на измерительные штифты мессдоз при
исследовании осевых составляющих контактного трения
Обрабатывая полученные осциллограммы усилий для наклонной и радиальной мессдоз по методу производной, получили эпюры распределения удельных осевых составляющих контактного трения (рис. 3.3).
Характер полученных эпюр аналогичен эпюрам распределения удельных
нормальных давлений по дуге контакта в радиально-окружной плоскости ролика, т.е. полученная зависимость подчиняется закону Амонтона-Кулона
τос = μσn.
Коэффициент трения μ изменяется в зависимости от угла поворота ролика α. Так, например, коэффициент трения μ изменяется от μ = 0,063 при повороте ролика на угол 1°30' до μ = 0,091 при повороте ролика на угол 12º. Это изменение коэффициента трения объясняется увеличением скорости обкатываемого
металла относительно деформирующего ролика.
На рис. 3.4 показаны зависимости максимальных осевых составляющих
контактного трения от угла α. Данные зависимости получены при усилии на
ролике 19,5 кН и максимальном удельном нормальном давлении р1max = 1330
МПа. Подобные зависимости можно получить не только для максимальных
значений удельных осевых составляющих контактного трения, но и для зон
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
опережения и отставания.
Следовательно, поворот ролика в вертикальной плоскости на угол α приводит к изменению напряженно-деформированного состояния в контакте (от
плоского к объемному) и появлению осевых составляющих контактного трения.
При этом суммарное удельное контактное трение будет равно
 2   oc2   oк2  2 ос ок cos ,
где φ - угол между направлениями слагаемых удельных сил трения угол φ =90º.
Так как контактные силы трения связаны с величиной сопротивления
сдвигу обкатываемого материала с определенной реологией, суммарные контактные силы трения будут ограничены условием τΣ≤τmax.
Рис. 3.3. Эпюры распределения удельных осевых составляющих контактного
трения для круглых образцов (первый проход, сталь Ст 5):
1 - α = 12°; 2 - α = 4º; 3 - α = 1º30'
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.4. Изменение максимальных удельных осевых составляющих контактного трения в зависимости от угла а (первый проход, сталь Ст 5):
1 - α = 12°; 2 - α = 4º; 3 - α = 1º30'
Рис. 3.5. Эпюры распределения удельных нормальных давлений (а) и
контактных сил трения (б) по длине дуги контакта в общем виде
(первый проход, сталь Ст 5)
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Изменение контактных условий связано с тем, что вектор сил трения τΣ
поворачивается на некоторый угол, который определяется соотношением скоростей ролика и обкатываемого образца Vр/Vо.
Изменение угла поворота ролика изменяет это соотношение, а значит и
суммарные силы трения. Направления скорости сдвига и контактных сил трения совпадут в силу изотропии материала и контактных условий. При анизотропии материала направление контактного сдвига не совпадает с направлением контактного трения.
Следует отметить, что сдвиг при обкатывании роликами создает текстуру
наклепанного слоя определенного направления. Вместе с тем комбинирование
составляющими силами трения позволяет не только перераспределять усилия
обкатывания, но и создавать текстуру нужного направления, а также определенные значения характеристик наклепанного слоя (остаточные напряжения
I-го, II-го рода) в этих направлениях.
В табл. 3.1 приведены результаты исследования контактных и силовых
зависимостей обкатывания для сталей Ст 5 и 45. В табл. 3.1 Ррад - радиальная
составляющая усилия обкатывания; P1max - максимальные удельные нормальные давления для первого прохода ролика; α - угол поворота ролика в вертикальной плоскости. Из табл. 3.1 видно, что путем поворота ролика на угол 4°
радиальная составляющая усилия обкатывания может быть уменьшена на 25 %,
что особенно важно при обкатывании тонкостенных деталей.
Изменения осевых составляющих контактного трения можно достигать
также изменением принудительной подачи ролика с целью получения нужного
угла αΣ
   1  arctg
S
,
D
где α1 - угол поворота ролика в вертикальной плоскости при установке
его в обкатном инструменте; S - подача ролика, мм/об; D - диаметр обкатываемой детали, мм.
Проведенные исследования показали, что при реальном обкатывании ха69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рактер распределения контактных составляющих сил трения зависит от углов α
и φ. На рис. 3.5, а показано распределение составляющих и суммарных сил
контактного трения в общем виде вдоль дуги контакта при обкатывании. Из
рис. 3.5, б видно, что суммарные силы трения меняются как по величине, так и
по направлению.
Таблица 3.1
Результаты исследования контактных и силовых зависимостей обкатывания
Угол α, Ррад, Р1max,
Материал
град.
кН ГПа
Сталь Ст 5
Сталь 45
0
1,5
4
12
0
1,5
4
12
21,5
18,5
17,0
16,2
22,5
19,5
18,0
17,0
1,34
1,27
1,18
1,05
1,46
1,33
1,22
1,15
Зона опережения
τoк,
τoс,
τΣ,
МПа МПа
МПа
100
100
90
50
103
80
60
100
60
76
98
95
95
82
55
97
70
64
94,5
55
75
93
Зона отставания
τoк,
τoс,
τΣ,
МПа МПа МПа
115
115
100
65
119
90
72
115
80
80
113
115
115
100
65
119
90
75
117
80
85
113
3.3. Влияние смазочного материала на контактные условия при
обкатывании роликами
При обкатывании и раскатывании деталей машин роликами или шарами
применяются многообразные смазочные материалы: индустриальные масла
различных марок, трансформаторное масло, сульфофрезол и др. Смазка при обкатывании определяет контактные силы трения, и, следовательно, влияет на износ роликов, затрачиваемую мощность, шероховатость обрабатываемой поверхности.
При применении поверхностно-активных веществ добиваются снижения
радиальных составляющих усилия обкатывания при заданной шероховатости
поверхности.
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В работе с позиций распределения контактных сил трения по дуге контакта исследовались следующие смазочные материалы: смесь олеиновой кислоты с керосином (50 % + 50 %), смесь сульфофрезола с керосином (70% + 30 %),
масло веретенное 12, масло индустриальное 45. Результаты опытов сравнивались по удельным контактным силам трения в радиально-окружной плоскости
ролика с обкатыванием тщательно обезжиренной поверхности образца роликом. Полученные результаты экспериментов представлены на рис. 3.6 и во второй главе. Видно, что наименьшие силы контактного трения и наиболее протяженные зоны отставания и опережения получаются при обкатывании с использованием смеси олеиновой кислоты с керосином. Обусловлено это тем, что изза проникновения поверхностно-активных компонентов среды в дефекты
структуры происходит пластифицирование поверхностного слоя, связанное с
тем, что деформация и разрушение твердого тела значительно облегчаются в
присутствии веществ, способных адсорбироваться на его поверхности. Кроме
того, в этом случае на обрабатываемой поверхности понижается ее энергия,
обеспечивается выход дислокаций на внешнюю поверхность, что также способствует пластифицированию поверхностного слоя.
Максимум адсорбционного дефекта достигается при концентрациях поверхностно-активных веществ, соответствующих полному насыщению мономолекулярного адсорбционного слоя. В результате образуется тонкий слой,
прочно связанный с поверхностью и обладающий более низким пределом текучести, чем основной металл. Это вызывает изменение граничных условий на
контактной поверхности металл-инструмент. Поэтому при обкатывании, в связи с облегчением условий пластической деформации, наблюдаются наиболее
протяженные зоны контактного трения.
Современная практика делит внешнее трение на сухое - трение поверхностей, не загрязненных окислами металла, смазкой или адсорбированными из
атмосферы газами, а также жидкостное и граничное.
Жидкостное трение обусловлено внутренним трением в жидкости, достаточно полно разделяющей трущиеся поверхности.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Граничное трение наблюдается, когда смазочный слой становится
настолько тонким, что поведение его не определяется объемной вязкостью, а
зависит от его особых свойств, которые возникают в результате взаимодействия
смазки с поверхностью трения.
Приведенная классификация режимов трения носит чисто условный характер, так как на практике обычно имеют дело со смешанными режимами.
В настоящее время многие авторы считают, что механическая составляющая внешнего трения, обусловленная упругим взаимодействием поверхностей, составляет малую величину, а сопротивление относительному перемещению поверхностей в основном обусловлено сдвигообразованием в поверхностном слое.
Условия трения зависят от свойств поверхностных пленок и локальных
деформаций, развивающихся на поверхности обрабатываемого изделия. Важными свойствами поверхностных пленок является их сопротивление сдвигу,
способность сопротивляться внедрению неровностей инструмента, способность
растягиваться в такой степени, чтобы покрывать новые поверхности, появляющиеся при деформации. Сопротивление пленки сдвигу имеет большое значение
в связи с тем, что оно определяет величину напряжения трения.
Увеличение числа таких площадок увеличивает контактные силы трения
и изменяет протяженность зон контактного трения. Этим, очевидно, объясняются полученные результаты контактных сил трения при обкатывании.
При применении смеси сульфофрезола с керосином получены приблизительно такие же значения сил трения и зон контактного трения, как при
использовании жидких масел (веретенное 12). Как известно, керосин обладает
хорошим смачивающим действием, несет на себе жировую основу (сульфофрезол), в связи с чем образуется тонкая прочная смазочная пленка. В результате
контактные силы трения будут невелики.
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.6 Влияние вида смазки на максимальные удельные контактные силы трения в радиально-окружной плоскости для круглых образцов (первый
проход, сталь СТ5)
Таким образом, экспериментально установлено, что на площадке контакта при обкатывании реальных материалов имеются три зоны контактного трения: опережения, прилипания и отставания. При этом очаг деформации при реальном обкатывании определяется контактными силами трения, реологией обкатываемого материала и геометрическими параметрами деформирующего ролика.
Показано, что при повороте ролика в вертикальной плоскости возникают
осевые составляющие контактного трения, которые подчиняются закону Амонтона-Кулона τос = μσn (коэффициент трения μ изменяется в зависимости от угла
поворота в вертикальной плоскости).
Выявлено, что одинаковые силы трения могут быть получены путем комбинирования составляющими как в радиально-окружной, так и в осевой плоскостях. Таким способом могут быть уменьшены радиальные составляющие
усилия обкатывания на 25-35 %, что особенно важно при накатывании тонкостенных деталей. Необходимый угол поворота ролика может быть достигнут
конструктивным или технологическим способами (изменением подачи ролика).
Исследовано влияние смазки на распределение и величины контактных
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сил трения при обкатывании. Полученные результаты свидетельствуют, что
жидкие масла (веретенное 12), а также смесь керосина с маслом дают меньшие
значения контактных сил трения и более протяженные зоны опережения и отставания, чем густые масла (масло индустриальное 45).
Показано, что, применяя поверхностно-активные вещества, также можно
уменьшить контактные силы трения и улучшить условия для пластической деформаций поверхностного слоя, что важно при обкатывании деталей, изготовленных из металлов с высоким пределом текучести.
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УДЕЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЙ И
КОНТАКТНЫХ СИЛ ТРЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ
НАКЛЕПАННОГО СЛОЯ МЕТАЛЛА
Обработка деталей методами ППД приводит к изменению структуры и
свойств поверхностного слоя металла. ППД применяется в качестве отделочной
обработки и как средство повышения эксплуатационных свойств деталей.
В результате пластической деформации поверхностный слой металла
упрочняется, причем неравномерная деформация различных слоев металла вызывает возникновение остаточных напряжений.
Методом обкатывания получают низкую шероховатость поверхности.
Образующиеся микронеровности имеют малые углы выступов и большие значения радиусов при вершине, что в значительной мере определяет эксплуатационные свойства деталей машин (сопротивление износу, схватыванию, способность удержания смазки и т.д.).
Вопросу исследования влияния характеристик наклепанного слоя на эксплуатационные свойства деталей посвящены работы И.В. Кудрявцева, Л.П.
Школьникова, Е.М. Макушка и др. в которых показана эффективность влияния
сжимающих остаточных напряжений и наклепа на циклическую прочность и
износостойкость деталей. Проведенные исследования отражают влияние видов
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и режимов ППД на указанные характеристики [9, 10].
Целью настоящего исследования является установление зависимостей
характеристик наклепанного слоя от удельных нормальных давлений и контактного трения, получение которых позволяет достигать требуемых характеристик наклепанного слоя комбинированием контактных сил трения и удельных нормальных давлений [18, 30].
4.1. Исследование остаточных напряжений 1-го рода
При поверхностном пластическим деформировании смещению поверхностных слоев металла препятствуют нижележащие упруго деформированные слои. В результате обкатывания поверхностные слои металла
удлиняются, растягивая в силу сплошности металла внутрилежащие слои. Результатом такого взаимодействия объясняется возникновение сжимающих
напряжений в поверхностном наклепанном слое, а в сердцевине - напряжений
растяжения. Поверхностный сжатый слой составляет небольшую часть всего
объема металла, поэтому напряжения сжатия достигают значительных величин.
В поверхностных слоях возникают осевые напряжения сжатия, направленные
вдоль оси образца и тангенциальные (окружные) напряжения сжатия к плоскости, перпендикулярной оси образца. Многочисленными работами, проведенными в Республике Беларусь и за рубежом установлено положительное влияние сжимающих остаточных напряжений на усталостную прочность и износостойкость деталей. Установлено, что эти напряжения препятствуют образованию и развитию усталостных трещин. Поэтому в машиностроении широко
применяется упрочнение мест концентрации напряжений (надрезы, отверстия,
выточки, бурты, галтели, неподвижные посадки и др.). Кроме этого могут быть
и структурные концентрации напряжений, которые образуются в местах стыка
двух различных структур. Исследованиями И.В.Кудрявцева установлена эффективность воздействия остаточных напряжений сжатия на усталостную
прочность не только при изгибе, но и при кручении.
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По абсолютной величине максимальные сжимающие остаточные напряжения при обкатывании сталей колеблются в пределах 400-800 МПа, в зависимости от материала и режимов обкатывания, поэтому исследование остаточных
напряжений при обкатывании представляет большой научный и практический
интерес.
Для исследования остаточных напряжений выбран метод рентгеноструктурного анализа, который позволяет определять напряжения на маленьких участках и в сравнительно тонком слое металла (0,2 мм).
Исследования проводились на рентгеновской установке ДРОН-3 в FeKα
излучении. В качестве эталонов были использованы отожженные образцы, изготовленные из металлов - стали Ст 5 и 45.
Остаточные напряжения определялись по формуле
 
E

ctg
где σ - сумма остаточных напряжений, МПа; Е = 210000 - модуль упругости, МПа; μ - 0,28 - коэффициент Пуассона; υ - Брэгговский угол, для линии (220) исследуемой стали определялся на рентгеновской установке; Δυ - изменение Брегговского угла, соответствующее изменению межплоскостного
расстояния в радианах.
Обкатывались образцы диаметром 65 мм и высотой 7-10 мм, имеющие
шероховатость поверхности Ra = 1,6 мкм. Усилие обкатывания составляло
15-21 кН на ролик. Вначале обкатывали партию образцов с различными усилиями на ролик и записывали показания точечных мессдоз на пленку. Затем обрабатывали осциллограммы и получали значения максимальных удельных нормальных давлений, действующих на образцы при обкатывании для первого
прохода. С целью определения влияния кратности приложения нагрузки на
остаточные напряжения при постоянной радиальной составляющей усилия, обкатывались образцы с кратностью приложения нагрузки 1-30 циклов.
Исследовалось также влияние осевых составляющих сил контактного
трения на остаточные напряжения при постоянных максимальных удельных
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нормальных давлениях. Для этого ролик поворачивали в вертикальной плоскости на 1°30', 4°, 12º и производили обкатывание с усилиями 15-21 кН и кратностью приложения нагрузки 1-30 циклов.
Если при обкатывании без осевых составляющих сил контактного трения
интервал усилий составлял 1000 Н, то при обкатывании с исследуемыми осевыми составляющими силами контактного трения этот интервал равнялся 400
Н. При обкатывании с указанными углами поворота ролика в вертикальной
плоскости записывались показания точечных мессдоз для первого прохода. Затем обработанные осциллограммы сравнивались по максимальным удельным
нормальным давлениям. Образцы, у которых максимальные удельные нормальные давления при различных осевых составляющих силах контактного
трения отличались от образцов без осевых составляющих сил контактного трения на 20 МПа, объединялись в одну группу с одинаковыми максимальными
удельными нормальными давлениями. Затем для данных групп образцов определялись остаточные напряжения на площадках, на которых записывались показания точечных мессдоз. При этом остаточные напряжения определяли в трех
точках образца и брали их среднее значение. Результаты исследований представлены на рис. 4.1-4.4.
Из рис. 4.1 видно, что остаточные напряжения возрастают при увеличении максимальных удельных нормальных давлений, причем имеют большую величину в более мягкой стали Ст 5 по сравнению со сталью 45.
Более высокие максимальные удельные нормальные давления обеспечивают большую деформацию поверхностного слоя и более высокий наклеп.
В результате более высоким максимальным удельным нормальным давлениям
соответствуют большие удлинения поверхностного слоя, а значит и значения
остаточных напряжений сжатия. Распределение остаточных напряжений определяется данным конкретным материалом и склонностью металла к упрочнению. Однако следует подчеркнуть, что форма очага деформации, контактные
силы трения также определяют распределение остаточных напряжений, но этому уделяется недостаточное внимание при обкатывании.
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Так, например, анализируя формулу
cos 2 
к
К
.
(4.1)
которая определяет углы выхода а - линий скольжения к контактной поверхности, видим, что контактные силы трения и предел текучести на сдвиг определяют выход α - линий скольжения к контактной поверхности, а значит и глубину пластически деформированного слоя (рис. 2.20). Изменение же предела текучести на сдвиг по длине дуги контакта и по глубине наклепанного слоя определяется внедрением ролика в обкатываемый материал и его геометрическими
параметрами. Поэтому в общем случае величина и распределение остаточных
напряжений оказывается зависимой не только от материала, но и от условий на
контакте - геометрических параметров ролика, контактных сил трения, изменяющегося предела текучести металла на сдвиг.
Рис. 4.1. Зависимость остаточных напряжений 1-го рода от максимальных
удельных нормальных давлений для круглых образцов (первый проход):
1 - сталь Ст 5; 2 - сталь 45
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.2. Зависимость остаточных напряжений 1-го рода от кратности приложения нагрузки для круглых образцов (сталь Ст 5):
1 – Р1max = 1120 МПа (I' - τосmax = 70 МПа, I" - τосmax = 80 МПа,
I'" - τосmax = 90 МПа); 2 – P1max= 1230 МПа (τосmax = 110 МПа)
Рис. 4.3. Зависимость остаточных напряжений 1-го рода от кратности
приложения нагрузки для круглых образцов (сталь 45):
1 – Р1max = 1240 МПа (I' - τосmax = 70 МПа, I" - τосmax = 90 МПа,
I'" - τосmax = 120 МПа)
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.4. Зависимость приращения остаточных напряжений 1-го рода от максимальных удельных осевых составляющих контактного трения (первый проход):
1 – Р1max = 1120 МПа, сталь Ст 5; 2 – Р1max = 1420 МПа, сталь 45
Аналогичный характер имеет зависимость изменения остаточных напряжений от кратности приложения нагрузки при одинаковой радиальной составляющей усилия обкатывания. Проведенные выше исследования показали, что в
процессе обкатывания при последующих проходах деформирующего ролика
происходит уменьшение длины дуги контакта и рост удельных нормальных
давлений, в то время как контактные силы трения меняются незначительно.
При последующих проходах деформирующего ролика происходит упрочнение
и увеличение предела текучести на сдвиг, что согласуется с выражением (4.1).
Зависимости, представленные на рис. 4.2 для стали Ст 5 и на рис. 4.3 для стали
45, получены при максимальных удельных нормальных давлениях соответственно 1120 МПа и 1420 МПа для первого прохода и подтверждают установленные закономерности.
Следует иметь ввиду, что возникновение осевых составляющих контактного трения увеличивает суммарные силы трения, а увеличение последних вызывает повышение пластической деформации поверхностных слоев, которые
удлиняются, стремясь занять больший объем. В результате в поверхностных
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
слоях возникают значительные остаточные напряжения. Следовательно, за счет
сил трения возможно получить требуемые остаточные напряжения при значительно меньших радиальных составляющих усилия обкатывания. Так, например, при обкатывании стали СТ 5 увеличение осевых составляющих контактного трения при повороте ролика на 1º30' при максимальных удельных нормальных давлениях 1120 МПа вызывает увеличение контактных сил трения в
зоне опережения с 70 до 86 МПа, а в зоне отставания - с 90 до 105 МПа.
Полученные контактные силы трения обеспечиваются без поворота ролика удельным нормальным давлением, равным 1280 МПа.
При повышении кратности приложения нагрузки происходит дополнительное упрочнение поверхностного слоя, что вызывает дальнейшее перераспределение остаточных напряжений. Кроме этого, при постоянной радиальной составляющей усилия обкатывания дополнительно действует фактор
повышения удельных нормальных давлений на площадке контакта при последующих проходах.
При достижении определенного предела удельных нормальных давлений
или сил трения может происходить уменьшение остаточных напряжений. Это
обусловлено неравномерностью теплового расширения различных слоев металла, возникающего в процессе пластической деформации. Этот фактор будет
уменьшать остаточные напряжения у поверхности. Данное явление подтверждается также и тем, что при сравнительно небольших удельных нормальных
давлениях (силах трения) может наблюдаться потемнение поверхности и спад
остаточных напряжений, если в зону обкатывания подается недостаточное количество смазывающе-охлаждающей жидкости.
Таким образом, проведенные исследования показали, что на остаточные
напряжения влияют не только удельные нормальные давления, но также контактные силы трения и кратность приложения нагрузки.
4.2. Исследование шероховатости обкатанной поверхности
Процесс обкатывания деталей роликами или шарами позволяет получать
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
низкую шероховатость поверхности, имеющую характерный профиль, определяющий эксплуатационные свойства деталей машин (сопротивление износу,
схватывание, способность удержания смазки и т.д.).
Многочисленными исследованиями установлено, что при обкатывании
деталей машин роликами увеличивается опорная поверхность, которая может
достигать 90 % и более.
На рис. 4.5 и 4.6 представлены зависимости шероховатости поверхности
от кратности приложения нагрузки и осевых составляющих контактного трения. Видно, что при обкатывании образцов из стали Ст 5 с максимальным
удельным нормальным давлением для первого прохода, равным 1120 МПа, и
постоянной радиальной составляющей происходит уменьшение шероховатости
поверхности.
Рис. 4.5. Зависимость шероховатости поверхности от кратности приложения
нагрузки для круглых образцов (сталь Ст 5):
1 - смесь олеиновой кислоты с керосином (50 %+50 %);
2 – масло веретенное; 3 - масло индустриальное 45
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.6. Зависимость шероховатости поверхности от кратности приложения
нагрузки для круглых образцов (сталь 45):
1 – Р1max = 1420 МПа (I' - τосmax = 70 МПа, I" - τосmax = 90 МПа);
2 – Р1max = 1020 МПа
4.3. Исследование упрочнения обкатанной поверхности
Известно [11], что все технические металлы имеют поликристаллическое
строение, т.е. состоят из множества спаянных кристаллов-зерен неправильной
формы, имеющих анизотропные механические, химические и физические свойства. В результате пластической деформации металла при обкатывании роликами происходит наклеп некоторого деформированного слоя металла, что вызывает повышение показателей сопротивления металла деформированию
(твердость, предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести,
предел прочности) и снижение показателей пластичности (относительное удлинение, сужение, ударная вязкость). С увеличением степени наклепа пределы
пропорциональности и текучести постепенно приближаются к пределу прочности.
Привлечение теории пластичности позволяет объяснять механизм упрочнения при ППД. Механизмами пластической деформации кристаллов при ППД
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
являются сдвиг и скольжение. Скольжение происходит при сдвиге одной части
кристалла относительно другой под действием касательных напряжений по
определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям. Скольжение происходит по полосам скольжения, которые представляют ряд атомных
слоев, отстоящих друг от друга на расстоянии порядка 1 мкм. При наличии нескольких систем скольжения сдвиг начинается в плоскости, наиболее благоприятно расположенной относительно действующей силы, т.е. в плоскости
максимальных касательных напряжений.
Применение метода линий скольжения позволяет представить механизм
пластической деформации при обкатывании (рис. 2.20).
Упрочнение металла при пластической деформации - сложный физикохимический процесс [11]. Основной причиной упрочнения является лавиноподобное развитие дислокаций - дефектов кристаллической решетки металла,
скапливающихся вблизи линий сдвигов. Дислокации застревают перед различного рода существующими (границы кристаллов, скопление атомов примесей и
т.д.) препятствиями и образующимися в процессе пластической деформации,
например, скрещение дислокаций. Происходит дробление на блоки объемов
металла, заключенных между линиями скольжения, поворот этих блоков, искривление плоскостей скольжения и т.д.
В результате обкатывания металл, который имел беспорядочную ориентированную равноосную структуру и свойства, примерно одинаковые в различных направлениях, получает ориентировочную структуру волокнистого характера. Отдельные кристаллы деформируются за счет сдвигов, и взаимные смещения отдельных слоев приводят к значительным изменениям формы кристаллов, которые теряют глобоидальную форму, сплющиваются, укорачиваются в
одном направлении и вытягиваются в другом, совпадающем с главным направлением деформации. Ввиду неодинакового упрочнения металла, деформация
кристаллов неодинакова и по глубине деформированного слоя.
Кроме этого существует зависимость между степенью упрочнения и химическими процессами, происходящими в металле при пластической деформа84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ции. Например, в сталях происходит распад твердого раствора α -железа и углерода, выделяются дисперсные карбиды железа. Экспериментально установлена прямая зависимость между количеством образовавшихся карбидов и степенью упрочнения. По-видимому, распад твердого раствора железа в процессе
пластической деформации ведет к блокированию сдвигов продуктами распада.
Таков механизм действия, вызывающий упрочнение пластически деформированного слоя при ППД.
Поверхностную твердость обкатанных образцов определяли на приборе
типа "ТП" алмазной пирамидой при нагрузке 50 Н. Для каждого образца поверхностная твердость замерялась на линии расположения точечных мессдоз в
8-и точках, равномерно расположенных по окружности, и находили среднее
значение твердости. Поверхностная твердость замерялась для образцов, обкатанных с различными удельными нормальными давлениями и силами трения.
Полученные зависимости представлены на рис. 4.7, 4.8. При увеличении
удельных нормальных давлений, поверхностная твердость увеличивается ввиду
большей пластической деформации поверхностного слоя металла, что вызывает
увеличение дробления кристаллов, более значительное скопление дислокаций у
различного рода препятствий, а также появление новых дислокаций благодаря
источнику Франка-Рида. Действие источников Франка-Рида заключается в следующем [12]. В неподвижных точках Д и Д1 дислокация закреплена вследствие
инородных включений в этих точках, или пересечения рассматриваемой дислокации другими дислокациями, которые перемещаются по другим плоскостям
скольжения. Под действием касательного напряжения линейная дислокация
ДД1 начнет выгибаться и примет в какой-то момент времени форму полуокружности, радиус кривизны линии дислокации достигнет минимального значения.
В дальнейшем при искривлении линии дислокации касательное напряжение
растет и в некотором положении достигнет критического значения τкр. Дальнейшее выгибание дислокационной линии может происходить при напряжении,
меньшем τкр, так как радиус кривизны увеличивается. При этом на участках дуги вблизи точек закрепления линейная дислокация переходит в спиральную, так
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
как, направление сдвига становится параллельным линии дислокации, петля
выпучивается и образует спирали вокруг точек Д и Д1.
Направление перемещения спиральной дислокации перпендикулярно
направлению сдвигающего напряжения, спирали сближаются, смыкаются и
дислокационная линия распадается на два участка: внешний в виде наружной
окружности и внутренний, занимающий исходное положение. Наружная дислокация разрастается до внешней поверхности блока или кристалла либо другого барьера. Внутренняя дислокация под влиянием касательной напряжения выпучивается, образуя новую наружную дислокацию и т.д.
При увеличении кратности приложения нагрузки, когда радиальная составляющая усилия обкатывания постоянна, происходит увеличение поверхностной твердости. При каждом новом нагружении, ввиду упрочнения металла,
пластическая деформация поверхностного слоя будет затрудняться искажениями решетки. Скопление дислокаций затрудняет зарожение новых дислокаций,
однако, ввиду повышения удельных нормальных давлений при последующих
проходах, в действие вступают менее благоприятно ориентированные системы
скольжения в данном блоке или в соседнем, увеличивается число блоков, протяженность их границ, а также возникает больше мест скопления дислокаций.
Это вызывает дальнейшее упрочнение поверхностного слоя. Однако при достижении определенного упрочнения интенсивность увеличения удельных
нормальных давлений замедляется, что вызывает уменьшение действия источников Франка-Рида и стабилизацию поверхностной твердости.
Увеличение осевых составляющих контактного трения равнозначно увеличению общих сил контактного трения, которые увеличивают пластическую
деформацию поверхностного слоя. Поэтому действие увеличения контактных
сил трения эквивалентно действию увеличения удельных нормальных давлений.
При достижении определенных удельных нормальных давлений (контактных сил трения) при последующих проходах ролика может наступить снижение поверхностной твердости. Одновременно с упрочнением протекает и
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
другой процесс, связанный с устранением искажений кристаллической решетки
и возвращении смещенных атомов в правильные положения. Рост пластической
деформации облегчает диффузионное перемещение атомов за счет повышения
их тепловой энергии в результате роста внутреннего трения в искаженной решетке, а также неравномерности распределения напряжений в результате неравномерной пластической деформации поверхностного слоя. Поэтому при
значительных удельных нормальных давлениях (контактных силах трения),
ввиду повышения тепловой энергии, наблюдается уменьшение поверхностной
твердости и увеличение интенсивности отдыха. Правильность такого положения подтверждается тем, что при обкатывании образцов с меньшими удельными давлениями (контактными силами трения), но с недостаточным количеством
смазывающе-охлаждающей жидкости при достижении определенной кратности
приложения нагрузки наблюдается нагрев образцов и снижение поверхностной
твердости.
Таким образом, получены зависимости остаточных напряжений от кратности приложения нагрузки при различных удельных нормальных давлениях и
контактных силах трения. Показано, что в результате увеличения осевых составляющих контактного трения происходит увеличение остаточных напряжений, что равнозначно увеличению удельных нормальных давлений. Такая возможность позволяет получать необходимые остаточные напряжения с целью
увеличения циклической прочности детали, с меньшими радиальными составляющими усилия обкатывания.
Установлены зависимости шероховатости поверхности от кратности приложения нагрузки при различных удельных нормальных давлениях и контактных силах трения. Исследования показали, что увеличение осевых составляющих контактного трения уменьшает шероховатость обкатанной поверхности,
что аналогично действию нормальных давлений. Показано, что изменением сил
трения можно уменьшать радиальную составляющую усилия обкатывания для
достижения нужной шероховатости поверхности.
Исследовано влияние смазки на получаемую шероховатость поверхности
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
при различных условиях на контакте. Установлено, что при применении поверхностно-активных веществ, пластифицирующих поверхностный слой, а
также жидких масел и смеси масел с керосином можно получать низкую шероховатость поверхности. Установлены зависимости поверхностной твердости от
кратности нагрузки для разных контактных условий обкатывания. Исследования показали, что путем комбинирования составляющими силами контактного
трения, возможно уменьшение радиальной составляющей усилия обкатывания
при заданной поверхностной твердости.
Рис. 4.7. Зависимость поверхностной твердости от кратности приложения
нагрузки для круглых образцов; сталь Ст 5
1 – Р1max = 1120 МПа; I' - τосmax = 70 МПа; I" - τосmax = 80 МПа;
I'" - τосmax = 90 МПа; 2 – P1max= 1230 МПа; τосmax = 110 МПа
Рис. 4.8. Зависимость поверхностной твердости от кратности приложения
нагрузки для круглых образцов; сталь 45
1 – Р1max = 1230 МПа; I" - τосmax = 50 МПа; I'" - τосmax = 80 МПа;
2 – P1max= 1460 МПа; τосmax = 90 МПа
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.9. Зависимость приращения поверхностной твердости от максимальных
удельных осевых составляющих контактного трения; первый проход,
сталь Ст. 5 1 – Р1max = 1120 МПа; 2 – Р1max = 1460 МПа
4.4. Назначение параметров обкатывания
Проведенные исследования показали, что эпюры распределения удельных нормальных давлений и контактных сил трения при обкатывании различных сталей подобны при одинаковых длинах дуг контактов. Экспериментально
показано, что максимальная поверхностная твердость, остаточные напряжения
1-го рода, минимальная шероховатость обкатанной детали достигаются к 10-12
циклу. В этом случае максимальные удельные нормальные давления приблизительно равны 5σт обкатываемого металла. Удельные нормальные давления,
равные приблизительно 3,5σт, вызывают незначительное увеличение поверхностной твердости, которая стабилизируется к 20-25 циклу. Шероховатость обкатанной детали при этом достигает низких значений, поэтому обкатывание относят к отделочной обработке.
Используя вышеизложенное можно при упрочняющем обкатывании
(Р1max = 5σт) и отделочном (Р1max = 3,5σт) принять следующие значения малых

параметров   

lij 
 0,067 и 0,051 соответственно.
Rp 
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Эксперименты показали, что протяженности зон отставания приблизительно равны 0,16-0,20 величины дуги контакта. Зная величины удельных
нормальных давлений и протяженности зон контактного трения можно определить составляющие усилия обкатывания, используя ранее приведенные формулы, предложенные В.М. Сегалом.
Кроме этого может быть произведен упрощенный расчет составляющих
усилия обкатывания путем введения коэффициентов, учитывающих перераспределение удельных нормальных давлений и сил трения в зависимости от
условий в контакте, применительно к полноконтактному эквивалентному ролику.
Тогда для полноконтактного ролика составляющие усилия обкатывания
будут равны
 x tn 

Py     n 
 dx 
d

0
d
 R p Bэкв
 
0
0
  x n

pdxdy; Py   
  tn  dx.
 d

Как показали исследования, осевая составляющая усилия обкатывания Рz
будет равна
Pz   z Py K c ;
 z  0, 063  0, 091;
  =1,5  12.
где Кc - коэффициент, учитывающий вид применяемой смазки. Используя
табл. 4.1, можем определить радиальную составляющую усилия обкатывания
при различных углах установки и поворота ролика.
Определяем подачу при выбранном угле поворота ролика αΣ = αc + αк в
процессе обкатывания по зависимости
S   Dдетtg k .
где αс - угол поворота ролика в сепараторе инструмента.
Количество роликов определяем из соотношения
n рол  Nцикл S / lц .
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4.1
Значение параметров обкатывания
Накатывание
№№
пп
1
2
3
4
5
Вэкв
Вдет
14
6
12
Отделочное
Упрочняющее
δ = 0,051
Р1max = 3,5 σт
Nцикл = 24-26
φ0
Кφ
α0
0
1
1,5
0°40' 0,74
4
δ = 0,067
Р1max = 5 σт
Nцикл = 10-12
φ0
Кφ
α0
0
1
1,5
0°40' 0,74
4
1
0,68
12
Кα
0,86
0,79
Вэкв
Вдет
1,75
0,75
12
1
0,68
12
Кα
0,86
0,79
0,75
5. ВЛИЯНИЕ ППД НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ
5.1. Влияние ППД на сопротивление усталости
Эксплуатационные качества деталей машин во многом определяются физико-механическими свойствами поверхности и приповерхностных слоев металла. Влияние качества поверхности на долговечность деталей особенно ощутимо при воздействии циклических рабочих нагрузок [9, 10, 12, 15].
Наметившееся за последние года резкое повышение рабочих скоростей,
мощностей различных машин и агрегатов при одновременном увеличении их
долговечности обусловливает более высокие требования к прочности отдельных деталей. Подавляющее большинство деталей в условиях эксплуатации
находится под воздействием нагрузок, изменяющихся во времени как по величине, так и по направлению. Если это изменение происходит периодически по
определенному закону, то рабочую нагрузку, как и возникающие в детали
напряжения, принято называть циклическими. Основной причиной разрушения
деталей, находящихся в условиях циклического нагружения, является усталость
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
металла. Особенность усталостного разрушения заключается в том, что оно
наступает при напряжениях, величина которых меньше пределов текучести и
прочности материала, при этом в период, предшествующий разрушению, не
наблюдаются сколько-нибудь заметные нарушения сплошности металла. Лишь
перед самой поломкой в детали образуется трещина усталости, вызывающая
хрупкое, почти мгновенное ее разрушение.
Усталостное разрушение начинается, главным образом, с поверхностного
слоя, поэтому предел выносливости в отличие от других прочностных характеристик (предела упругости, предела текучести, предела прочности) в значительной мере зависит от состояния поверхности детали. Некачественная механическая обработка, сопровождающаяся образованием па поверхности мелких
трещин, надрезов, вырывов, шлифовальных ожогов, остаточных напряжений
растяжения, царапин, рисок и т.д., резко снижает усталостную прочность деталей. Дефекты поверхности, становясь в процессе циклического нагружения
концентраторами напряжений, образуют очаги возникновения усталостной
трещины, которая, разрастаясь, приводит к излому детали. Следовательно,
улучшение микрогеометрии поверхности, ее упрочнение способствует повышению усталостной прочности всей детали.
Путем ППД повышают сопротивление обычной и малоцикловой усталости при воздействии как низких, так и высоких (до t = 800° С) температур и при
различных схемах нагружения (изгиб, растяжение-сжатие, кручение и т.д.). Это
обусловлено следующими основными факторами: созданием остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое; получением благоприятных по
форме микронеровностей и минимального (для большинства методов) параметра шероховатости поверхности; положительными микроструктурными изменениями в поверхностном слое металла; созданием направленной текстуры металла в поверхностном слое.
Особенно благоприятно применение ППД для деталей, имеющих концентраторы напряжений. Концентраторы напряжений подразделяются на два вида:
конструкторские (галтели, кольцевые и шпоночные канавки, поперечные от92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
верстия, выточки и т.д.) и технологические (риски, вырывы металла, поры или
включения в металле, микро- и макротрещины, образованные в заготовках или
при их механической обработке, прижоги вследствие шлифования, резкий переход в зоне раздела различных структур и др.). Пределы выносливости деталей с концентраторами напряжений повышаются вследствие ППД в 2 раза и
более. Обработка ППД может полностью нейтрализовать неблагоприятное воздействие концентраторов напряжений.
Благоприятные остаточные напряжения, возникающие при обработке
ППД конструкционных сталей, достигают сотен мегапаскалей, а глубина их
распространения соответствует глубине пластически деформированного слоя.
С увеличением глубины залегания остаточных напряжений и повышением их
уровня сопротивление усталости, как правило, возрастает.
Остаточные
напряжения
характеризуются
способностью
концент-
рироваться вокруг отверстий и выкружек, как и напряжения вследствие внешних силовых воздействий. Остаточные напряжения не релаксируют в стальных
изделиях при выдержке их в течение длительного времени (десятки лет) при
нормальных температурах. Релаксация благоприятных остаточных напряжений
при циклическом нагружении деталей, упрочненных ППД, происходит при достижении достаточно высокого уровня нагружения. При силовых режимах эксплуатации изделий, вызывающих постепенную релаксацию остаточных напряжений, достигается увеличение общей долговечности благодаря временному
действию остаточных напряжений.
Методы ППД применяют для повышения сопротивления усталости деталей любых размеров. При этом эффект упрочнения с увеличением поперечных
размеров деталей не только не снижается, но в ряде случаев повышается. Для
деталей цилиндрической формы рациональная глубина наклепанного слоя
0,10D < h < 0,05D, где D - диаметр поперечного сечения детали.
После обработки ППД не происходит снижения сопротивления усталости
за счет концентрации напряжений в зонах деталей переходных от наклепанного
слоя к основной массе детали. Например, при поверхностной закалке зона, где
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кончается закаленный слой, является концентратором напряжений, что снижает
долговечность деталей.
Для повышения усталостной прочности валов с галтелями обычно назначают большие радиусы r последних, но если их упрочнять методами ППД, в
этом нет необходимости.
Упрочненные ППД ступенчатые валы с малыми радиусами гантельных
переходов (r/D = 0,01-0,03) при испытаниях на усталость при переменном симметричном изгибе имеют пределы выносливости такого же порядка, как и гладкие валы, а в некоторых случаях изломы происходят не в галтелях, а в гладкой
части.
Обработка ППД не только замедляет рост усталостных трещин, но при
определенных условиях приводит к полной остановке их распространения при
сохраняющихся неизменными режимах циклического нагружения.
Применение методов ППД эффективно для упрочнения торсионных валов с мелкими треугольными шлицами (обрабатываются стебли валов, галтели
и впадины шлицев), зубчатых колес, коленчатых валов двигателей всех типов и
размеров, в том числе крупногабаритных из чугуна с шаровидным графитом,
шатунов, силовых шпилек и болтов, пружин, рессор и т.д. Сопротивление усталости для большинства деталей повышается до двух и более раз. В табл. 5.1 и
на рис. 5.1 приведены данные усталости образцов из различных материалов и с
концентраторами напряжений, обработанных ППД.
Из рис. 5.1 видно, что в результате обкатывания предел выносливости
образцов из стали 40 с надрезами увеличился на 60 %, а образцов с поперечными отверстиями - на 50 %.
Установлено [13,15], что повышение сопротивлению усталости достигается за счет возникновения в поверхностном слое сжимающих остаточных
напряжений. Зависимость предела выносливости от остаточных сжимающих
осевых напряжений приведено на рис. 5.2.
Глубина залегания остаточных напряжений зависит от условий на контакте применяемого смазочного материала и реологии материала.
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 5.1
Сопротивление усталости полированных и выглаженных образцов из
различных материалов
Материал
Х18Н9Т
Х12Н2ВМФА
Х12Н2МФБ
НХ77ТЮР
38ХМЮА
38ХМЮА
АК46
Х12Н2ВМФА+
хром
ВТЗ-1+хром
σ-1
σ-1упр
МПа
σ-1упр/σ-1
240
550
595
385
460
650
130
290
410
620
780
480
580
690
200
560
1,7
1,3
1,3
1,2
1,2
1,07
1,55
1,9
180
470
2,6
Рис. 5.1. Кривые усталости образцов с надрезами (а) и с поперечными отверстиями (б): 1 - до обкатывания; 2 - после обкатывания (сплошная кривая 2);
а - для образцов, обкатанных до нанесения надреза, пунктирная - то же после
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нанесения надреза
Рис. 5.2. Зависимость предела выносливости от остаточных сжимающих осевых
напряжений: 1 - образцы диаметром 50 мм;
2 - вагонные оси в натуральную величину
Пластическое деформирование поверхностного слоя детали в данной работе было рассмотрено ранее. Глубина упрочненного слоя и глубина залегания
остаточных напряжений примерно совпадают.
Установлено [16], что на поверхности детали часто наблюдается снижение остаточных напряжений. Это явление объясняется в основном тепловыми
действиями, развивающимися непосредственно на поверхности. Сжимающие
остаточные напряжения достигают значений σос = 0,3 - 0,8 σт.
Типичное распределение твердости и остаточных напряжений приведено
на рис. 5.3.
Остаточные напряжения при длительной выдержке и нормальной температуре релаксируют, но это уменьшение для сталей не превышает 2,5 % за 5-6
лет работы. Эти данные представлены на рис. 5.4.
Влияние длительного хранения на усталостную прочность гладких деталей следует рассматривать в связи со стойкостью прочностных свойств наклепанного поверхностного слоя, в частности с его твердостью. Десятилетнее хранение обкатанных образцов практически не отразилось на величине и характере
распределения твердости металла поверхностного слоя (рис. 5.4, б), что свиде96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тельствует об устойчивости эффекта упрочнения и для гладких образцов.
Большое практическое значение имеет изучение влияния нагрева на эффективность поверхностного упрочнения деталей, которые в процессе эксплуатации или при последующих технологических операциях подвергаются действию повышенных температур. Исследования, выполненные в ЦНИИТМАШ
[15,17], показали целесообразность поверхностного упрочнения жаропрочных и
жаростойких сталей, предназначенных для изготовления газовых и паровых
турбин. Обкатывание роликом повысило условный предел выносливости гладких образцов из стали ЭИ395 при температуре 750 °С на 33 %, а образцов с надрезами - на 41 %. Повышение предела выносливости для стали ЭИ405 при температурах до 600 "С составило соответственно 49 и 72 %.
Длительная выдержка образцов из коррозиоионностойкой стали 2Х13
при температурах 300-400 °С не только не вызвала понижения полученной при
обкатывании усталостной прочности, а даже способствовала ее некоторому
увеличению. Поэтому рекомендуется подвергать детали из стали 2X13 после
обкатывания отпуску при указанных температурах.
Имеются
экспериментальные
данные,
свидетельствующие
о
бла-
гоприятном влиянии невысокого отпуска на поверхностно наклепанные детали
из конструкционных сталей. Так, предел выносливости обкатанных гладких образцов из стали 25 при испытаниях на изгиб повышается с ростом температуры
отпуска до 300ºС (рис. 5.5), что объясняется старением наклепанного слоя. При
дальнейшем нагреве отмечается уменьшение усталостной прочности вследствие снижения как остаточной напряженности, так и механических свойств
упрочненного слоя.
Аналогичные данные получены и для деталей с концентраторами напряжений цилиндрических образцов с круговым надрезом и с неподвижной посадкой. Для стали 45 предел выносливости увеличился с 31 до 35 МПа при 200 °С.
Причиной положительного эффекта отпуска считают повышение механических свойств наклепанного слоя.
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Расстояние от поверхности, мм
Рис. 5.3. Распределение твердости и остаточных напряжений
Рис. 5.4. Влияние длительного хранения на предел выносливости (а) и распределение твердости по радиусу поперечного сечения (б) обкатанных образцов из
стали 40 (сплошные линии - обкатанные; пунктирные - без наклепа):
1 - непосредственно после обкатки; 2 - после десятилетнего хранения
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.5. Влияние нагрева на предел выносливости обкатанных гладких
образцов из стали 25
5.2. Коррозионно-усталостная прочность
Разрушение деталей, подверженных в процессе эксплуатации действию
циклических нагрузок, находящихся в коррозионных средах, наступает значительно быстрее, причем снижение усталостной прочности тем больше, чем
агрессивнее среда. Например, предел выносливости стали 45 в мартенситном
состоянии (σ-1 = 627,7 МПа) при базе 20 млн. циклов уменьшился в водопроводной воде в 6 раз, а в растворе сероводорода - в 20 раз. Металлы, обладающие высокой усталостной прочностью на воздухе, часто совершенно неприменимы в условиях совместного действия циклических напряжений и коррозионной среды вследствие резкого падения их прочности. Так, высокопрочная хромоникелевая сталь с пределом выносливости σ-1 = 509,9 МПа непригодна для
эксплуатации даже в простой воде, так как ее усталостная прочность в этом
случае снижается в 3-4 раза.
Коррозионная усталость металлов наблюдается в различных средах: в воде, электролитах, влажном воздухе, корродирующих топливах, применяемых в
современных машинах, и т.д. Наиболее распространенными видами коррозии
следует считать атмосферную, особенно в приморских районах, и коррозию в
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
морской воде, так как подавляющее большинство деталей машин и сооружений
подвергается их непрерывному действию. Коррозионная усталость может привести к преждевременным, а нередко и к катастрофическим разрушениям различных строительных конструкций таких дорогостоящих машин и агрегатов,
как паровые и газовые турбины, дизели, детали насосов, реактивные двигатели,
корпуса судов и т.д. Поэтому снижение усталостной прочности металлов в коррозионных средах необходимо учитывать при расчетах деталей машин.
Характер коррозионно-усталостного разрушения металла напоминает его
усталостное разрушение, т.е. наблюдается хрупкий излом без каких-либо признаков пластической деформации. В отличие от усталостного разрушения металла на воздухе трещина коррозионной усталости развивается не из одного, а
из многих очагов разрушения, длительность развития трещины составляет не
10-30 %, а 90 % от общего времени циклического нагружения.
Характерной
особенностью
коррозионной
усталости
является
за-
висимость предела выносливости материала от числа циклов нагружения.
Установлено, что даже после миллиарда циклов кривая усталости не имеет
участка, параллельного оси абсцисс (оси числа циклов нагружения), а непрерывно, асимптотически приближается к последней (рис. 5.6). Следовательно, в
качестве истинного предела выносливости при коррозионной усталости следует
признать его нулевое значение. Практически для характеристики выносливости
стали в коррозионных средах используется условный предел выносливости,
определяемый при заданном числе циклов.
Эффективным средством борьбы со снижением усталостной прочности
деталей машин при одновременном действии циклических нагрузок и коррозионных сред является обработка ППД. Обкатывание поверхностей приводит к
значительному снижению и даже полному устранению влияния активных сред
на усталостную прочность стали. В некоторых случаях коррозионноусталостная прочность обкатанных деталей даже превосходит усталостную
прочность необкатанных деталей на воздухе.
Изучение влияния обкатывания на коррозионную усталость стали 40Х
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
показало, что предел выносливости необкатанных образцов при усталостных
испытаниях в воде снизился почти в два раза (рис. 5.7), тогда как для обкатанных образцов характерна полная ликвидация влияния коррозионного эффекта:
испытания, как в воздухе, так и в воде показали одну и ту же величину предела
выносливости.
Снижение усталостной прочности в коррозионных средах более заметно
для сталей с большей твердостью и прочностью. Например, предел выносливости мягкой стали σ-1= 294 МПа в морской воде снизился на 40 %, а высокопрочной закаленной стали σ-1 = 1176 МПа - на 85 %.
Обкатывание роликами частично или полностью устраняет вредное влияние активных сред на усталостную прочность сталей с высокими механическими свойствами. Как видно из табл. 5.2, обкатывание образцов из стали с повышенными прочностными свойствами увеличивает предел выносливости на
воздухе в 1,2 раза, а в водопроводной воде - более чем в 4 раза.
Таблица 5.2
Предел выносливости стальных образцов, обкатанных и не обкатанных роликами, МПа
Условия испытания
Необкатанные
Обкатанные
На воздухе
В воде
441
107,8
539
460,6
5.3. Износостойкость поверхности
Обкатывание поверхностей снижает параметр Ra шероховатости в 5-10
раз и создает благоприятную для условий эксплуатации форму микронеровностей близкой к форме микронеровностей после приработки.
Большое влияние на износостойкость оказывают твердость поверхности,
микроструктура, состав металла. Износостойкость сталей прямо пропорциональна их истирающей способности, которая связана непосредственно с твер101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
достью (рис. 5.8, б).
Рис. 5.6. Влияние обкатки на коррозионно-усталостную прочность образцов
из стали 20Х (перлит + феррит), испытанных на воздухе (сплошные линии)
и в воде (пунктирные):
1 - шлифованные образцы; 2 - обработанные силовым резанием; 3 - обкатанные
после шлифования; 4 - обкатанные после силового резания
Рис. 5.7. Кривые усталости образцов из стали 40Х до (а) и после (б) обкатки
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обработка деталей ППД увеличивает поверхностную твердость до 40-70
%, в результате чего практически во всех случаях повышается износостойкость
[10, 12,14,16].
Структуры с высокой прочностью, обладающие способностью в незначительной степени подвергаться местному пластическому деформированию и
большой теплостойкостью, являются более износостойкими. Увеличение количества карбидообразующих легирующих элементов в сталях и чугунах, а также
повышение дисперсности их структуры способствует повышению износостойкости. Аналогичная структура поверхности образуется после обработки ее
ППД, что способствует повышению износостойкости.
Наибольшее число деталей машин работает в условиях механического
изнашивания (значительная часть гильз и поршневых колец двигателей и компрессорных машин, поверхность подманжетных уплотнений, большая часть
подшипников скольжения и т.д.), т.е. в таких условиях, которые соответствуют
зависимости 2 (рис.5.8, а). Эти детали, как правило, обкатывают роликовым и
шариковым инструментом или выглаживают алмазом.
Обкатывание роликами деталей из среднеуглеродистой осевой стали,
раскатывание деталей из стали 45 шариковым дорном и алмазное выглаживание обеспечивают повышение износостойкости по сравнению со шлифованием
в 1,5-2,5 раза, а по сравнению с полированием - в 1,3-1,6 раза при одинаковой
шероховатости поверхности (рис. 5.8, в).
Большое влияние на процесс изнашивания оказывает смазочный материал, подаваемый в зону контакта. Обкатывание закаленных сталей эффективно
при трении качения, как со смазочным материалом, так и без него. Износ у обкатанных деталей меньше на 34-49 %.
В условиях сухого трения при трении скольжения при малых степенях
пластической деформации происходит сглаживание микронеровностей. При
сухом трении износ может быть уменьшен на 12-14 %. При упрочняющей обработке износ таких образцов выше шлифованных.
Исследования показали, что на обкатанных поверхностях коэффициент
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
трения уменьшается на 20 %.
Рис. 5.8. Зависимости износа от времени работы t, пройденного пути L, числа
циклов п и содержание углерода С
а: 1 - шлифование; 2 - раскатывание, б: 1 - обкатанный; 2 - необкатанный,
в: 1 - шлифование; 2 - полирование, 3 - алмазное выглаживание,
г: - зависимость относительной износостойкости от содержания углерода
При трении скольжения со смазочным материалом нагрузки заедания для
обкатанных образцов из чугуна и стали в 2-2,5 раза больше, чем для шлифованных. Это связано с уменьшением шероховатостей, увеличением опорной поверхности и изменением структуры тонкого поверхностного слоя.
В практике встречаются детали с направлениями перемещения, как по
оси вала, так и по окружности. Износостойкость таких деталей по оси в обоих
направлениях на 16-17 % выше износостойкости в окружном направлении.
Проведенные исследования по контактным силам трения показали, что
при принятых подачах и угле установки роликов осевые силы трения не превышают 30 МПа и меньше окружных в 3-3,5 раза. Возникшая неоднородность
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пластической деформации вызывает определенное направление текстуры, а
значит и различие изнашивания по этим плоскостям.
Обкатанные поверхности позволяют также значительно уменьшить длительность приработки и начальный износ. Неустановившийся износ шлифованных образцов в 2,2-2,3 раза больше обкатанных образцов. Повышение износостойкости тем больше, чем выше содержание углерода в стали. Например, износостойкость стали 45 в 2,5 раза выше, чем стали 15 (рис. 5.8, г).
Износостойкость обкатанных поверхностей в значительной мере определяется режимами обработки. В одних случаях целесообразно проводить отделочную обработку с удельными давлениями 3,5 σт, а в других - упрочняющую
обработку с удельными давлениями 5σт, а также создавать определенную текстуру поверхности. Общепринятые режимы обработки для достижения определенной шероховатости поверхностей приводятся в табл. 6.5, 6.6, 6.10.
6. ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ППД
6.1. Раскатывание и накатывание роликовым инструментом
6.1.1. Особенности раскатывания. Для раскатывания внутренних поверхностей, так же как и для обкатывания, применяют сепараторные и бессепараторные устройства, однако при раскатывании в основном используют
устройства сепараторного типа. Ролики в них применяются цельные, расположены они по окружности в гнездах специального сепаратора под углом φ (угол
самоподачи) к оси обрабатываемой поверхности.
Ролики имеют обычно цилиндрическую или коническую форму, под действием сил опорной поверхности и осевой передняя часть ролика внедряется в
обрабатываемую поверхность под углом α (угол вдавливания). Устройства
(раскатники) состоят из следующих основных элементов: 1 - опорный конус, 2 ролик, 3 - сепаратор (рис. 6.1).
Преимущественно применяют "жесткие" раскатники, в которых регулируют не силу раскатывания, а натяг i, т.е. разницу диаметров раскатника и
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обрабатываемой поверхности. Их недостаток - ограниченная возможность регулирования диаметра при переналадке. Упругие или "копирующие" раскатники, оснащенные в некоторых случаях тарированным силовым элементом, имеют обычно более широкий диапазон регулирования размера, но конструкция их
сложнее, а производительность меньше, чем "жестких". Поэтому их рационально применять для обработки нежестких, неравножестких деталей и в некоторых
других случаях, когда сила обработки строго ограничена.
Применение многороликовых сепараторных раскатников экономически
невыгодно и технически трудноосуществимо при обработке внутренних поверхностей большого диаметра. В таком случае целесообразно использовать
бессепараторные одно-, двух- и трехроликовые устройства упругого действия.
Качество обработки, производительность и долговечность сепараторных
раскатников зависят от формы деформирующих роликов. Ролики почти всех
форм дают каплеобразное пятно контакта [10, 12, 19, 21].
6.1.2. Выбор параметров раскатывания. При раскатывании жесткими
сепараторными раскатниками на качество обрабатываемой поверхности основное влияние оказывают следующие параметры: конфигурация, размеры и количество роликов, угол вдавливания а роликов, натяг i, подача S и угол установки
φ роликов, скорость обработки υ, число рабочих ходов, применяемая СОЖ.
Конфигурацию роликов выбирают с учетом возможности использования стандартных роликов. В раскатниках используют ролики диаметром 2-20 мм. При
малых диаметрах роликов (4-6 мм) достигаются наибольшие упрочнение поверхности и снижение шероховатости, требуется меньший натяг. Однако в несколько раз возрастает крутящий момент, что увеличивает проскальзывание
роликов и ухудшает условия обработки.
Оптимальный диаметр ролика d следует выбирать в зависимости от диаметра обрабатываемого отверстия D:
D, мм
6-15
d, мм
2
15-20 20-30 30-40 40-100 100-200 200-300
3
4
6
8
10
12
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.1. Нормализованные раскатники для обработки отверстий диаметром:
а - 6-20 мм: 1 - опорный конус; 2 - ролик; 3 - сепаратор; 4, 5 - гайки; 6 - шайба;
7 -кольцо; б - 21-49 мм: 1 - опорный конус; 2 - ролик; 3 -разгрузочный ролик;
4 - крышка; 5 - сепаратор; б - втулка; 7 - стакан; 8 - пружина; 9,10- гайки; 11,12винты; 13 - подшипник; 14 - поводок; в - 50-85 мм: 1 - крышка; 2 - ролик;
3 - опорный конус; 4 - оправка; 5 - сепаратор; 6 - втулка; 7 - стакан; 8 - пружина;
9, 10 - гайки; 11 - разгрузочный ролик; 12 - шайба; 13 - шпонка; 14, 15 - винты;
16 - подшипник; 17 - поводок; г - 90-100 мм: 1 - оправка; 2 - крышка; 3 - ролик;
4 - разгрузочный ролик; 5 - опорный конус; 6 - сепаратор; 7 - втулка; 8 - стакан;
9, 11 - гайки; 10 - пружина; 12 - поводок; 13 - подшипник; 14, 15 - винты;
16 - шайба; 17 - шпонка
Длина ролика состоит из длин деформирующего l1 калибрующего l2, и
сглаживающего l3 участков. Деформирующая часть выполняет основную работу деформирования, обеспечивает центрирование и захват детали. Длина этой
части зависит от угла деформирования γ (передний угол) и натяга i. Обычно для
роликов с конической деформирующей частью она составляет 4-25 мм, длина
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
l1min = 5i.
Рекомендуется выбирать длину калибрующего участка l2 = 0,5-1,0d; при
l2>d могут в большей степени повышаться нагрузки на ролики, и может снижаться их долговечность.
Величина l3 зависит от угла вдавливания α (заднего угла) и упругих
свойств обрабатываемого материала. В большинстве случаев l2 > l3.
Рекомендуются следующие углы α для различных материалов с учетом
жесткости обрабатываемой детали (табл. 6.1).
Таблица 6.1
Углы вдавливания при обкатывании
Обрабатываемые материалы
Незакаленные стали, алюминиевые
сплавы, бронза
Закаленные стали
Чугун
Жесткость детали
высокая
низкая
10'-30'
30'-50'
15'-40'
50'-1°10'
40'-1°
1º10'-1°40'
Угол α связан с углом конусности ролика αp и углом конусности опорного конуса αк: α = αp - αк, однако αp не должен превышать 3°, так как в противном
случае увеличивается проскальзывание роликов.
Роликов в раскатнике должно быть как можно больше, и число их (z)
должно быть четным. Это повышает производительность и улучшает условия
настройки на размер. Число роликов z = πD - d/(d + b), где b ≈ 8-12 мм - расстояние между соседними роликами.
Угол опорного конуса и его длину выбирают исходя из необходимости
обеспечения требуемого диапазона регулирования диаметра раскатника, который обычно не превышает 1 мм. Для вывода раскатника из отверстия после его
раскатывания необходимо "сбрасывать" размер на 0,1 -0,2 мм путем перемещения роликов по опорному конусу.
При проектировании раскатников необходимо также предусматривать
припуск под перешлифовывание конуса около 0,5 мм, так как натяг i оконча108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тельно определяют экспериментально. Диаметры конуса Dкmax, Dкmin устанавливают исходя из указанных соображений, а длину конуса определяют по формуле
Lк = (Dкmax - Dкmin) / 2tg αк.
Натяг складывается из пластической и упругой деформации обрабатываемой детали, упругой деформации роликов и всего раскатника. При обработке тонкостенных деталей происходит объемное деформирование ее стенок. Вследствие большого числа действующих факторов после предварительного выбора натяга необходимо опытным путем проверить и уточнить его оптимальное значение для конкретных условий обработки. Предварительный
натяг для деталей из незакаленных сталей (сталь 10, сталь 20, сталь 30, сталь
45,40Х) приведен в табл. 6.2. Припуск под раскатывание для диаметров отверстий 15-100 мм в зависимости от материала, исходной и получаемой шероховатости лежит в пределах, приведенных в табл. 6.3. Необходимо также учитывать,
что допуск на диаметр исходной поверхности в зависимости от исходной и получаемой шероховатости должен лежать в пределах, показанных в табл. 6.4.
Принудительная подача и самоподача могут совмещаться, при этом необходимо, чтобы подача превышала самоподачу не более чем на 25 %, иначе ухудшаются условия протекания процесса и снижается качество обработки. Поэтому
при необходимости назначения больших подач угол самоподачи принимают
равным нулю, несмотря на возрастание крутящих моментов и осевых сил. Эффект самоподачи используют при окончании раскатывания: процесс автоматически прекращается при остановке привода, сепаратор с роликами под действием сил трения продолжает перемещаться вперед относительно опорного конуса
до тех пор, пока полностью не выйдет из обрабатываемого отверстия, при этом
сжимается пружина, обычно применяемая в раскатниках. Происходит автоматический "сброс" размера. После свободного вывода инструмента из обрабатываемого отверстия под действием сжатой пружины сепаратор с роликами возвращается в исходное положение, сила пружины должна превышать массу сепаратора с роликами в 1,5-2,0 раза, минимальный ход пружины выбирают равным 5-10 мм.
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Подачу на один ролик Sp необходимо выбирать в зависимости от обрабатываемого материала и требуемого параметра шероховатости (табл. 6.5).
Подача на оборот S = Spz.
Таблица 6.2
Натяг при раскатывании жесткими сепараторными раскатниками, мм
Исходный параметр
шероховатости Ra,
мкм
1,25
2,5
5,0
10
20
Достигаемый параметр шероховатости, Ra, мкм
0,32
0,16
0,08
0,04
0,01-0,04
0,03-0,06
0,06-0,1
0,12-0,17
0,015-0,22
0,015-0,05
0,04-0,07
0,08-0,13
0,14-0,19
0,18-0,23
0,02-0,06
0,06-0,09
0,09-0,16
0,17-0,22
0,21-0,27
0,02-0,08
0,08-0,11
0,14-0,19
0,19-0,24
—
Таблица 6.3
Припуск под раскатывание в зависимости от состояния обрабатываемой
поверхности
HRC
27-32
32-40
Состояние исходной поверхности
Получаемый
Параметр ше- параметр шероховатости Ra,
Материал
Обработка
роховатости
мкм
Ra,мкм
Ст 10
Шлифование
0,32
0,02
Сталь 20
-«0,63
0,02
Сталь 30
-«1,25
0,04
Сталь 45
Точение
2,5
0,04
Сталь 45
Шлифование
0,32
0,08
Шлифование
1,25
0,08
Сталь 40
Точение
2,5
0,04
Сталь 40Х
Припуск на
диаметр, мм
0,03-0,006
0,05-0,01
0,01-0,03
0,03-0,06
0,03-0,06
0,03-0,08
0,03-0,06
Таблица 6.4
Допуск на диаметр раскатываемой поверхности, мм
Исходный
параметр
шероховатости
Ra, мкм
Допуск на диаметр раскатываемой поверхности, мм, при достигаемом Ra,
мкм
0,32
0,16
0,08
0,04
1,25
0,045
0,03
0,02
0,01
2,5
0,05
0,04
0.035
0,015
5,0
0,06
0,05
0,045
0,03
10,0
0,065
0,055
0,05
0,04
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 6.5
Подача на ролик при раскатывании, мм/ролик
Обрабатываемый материал
Незакаленные стали
Алюминиевые и магниевые сплавы, бронза
Сталь твердостью от 28 HRC
до 37 HRC
Чугун
Требуемый параметр шероховатости Ra, мкм
Sp
0,04-0,08
0,1-0,3
0,16-0,32
0,2-0,4
0,63-1,25
0,4-0,5
0,32-1,25
0,1-0,2
Меньшие значения Sp рекомендуются для получения меньшей шероховатости. С увеличением подач возрастают радиальные и осевые силы, поэтому при обработке заготовок малой жесткости подачу следует уменьшить.
При большем исходном параметре шероховатости подачу необходимо соответственно также уменьшить.
Относительная окружная скорость многороликового инструмента может
изменяться от 2 до 200 м/мин. Увеличение окружной скорости инструмента сопровождается возрастанием тепловыделения, что снижает долговечность инструмента и ухудшает условия протекания процесса. Для D ≤ 100 мм выбирают
скорость 15-40 м/мин, для D ≥ 100 мм - 30-70 м/мин. Повышения скорости обкатывания можно достичь, применяя обильное охлаждение инструмента минеральным маслом, эмульсией и т.п., а также новые прогрессивные конструкции
инструмента.
Раскатывание целесообразно проводить за один рабочий ход, в некоторых случаях - за два рабочих хода, но не более. В качестве СОЖ можно применять масло индустриальное 50, охлаждение должно быть интенсивным. Следует обращать внимание на чистоту СОЖ. При раскатывании глубоких отверстий
следует применять принудительное охлаждение.
Режимы раскатывания нормализованными раскатниками (рис. 6.1) сталей
и сплавов, используемых в авиационной промышленности, приведены в табл.
6.6, размеры роликов в раскатниках - в табл. 6.7. Заходный участок роликов 111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сферический, радиусом до 3 мм, сглаживающий участок роликов - конусный с
αк = 45'.
6.1.3. Сепараторные устройства для раскатывания. Для раскатывания
внутренних поверхностей применяют сепараторные жесткие и упругие раскатники, а также жесткие и упругие одно-, двух- и трехроликовые устройства.
Таблица 6.6
Диаметр Припуск
отвер- под раскастия
тывание
мм
Алюминиевые спла- 6-12
0,015-0,02
вы Д16Т; В93; В95
12-20
20-40
0,02-0,03
40-60
(σв=300...600МПа)
60-80
80-100 0,03-0,04
Обрабатываемый
материал
Бронзы
БрАЖН-10-4-4;
БрАЖМЦ10-3-1,5
(σв=500...700МПа)
Титановые
сплавы
ВТЗ-1; ВТ9, ВТ22
(σв =900...1200МПа)
Стали 30хГСА;
40ХНМА;
25ХГСА
20-40
40-60
60-80
80-100
6-12
12-20
20-40
40-60
60-80
0,01-0,015
0,015-0,02
0,02
0,02-0,03
0,015
6-12
12-20
20-40
40-60
0,015
0,02
Высокопрочные
стали 30ХГСНА;
20ХЗМВФ
60-80
80-100
6-12
12-20
20-40
40-60
60-80
80-100
Подача S,
мм/ об
0,03-0,05
0,04-0,06
0, 06 0,02
0,02
0,5-0,8
0,3-0,5
0,10,02
0,10,03
0,06-0,01
0,08-0,12
0,01-0,14
0,1-0,15
0,05-0,07
0,06-0,08
0, 080,02
0,02-0,03
0,02
0,03-0,04
0,01-0,015
0,01-0,02
0,02
0,02-0,025
0,03
0,12
0,05-0,07
0,07-0,09
0,10,03
0,15-0,2
0,10-0,15
0,2-0,4
0,2-0,3
0,15-0,2
0,11-0,17
0,2-0,4
0,2-0,3
0,120,03
0,15-0,2
0,150,03
0,1-0,15
0,1-0,12
0,12-0,15
0,15-0,18
0,150,05
10-20
20-25
25-40
40-45
30-40
3-5
10-12
20-30
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
2
30-40
2
2
3-6
10-12
20-30
1
1
2
30-40
50-60
10-15
10-20
0,1-0,15
0,180,02
0,180,05
Скорость
υ,
м/мин
10-20
20-30
20-50
40-60
0, 06 0,02
0,02
0,10,02
0,02-0,03
(σв =1000..1300МПа)
Натяг
t
0,2-0,3
Число рабочих ходов
Режимы раскатывания отверстий жесткими аппаратурными раскатниками
20-30
30-50
2
2
2
1
1
1
2
2
2
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 6.7
Размеры роликов в нормализованных раскатниках
Диаметр об- Диаметр рорабатываелика
мого отверстия
мм
6-10
2,0
10-15
3,0
15-20
4,0
20-30
8
30-50
8
50-80
12
80-100
12
Число
роликов,
шт.
Радиус сферы
ролика
4
4
4
6
6
8
10
0,6
1,0
1,0
2,0
2,0
3,0
3,0
Длина цилиндрической
части ролика
l
мм
_
1,5
1,5
2
2
Длина
ролика
L
8
10
12
15
18
20
25
Раскатники для обработки отверстий диаметром 6-100 мм (рис.6.1) однотипны. С увеличением диаметра раскатников конструкция их несколько усложняется, так как увеличиваются осевые и радиальные силы, возрастает число роликов. Для повышения износостойкости роликов и опорных конусов во второй
и следующие типоразмеры введены разгрузочный ролик 3, а также пружина 8,
подшипник 13, стакан 7 и крышка 4 (рис. 6.1, б). В третьем и четвертом типоразмерах опорные конусы разборные, что упрощает их повторное шлифование.
Ролики в этих раскатниках цилиндрические или в виде усеченного конуса с конусностью 1:30. Максимальный диаметр роликов 12 мм, длина до 25 мм. Заборная часть роликов коническая или сферическая радиусом 0,6-3 мм, ось роликов расположена по отношению к оси опорного конуса под углом 30/-1°30'.
Угол вдавливания 15'-1°. В раскатниках некоторых типов через центральное отверстие и через отверстия в средней части опорного конуса (на рисунке не показаны) подводится СОЖ непосредственно к роликам в зону обработки.
Помимо рассмотренных в практике используют раскатники, которые различаются в основном конфигурацией роликов, конструкцией сепараторов и
опорных конусов. Принцип работы их одинаков. Ролики, находясь под нагрузкой, при раскатывании катятся между поверхностями обрабатываемого отверстия и опорного конуса, воспринимающего реактивную силу раскатывания. Так
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
как ролики не имеют материальной оси вращения, они фиксируются в требуемом положении относительно заготовки сепаратором трубчатой формы, в окнах которого они расположены. Необходимый задний угол вдавливания роликов определяется соотношением конусности роликов и опорного конуса.
Диаметр раскатников регулируется в пределах нескольких десятых миллиметра путем перемещения сепаратора с роликами вдоль опорного конуса.
Положение упорного подшипника, соответствующее заданному диаметру, фиксируется гайками. Обычно применяют винтовые пружины, подтягивающие сепаратор до контакта с подшипником для восстановления рабочего диаметра,
что облегчает использование подобных раскатников на станках с вертикальной
осью шпинделя.
В существующих конструкциях раскатников кроме роликов принудительно могут вращаться опорные конусы, сепараторы, а также одновременно конус и сепаратор. В первом случае (рис. 6.2, а) конические ролики 1 обкатываются планетарно по конусу 2, получающему принудительное вращение
от оправки раскатника. Сепаратор 3 вращается свободно на оси, т.е. он разгружен. При принудительном вращении сепаратора (рис. 6.2, б) конические ролики
1 обкатываются планетарно по конусу 2, свободно вращающемуся на оси раскатника. Сепаратор 3 связан с оправкой 4 и получает от нее принудительное
вращение, т.е. он нагружен (поэтому его изготовляют из высокопрочной стали
и подвергают термообработке). В обоих случаях раскатники имеют недостаточно высокую производительность, а нагруженный сепаратор в них подвержен
значительному изнашиванию.
Более производителен, хотя и более сложен по конструкции раскатник с
принудительным вращением и конуса, и сепаратора (рис. 6.2, в). При введении
раскатника с натягом в упрочняемое отверстие вращающейся детали начинают
вращаться упрочняющие ролики 1, сепаратор 2 и два ряда шариков 3 (через
втулки 4 и 5). Так как задний ряд шариков закреплен в гнездах гайки 6 и не
вращается планетарно, возникают силы, заставляющие сепаратор 2 вращаться в
сторону, противоположную вращению втулки-сепаратора 7. На конусе 8 во
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
втулке-сепараторе установлены нажимные ролики 9. Упрочняющие ролики 1,
вращаясь планетарно, "набегают" на нажимные ролики 9 и при перекатывании
ударяют по упрочняемой поверхности. Диаметр раскатника регулируют перемещением конуса 8. Раскатник можно применять для упрочняющей и отделочной обработки отверстий в деталях из пластичных металлов в условиях крупносерийного и массового производств. По характеру воздействия деформирующих роликов этот раскатник ударный.
Эффективность раскатывания зависит от правильности выбора рабочих
роликов и качества их изготовления.
При использовании специальных роликов рекомендуется создавать различные условия контактирования их поверхностей качения в средней части и
поверхностей по краям. В этих же целях применяют ролики с цилиндрическими
цапфами, которые входят в центрирующие их сухари, при этом ширина окон
сепаратора должна быть больше, чем диаметр ролика. Также применяют разгрузочные ролики и другие элементы, устанавливаемые по торцам рабочих роликов с одной или с двух сторон. Специальные фасонные ролики использованы
в раскатнике (рис. 6.3, а), называемом вальцовкой, для обработки глубоких отверстий.
Отсутствие контакта между рабочими поверхностями роликов и стенками гнезд сепаратора, а также возможность замены сухариков по мере из изнашивания значительно увеличивают срок службы инструмента.
Вальцовки характеризуются малыми температурой и коэффициентом
трения, большой долговечностью. Недостатки у них следующие:
- вследствие большой площади контакта роликов (L- 5,5d вместо L =2-3d
в обычных раскатниках) возникают большие радиальные силы, ограничивающие область применения вальцовок обработкой жестких деталей;
- повторное шлифование роликов по трем плоскостям затруднено, поэтому целесообразнее применять стандартные ролики;
- отсутствует устройство для автоматического возврата роликов в исходное положение по окончании обработки.
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.2. Раскатники с различными принудительными приводами вращения
основных элементов:
а - вращается опорный конус; б - вращается сепаратор;
в - вращаются конус и сепаратор
Более технологичны и лишены указанных недостатков раскатники с коническими роликами (конусность 1:30), снабженными цапфами, контактирующими с сухарями (рис. 6.3, б). На большом диаметре роликов имеется заборная
фаска под углом 30° к оси ролика.
В некоторых случаях обработку начинают не с кромки отверстия, а на
некотором расстоянии от нее. Для быстрого ввода в отверстие и вывода из него
используют раскатники с механизмом автоматического перемещения роликов и
установки их на заданный размер (рис. 6.3, в, г). По оправке 1 такого раскатника с шариковым фиксатором планетарно обкатываются цилиндрические ролики
2, установленные в сепараторе 3. Оправка имеет образующую конусность 1:60.
Диаметр регулируют осевым перемещением сепаратора и подшипника 4 при
вращении гаек 5 и 6. После раскатывания отверстия втулка 7 упором, установленным на станке (не показан), сдвигается до кольца 8 и освобождает шарики 9.
Сепаратор и взаимодействующие с ним детали под действием пружин 10 сдвигаются вправо, происходит "сброс" размера. Размер восстанавливается при
сдвиге втулки влево вторым упором.
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для раскатывания глухих отверстий применяют раскатники (рис. 6.3, д) с
выступающими за торец роликами, имеющими хвостовики. Отверстия минимального диаметра (до 3 мм) обрабатывает раскатник (рис. 6.3, е) с опоройрабочих роликов I на центральный ролик 3, который установлен в общем сепараторе 2 и вместе с рабочими роликами удерживается пробкой 4.
В раскатнике (рис. 6.3, ж), благодаря поджатию специальной пружиной,
достигается компенсация осевого износа рабочих и разгрузочных роликов
(штифтов) по их торцовым поверхностям. С двух сторон от рабочих роликов 3
установлены разгрузочные ролики 5 и 7, упирающиеся в опорное кольцо 6 и
разгрузочное кольцо 8, поджимаемое пружиной 9. Разгрузочные ролики 5 и 7,
как и рабочие, установлены в сепараторе 4 и катятся с меньшей скоростью, чем
скорость, с которой дсновные ролики катятся по опорному конусу 1, соединенному с оправкой 2. По мере торцового изнашивания роликов пружина 9 поджимает кольцо 8, чем обеспечивается нормальная работа раскатника. Регулировать диаметр раскатника можно изменением длины опорного кольца 6.
Производительность и точность обработки повышаются на 30-50 % при
использовании двухрядных раскатников: улучшаются качество поверхностного
слоя и условия работы инструмента, расширяются его технологические возможности.
Однако двухрядные раскатники значительно сложнее в изготовлении и
настройке. Разновидности таких раскатников показаны на рис 6.4. По коническим поверхностям оправки планетарно обкатываются два ряда роликов, удерживаемых единым сепаратором и обоймами (рис. 6.4, а).
В раскатнике с независимым регулированием диаметра каждого ряда роликов (рис. 6.4, б) первый ряд опирается на конус, который может перемещаться в осевом направлении, а второй ряд - на конус, закрепленный на корпусе.
В двухрядном раскатнике (рис. 6.4, в) сепаратор закреплен, в результате
чего отсутствует планетарное (переносное) движение роликов, что повышает
производительность обработки при неизменной частоте вращения ведущего
звена.
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.3. Раскатники:
а - для обработки глубоких отверстий с длинными двухконусными роликами;
б - с роликами, имеющими с двух сторон цапфы; в, г - с шариковым фиксатором в механизме "сброса" размера; д - для раскатывания глухих отверстий в торец с роликами, имеющими цапфы с одной стороны; е - для обработки отверстий диаметром 3-10 мм; ж - с компенсатором осевого износа
Нагруженный сепаратор воспринимает как осевые нагрузки, так и крутящие моменты. Поэтому его изготовляют из легированных сталей (ХВГ, 9ХС и
др.) и производят термообработку до получения 60HRC.
При раскатывании двухрядным раскатником можно одновременно обрабатывать несколько поверхностей (рис. 6.4), например, каждый ряд многоряд118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ного инструмента может быть предназначен для обработки поверхностей различного диаметра, а также ступенчатых отверстий.
Удобными в эксплуатации являются многороликовые раскатники, в которых угол вдавливания роликов (задний угол) регулируется от 10' до 1°40'. В
подобных конструкциях опорный конус чаще всего выполняют в виде цанги,
однако это не всегда обеспечивает стабильное качество обработки.
На рис. 6.5, а показан регулируемый раскатник, у которого ролики 2, расположенные в сепараторе 6, опираются на конус, состоящий из двух частей.
Передняя часть 1 опорного конуса неподвижно установлена на оправке 7, а
задняя часть 3 - на подшипнике скольжения 4, вследствие чего она может проворачиваться под действием сил трения. В результате предотвращается проскальзывание роликов по обрабатываемой поверхности и повышается качество
ее обработки.
Подшипник скольжения 4 посредством деталей 5, 8, 9 и 10 вместе с задней частью 3 опорного конуса может перемещаться в осевом направлении, чем
достигается регулирование заднего угла роликов.
Внутренние конусные поверхности обрабатывают с помощью конусных
раскатников (рис. 6.5, б, в). Применение цилиндрических роликов удобно, так
как их положение в осевом направлении строго не регламентируется. Однако,
поскольку с увеличением конусности возрастает проскальзывание роликов относительно опорного конуса вследствие большой разности окружных скоростей, их используют для обработки поверхностей с конусностью до 10º. При
большем угле применяют раскатники с коническими роликами.
Метод копирования используют при обработке сферических поверхностей. Одна из конструкций полноконтактного раскатника для обработки
внутренней сферической поверхности в верхней опоре цилиндра гидроподъемника автомобиля МАЗ показана на рис. 6.5, г. Пояски торцовых поверхностей
обкатывают инструментом, длина цилиндрических и конических роликов которого больше ширины этих поясков (рис. 6.5, д) [19].
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.4. Двухрядные раскатники с различными приемами регулирования
размера:
а - одновременное регулирование диаметров;
б, в, г - независимое регулирование диаметров
Характерный тип раскатника для обработки цилиндрических поверхностей с радиальной подачей роликов показан на рис. 6.5, е. Длинные ролики 1 с конусностью 1:200 расположены в пазах сепаратора-втулки 2 и удерживаются от выпадения обоймами 3. Раскатник вводят в обрабатываемое отверстие до контактирования подшипника 4 с торцем приспособления, в котором крепят обрабатываемую деталь. При этом осевое перемещение сепаратора
прекращается, а оправка 5 продолжает осевую подачу, раздвигая ролики в радиальном направлении до упора гайки 6 в подшипник 7. При выводе раскатника пружина 8 возвращает ролики в исходное положение (до упора 9). Диаметр
раскатника регулируют путем настраивания размера (рис. 6.5, и). Существуют с
другие конструкции раскатников с радиальной подачей роликов. Например,
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
применяют такую схему, когда ролики своими боковыми конусными участками
опираются на два симметричных опорных конуса, один из которых с помощью
тяги перемещается и обеспечивает равномерный радиальный разжим роликов.
Проблему обработки тонкостенных деталей жесткими раскатниками решают различными путями: увеличением жесткости обрабатываемых деталей
путем использования специальных приспособлений (корпусов, цанговых патронов и т.д.), уменьшением диаметра ролика, увеличением заднего угла, снижением подачи, назначением меньшего параметра шероховатости предварительной обработки.
Вместо жестких раскатников в некоторых случаях используют упругие
или "копирующие", у которых опорный конус тонкостенный, что позволяет ему
воспринимать часть упругой деформации. Такие раскатники эффективны также
при обработке деталей из чугуна, поскольку он очень чувствителен к колебанию радиальных сил.
Толщину стенки h пустотелого опорного конуса (рис. 6.5, ж) в упругих
раскатниках выбирают от 1 до 4 мм.
Регулировать жесткость в более широком диапазоне дает возможность
разрезной опорный конус 2 (рис. 6.5, з) типа цанги по которому катятся рабочие
ролики 1, однако прорези на конусе нарушают целостность опорной дорожки,
вследствие чего могут возникать удары, что снижает плавность работы и стойкость раскатника. Поэтому используют раскатник с тонкостенным конусом, заполненный упругой средой (например, гидропластом), давление в которой регулируют путем перемещения штока (рис. 6.5, и).
Сепараторные раскатники различного типа широко применяют во всех
отраслях машиностроения, особенно, в автомобильной промышленности. При
изготовлении автомобильных деталей более 1000 операций выполняют, используя раскатный и обкатный инструменты, при этом сепараторные устройства составляют около 70 % всех применяемых [10, 19].
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.5. Сепараторные раскатники специального назначения:
а - с изменением конусности опорного конуса; б, в - для обработки конусных
поверхностей; г - для обработки сферических поверхностей; д - для обработки
плоских торцовых поясков; е - с радиальной подачей роликов: ж - упругого
("копирующего") типа с пустотелым опорным конусом; з - упругого типа с разрезным опорным конусом; и -упругого типа с пустотелым опорным конусом,
заполненным упругой массой
В табл. 6.8 и 6.9 приведены примеры раскатывания сквозных и глухих
отверстий, а также торцовых, конусных и сферических поверхностей деталей
жесткими сепараторными устройствами, которые дают представление о применяемости этих устройств и могут быть использованы при внедрении процесса
для решения аналогичных задач.
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 6.8
Примеры раскатывания отверстий автомобильных деталей жесткими сепараторными раскатниками
Характеристики детали
п,
Ra, мин-1
Материал Dотвxl, мм
мкм
1, 25
Крышка клапана
АЛ1ДВ
12x15
140
воздухоочистителя
0,32
1, 25
Картер коленчатого вала
МЛ5
18x50
400
0,32
Баббит
0, 63
Шатун компрессора
БОЦС
19,8x32
300
(два отверстия)
0, 08
44-4-2,5
Кронштейн ручного
Вставки
28x25
540
тормоза (два отверстия)
ЛС74-3
20x13
Деталь
Вилка переключателя
Опора распределительного вала
Кронштейн
опорной кабины
Цилиндр пневматического усилителя
Сталь 40
20x35
АЛ4
23x30
Сталь 35
25x35
2,5
0,32
2,5
0,16
2,5
0,32
S, Тмаш,
об/мин мин
150x322
Размеры
роликов
Dxl, мм
Модель
Оборураскатдование
ника
Масло
7931- Ток.-рев
индустр.50 4008
станок
СОЖ
Примечание
0,2
0,53
Цилиндрические
2x10
0,8
0,22
То же
4x20
Нет
»
4x40
Нет
4,3x25
Керосин
8Д10160
Верт. сверл.
ст-ок
Два раск.
с радиал.
подачей.
Двухряд.
раскатник
4x30
Эмульсия
14120025
Тоже
—
Вруч- 0,1;
ную 0,07
Цилинд.
с конус.
хвостов.
Конусн. с
цапфами
939-159, Агрегат
007
станок
Тоже
0,72
0,14
350
1,0
0,1
250
0,3
0,4
Конусные
4,45x25
Масло индустр.50
8Д12259
»
350
0,6
0,5
Конусн. с
цапфами
6,0x30
Эмульсия
14120051
»
2,5
275
5,5
0, 63
2,5
Стакан
Сталь 35
166x842
125
1,0
0,32
1, 25
Ведомое зубчатое
Сталь 55кп 194x34
100
0,3
колесо заднего моста
0,16
5
Цилиндр опрокидываСталь 35
228x963
80
2,9
ющегося механизма
0, 63
*В числителе — до обработки, в знаменателе — после обработки
АЛ108
Типы
роликов
0,3
6,7
1,1
4,2
Цилин.
Верт. ин- 9674с 2-мя ко- 10,8x56 Масло
сверл.
дустр.50
0052
нусн. пояс.
ст-ок
Конусн. с 12x60 Эмульсия ЛУ-146 Ток.-рев.
цапфами
станок
Верт. 8ДКонусные 18,15x2
Эмульсия
сверл,
5
12970
ст-ок
Смесь
Гориз.
18,75х
9674То же
масла
с
расточ.
34,7 керосином 0029
станок
—
—
Обраб.
последов.
Два отверст. в
линию
—
—
—
—
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№по пор.
j
Таблица 6.9
Примеры раскатывания глухих отверстий цилиндрических, конусных, торцовых и сферических поверхностей автомобильных деталей
Деталь
Характеристики детали
Модель
Параметры обработки
раскатРазмеры
S,
Тмаш,
Типы
ника
роликов СОЖ
об/мин мин
роликов
Dxl, мм
Конус. со
0,5
0,12 спец.хвост 5x18 Эмуль1412-1023
сия
ов.
Материал
Dотвxl,
мм
Ra,
мкм
п,
мин-1
Сталь 35
18x11
5
0, 08
280
Цилиндр механизма
2 переключения передач
СЧ24
65x54
80x44
2,5
0, 63
188
0,7
0,4
+0,3
То же
10x30
тормозного
3 Корпус
крана
АЛ9
70x95
90x75
2,5
0,32
395
2,9
3,7
4
5
То же
9x40
дифферен4 Обойма
циала
Сталь 40Х
72x70
2,5
0,32
80
0,9
1,0
То же
—
тормозного
5 Корпус
цилиндра
Сталь 10кп 150x100
2,5
0, 63
530
3,0
250
1,0
250
—
Конус. со
0,44 спец. хвостов.
0,02 Цилиндр.
гладкие
250
—
0,1
1 Кольцо запорное
коСталь 35Х 30x38
нус. 1:8
2,5
0,32
5
0, 63
опорной Сталь 35Л
43x78
8 Кронштейн
рессоры
конус.1:8
2,5
0, 63
6 Корпус тормоза
7 Поворотный кулак
АЛ9
230x110
Спец. с 30,07х мя
раздел,
х3 поясками
Конические
12x56
14x35
4x40
6,9
Оборудование
Примечание
Ток.
автомат
2 отвер.
в линию
Два отТокар.-ре верстия
1412-1211
То же 1412-1215 вольвер. последост-ок
ват.
Эмульсия
Верт.2 парал.
+масло 9674-0054,
сверл.
9674-0053
отверст.
индуст.
ст-ок
50
8-миЭмуль- 1412-4204 шпин.ток.
—
сия
ст-ок
Толщ.
Масло
Верт.стенки
индуст. 1410-4007 сверл.
дет.1,3
50
ст-ок
мм: три
раб. хода
Ток.Нет 1412-1417
винт.
—
ст-ок
Эмуль- 56-У-7302 Верт.Радиал.
сверл.
сия
подача
ст-ок
Вращ.
Модерн.
обр.
деТо же 9469-2157
пресс
таль: сила -40кН
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№по пор.
Продолжение таблицы 6.9
Характеристики детали
Деталь
Материал
Ra,
мкм
175
195
Крышка переднего
9
подшипника
Сч 18
100x5
2,5
1, 25
Чашка
дифференциала
Сталь 40
146х59
5
0, 63
10
п,
мин-1
Dотвxl,
мм
Параметры обработки
Размеры
S,
Тмаш,
Типы
роликов
об/мин мин
роликов
Dxl, мм
Конические со
—
0,2
8x8
сферич.
торцами
—
0,1
Конические
10x40
СОЖ
Модель
раскатника
Оборудование
Примечание
Масло
Сила
Токар.индуобкаты1412-4525 револьвер.
стриал.
вания
ст-ок
50
4000 Н
ВращаетМодер- ся обранизиробат.
То же 9469-2157
ван.
деталь;
пресс
сила –
40 кН
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.2. Накатывание ротационными инструментами
6.2.1. Классификация инструментов. Инструменты, деформирующие
элементы которых взаимодействуют с обрабатываемой деталью в условиях
трения качения, относят к ротационным инструментам. Разновидностей инструментов этого класса значительно больше, чем инструментов для дорнования. Ротационные инструменты широко применяются при отделочной, калибрующей и упрочняющей обработке наружных и внутренних цилиндрических
поверхностей, конических, шаровых, фасонных и плоских поверхностей, резьб
разного профиля, зубьев колес, червяков, галтелей ступенчатых, коленчатых
валов и др.
По типу деформирующего элемента ротационные инструменты делятся
на роликовые и шариковые, причем ролики могут быть с материализованной и
нематериализованной осью вращения. По методу приложения нагрузки к деформирующему элементу инструменты могут быть с жестким и упругим контактом с обрабатываемой деталью. По схеме работы они подразделяются на
простые и планетарные, а по количеству деформирующих элементов -на однои многоэлементные (двух-, трех-, четырехэлементные и т.д.).
Ротационные роликовые инструменты с нематериализованной осью вращения роликов требуют радиальной нагрузки в 3-5 раз меньшей, чем с материализованной осью вращения, так как цилиндрические и конические ролики выполняются с небольшим диаметром (5-12 мм). Еще меньшие радиальные усилия требуются при использовании шариковых накатных инструментов, имеющих точечный контакт шарика с обрабатываемой поверхностен) [10, 19, 24].
Из-за высокой чувствительности одноэлементных инструментов с жесткой связью к установленной при настройке величине натяга рекомендуется использовать инструменты с упругой связью, которые лишены этого недостатка.
Наиболее простыми и дешевыми являются инструменты, у которых усилие деформирования создается винтовыми и тарельчатыми пружинами.
Гидравлический привод обеспечивает высокие усилия деформирования,
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
однако для его работы необходима насосная станция, что является основным
недостатком этого вида привода.
Наиболее удобными в эксплуатации являются инструменты с пневматическим приводом, которые требуют значительно меньших затрат. Для их
питания используется централизованная система подачи сжатого воздуха, имеющаяся на большинстве предприятий.
Преимуществами пневматических и гидравлических приводов ротационных инструментов, по сравнению с пружинным нагружением, являются:
точность контроля и возможность регулировки рабочих усилий, возможность
обработки конических и фасонных поверхностей с постоянным усилием накатывания, возможность быстрого нагружения деформирующих элементов в
начале процесса и разгружения в конце его.
6.2.2. Накатывание роликовыми инструментами. Типы роликов и материал для их изготовления. Наиболее часто встречающиеся формы роликов
приведены на рис. 6.6, б. Ролик с цилиндрическим пояском и коническим заборным и обратным конусами (рис. 6.6, в) применяется для обработки поверхностей, имеющих свободный выход по длине и малую шероховатость поверхности. Величина продольной подачи инструмента зависит от ширины пояска:
чем больше ширина пояска, тем большую подачу имеет инструмент. Однако
увеличение ширины пояска приводит к увеличению усилия деформирования
для достижения заданной шероховатости и степени наклепа. Поэтому ширина и
диаметр выбираются в соответствии с жесткостью обрабатываемой детали. Для
маложестких деталей ширина ленточки принимается 1-4 мм, а для достаточно
жестких - 7-12 мм. Углы заборного и обратного конусов принимают α1= α2=5°, а
при накатывании деталей с общими усилиями углы α1 и α2 увеличивают до
7-10°. Переходы от цилиндрического пояска к заборному и обратному конусам
следует закруглять радиусом 0,1-0,4 мм [ 10, 19].
Ролики с профильным радиусом (рис. 6.6, б) применяются для обработки
деталей малой жесткости, а также для накатывания галтелей и радиусных канавок. С уменьшением радиуса закругления r увеличивается глубина наклепа и
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
шероховатость обработанной поверхности. При обработке галтели радиус закругления принимается равным или меньшим радиуса галтели. Наиболее часто
применяются ролики с профильным радиусом r = 4-30 мм.
Ролики со сложным профилем (рис. 6.6, в) используются, например, для
накатывания шеек осей колесных пар. Для облегчения установки ролика относительно образующей обрабатываемой поверхности используется ролик, показанный на рис. 6.6, г.
Цилиндрический и конический ролики не имеют материализованной оси
(рис. 6.6, д). Для уменьшения пятна контакта цилиндрический ролик устанавливается под некоторым углом к образующей обрабатываемой поверхности.
Наибольший диаметр таких роликов значительно уменьшает величину радиальных усилий, что позволяет обрабатывать детали с недостаточной жесткостью.
Рабочую поверхность деформирующих роликов необходимо шлифовать
и полировать до шероховатости Ra = 0,04-0,16 мкм.
Ролики должны обладать большой твердостью и высокой износостойкостью. Этим требованиям удовлетворяют стали марок Х12М, ХВГ,
5ХНМ, ШХ15, У10А, У12А, термически обработанные до твердости HRC 6065. Иногда ролики изготавливают из твердых сплавов ВК6 и ВК8.
Однороликовые
инструменты.
Конструкции
однороликовых
инст-
рументов для отделочной и упрочняющей обработки различных поверхностей
являются наиболее универсальными, простыми в изготовлении. Однако одностороннее приложение деформирующего усилия к обрабатываемой детали отрицательно сказывается на состоянии направляющих и подшипников шпинделя
токарного станка, в резцедержателе которого устанавливается накатной инструмент. Однороликовые инструменты наиболее часто применяют для сглаживающей обработки, упрочнения галтелей валов и жестких деталей больших
размеров.
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.6. Типы роликов для накатных инструментов
Рис. 6.7. Однороликовые накатные инструменты:
а - с винтовой пружиной; б - с тарельчатыми пружинами
Рис. 6.7. Однороликовые накатные инструменты: в - с упругим корпусом
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.8. Жесткий накатной инструмент с роликом без материализованной оси
На рис. 6.7 показаны конструкции однороликовых инструментов, упругим валом у которых являются винтовые или тарельчатые пружины. В корпусе
4 инструмента расположен шток 3, в вилке которого на шарикоподшипниках 2
установлен накатной ролик 1. Усилие накатывания создается винтовой пружиной 5, упирающейся в крышку 6 (рис. 6.7, а). Для обеспечения требуемого усилия накатывания на шток наносятся штрихи и цифры, показывающие усилие
накатывания. Создание большего усилия накатывания у инструмента (рис. 6.7,
б) достигается тарельчатыми пружинами 5. Усилие деформирования воспринимается от ролика 1 коническими подшипниками 2. Ролики устанавливаются
на оси в штоке 3, перемещающемся в отверстии корпуса 4.
Большой жесткостью обладает инструмент с пружинящим корпусом (рис.
6.7, в). Требуемое усилие деформирования достигается за счет паза, профрезерованного в корпусе 1 инструмента. Деформирующий ролик 2 посредством оси
4 установлен на конических роликовых подшипниках 3.
Однороликовая обкатка без материализованной оси вращения ролика
представлена на рис. 6.8. Деформирующий цилиндрический ролик 1 располо130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жен в пазу сепаратора 2, который посредством крышки крепится к корпусу 3
винтами. Усилие деформирования, приложенное к цилиндрическому ролику
воспринимается роликом 5 большего диаметра, который на двух радиальных и
двух упорных шариковых подшипниках устанавливается на оси 4. Инструменты такого типа стабильно обеспечивают настроечный диаметр и уменьшают в
некоторой степени погрешности геометрической формы (конусность, эллипсность, гранность и т.д.).
Накатывание плоскостей больших размеров может осуществляться на
продольно-строгальных станках универсальными однороликовыми инструментами упругого действия, конструкции которых принципиально не отличаются
от конструкции инструментов для накатывания цилиндрических наружных поверхностей. Эти же накатные инструменты могут быть использованы на поперечно-строгальных станках. В обоих станках инструмент устанавливается в
резцедержателе станка, при этом механизм откидывания досок суппортов выключается, а доски жестко связываются с ним путем постановки стопорных
пальцев или стягиванием струбцинами. Закрепление досок необходимо для
предотвращения отбрасывания их в результате действия момента от усилий
накатывания. Кроме того, закрепление досок позволяет использовать прямой и
обратный ход для накатывания плоскостей.
Однороликовые инструменты, устанавливаемые в резцедержателе, применяются для обработки отверстий на токарных, карусельных и расточных
станках. Усилие деформирования здесь создается за счет пружинящего корпуса
или винтовой пружины. Инструменты такого типа целесообразно использовать
в мелкосерийном производстве, когда процесс раскатывания отверстий осуществляется вслед за его расточкой на том же станке.
При обкатывании галтелей сопряжения ступеней валов, являющихся
концентраторами напряжений, значительно повышается усталостная прочность
ступенчатых и коленчатых валов. При обкатывании предел выносливости валов
повышается на 30-80 %. Обкатывание галтелей может осуществляться различными способами. На рис. 6.5 приведены наиболее часто применяемые схемы
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
накатывания галтелей однороликовыми инструментами. Простейший способ
обкатывания галтелей роликом, профильный радиус которого равен радиусу
галтели, показан на рис. 6.9, а.
Обкатка выполняется однороликовым инструментом упругого действия,
повернутым на 45° к оси обрабатываемой детали. Упрочнение этим способом
производится для галтелей с радиусом до 5 мм у жестких деталей, так как для
больших радиусов необходимы значительные усилия деформации. В этом случае применяют ролики с малым радиусом профиля, прибегая к схеме, показанной на рис. 3.5, и. Ролику сообщают подачу вдоль оси вала, при этом его профиль имеет двойную кривизну для уменьшения усилия деформирования. Обкатка роликом, профильный радиус которого меньше радиуса галтели (радиус
галтели r > 50 мм), осуществляется путем поворота ролика по профилю галтели
(рис. 6.9, в).
Круговая подача ролика по радиусу галтели требует применения сравнительно сложных устройств. Для обкатки галтелей с радиусом 10-15 мм используются ролики с биением рабочего профиля (рис. 6.9). Плотность симметрии
рабочего профиля ролика наклонена под небольшим углом к оси, перпендикулярной оси вращения. Такой наклон профиля ролика позволяет как бы постепенно накатывать галтель с небольшой площадкой контакта ролика с обрабатываемой поверхностью, что уменьшает усилие деформирования, прилагаемое
к ролику.
Рис. 6.9. Схема обкатывания инструметом с торовым роликом
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.10. Инструмент для накатывания галтелей наклонным роликом
На рис. 6.10 показана конструкция инструмента для накатывания галтели
наклонным роликом. В корпусе 10 на конических роликовых подшипниках 6 и
игольчатом 9 установлена ось 7 ролика 8, закрепленного на ней шпонкой и гайками. Державка 12 шарнирно соединена со шпилькой 4, на которую повернута
гильза 3. Усилие посредством пружины 5, установленной между стаканами 2 и
11, передается корпусу 10 и на деформирующий ролик. Усилие деформирования устанавливается путем вращения гильзы 3. Для облегчения вращения между торцом гильзы и стаканом 2 расположен упорный шарикоподшипник 1. Инструмент устанавливается в резцедержатель токарного станка с помощью державки 12.
Другой разновидностью ролика с биением рабочего профиля является
клиновидный ролик (схема обработки галтели показана на рис. 6.9, д.). У такого
ролика широкая сторона равна хорде, оттягивающей дугу обкатываемой галтели, а узкая имеет радиус несколько меньше радиуса профиля галтели, т.е. r ≤ R.
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Конструкция инструмента с клиновым роликом аналогична конструкции инструмента на рис. 6.10.
Инструменты с торовыми роликами. Деформируемые элементы этих
инструментов взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью в условиях
трения качения и трения скольжения. В основу их работы положено совмещение процессов накатывания и выглаживания обрабатываемой поверхности,
осуществляемое за счет особенностей кинематики деформирующего элемента
ротационного инструмента.
Схема обработки наружной цилиндрической поверхности инструментом
третьего класса показана на рис. 6.11. Обрабатываемая деталь устанавливается
в центрах токарного станка, а деформирующий ролик 1, рабочая поверхность
которого выполнена в виде тора, располагается так, что его ось вращения находится под двумя углами по отношению к образующей обрабатываемой поверхности: φ - в горизонтальной плоскости и γ - в вертикальной плоскости. Кроме
того, ось торового ролика может быть смещена вверх или вниз относительно
оси обрабатываемой поверхности на величину Н. В результате такого расположения оси торового ролика вектор окружности точки контакта ролика с обрабатываемой поверхностью не совпадает с направлением вектора скорости детали
в этой точке, в связи с чем ролик, вращаясь вокруг своей оси, проскальзывает
относительно поверхности детали. Величина проскальзывания определяется
коэффициентом
К
1
rp cos 
rp2 cos   cos 4   R sin   H  ,
2
где rp - радиус окружности ролика, контактирующий с деталью;
R - радиус обрабатываемой поверхности детали [21, 24]. .
Коэффициент проскальзывания выражает отношение окружных скоростей деформирующего ролика и обрабатываемой детали в точке их контакта.
При Н = 0 и γ =0 коэффициент проскальзывания К= 1, т.е. торовый ролик при
такой установке его оси не имеет проскальзывания. В этом случае инструмент
работает как обычный роликовый инструмент.
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.11. Торовый роликовый инструмент:
а - жесткий; б - упругий
Рис. 6.12. Однороликовый накатник с двумя деформирующими поверхностями
На рис. 6.12 показана конструкция торового роликового инструмента для
обработки наружных цилиндрических поверхностей. Торовый деформирующий
ролик 1 закрепляется на оси 3, установленной на игольчатых подшипниках 4 в
корпусе, инструмента 2. Осевое усилие накатывания воспринимается упорным
шарикоподшипником 5. Деформирующий ролик связан с обрабатываемой по135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
верхностью. При этом накатывание осуществляется за счет величины натяга, на
которую установлен ролик относительно обрабатываемой поверхности.
Конструкция инструмента упругого действия приведена на рис. 6.12, б. В
державке 5 инструмента с помощью гайки 8 закреплен стакан 2, в котором на
шарикоподшипниках 3 установлен деформирующий торовый ролик 1. Усилие
деформирования ролика создается через кольцо 6 и упорный шарикоподшипник 4 торированными тарельчатыми пружинами 7. Регулирование величины
усилия накатывания производится винтом 10, который стопорится гайкой 9.
Описанные инструменты обеспечивают шероховатость обработанной поверхности Rφ =0,16-0,32 мкм при следующих режимах обработки: усилие накатывания 1500-2000 Н, скорость вращения детали 1,6-2 м/с, подача 0,15-0,25
мм/об. Исходная шероховатость под накатывание должна соответствовать
Rφ =2,5-5 мкм, в качестве смазки следует применять машинное масло или сульфорезол.
Торовые однороликовые инструменты применяются для раскатывания
внутренних отверстий диаметром выше 120 мм.
Для обработки отверстий с небольшим диаметром (30-80 мм), разработаны однороликовые накатные инструменты с двумя деформирующими
поверхностями, уравновешивающими возникающие при раскатывании усилия
деформирования. Конструкция такого инструмента с жесткой связью деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью показана на рис. 6.13 а, б.
В оправке 1 инструмента под углом α к ее оси во втулке 2 (или на игольчатых
подшипниках) установлен накатной цилиндрический ролик 3, имеющий две
формирующие поверхности, образованные профилем тора. Ролик от выпадения
из оправки удерживается винтом (на рисунке не показан), конец которого входит в кольцевую канавку, выточенную на ролике. Центральное и наклонное отверстия, выполненные в оправке, являются каналами для подачи в зону обработки смазывающей жидкости. В процессе обработки ролик самоустанавливается по оси обрабатывающего отверстия.
Точки контакта деформирующего ролика лежат в плоскости, пер136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пендикулярной оси обрабатываемого отверстия. В этом случае диаметр ролика
находится по зависимости
α =D cosα + 2r (1 - cosα),
где D - диаметр обработанного отверстия; r - радиус тора.
7
6
5
Рис. 6.13. Двухроликовые раскатки отверстий
Рис. 6.14. Двухроликовое устройство упругого действия
Длина ролика находится по формуле
l = (D - 2r) sinα + 2r.
Раскатывание производится при определенной величине натяга, которая
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
для обработки отверстий диаметром 30-60 мм составляет 0,04-0,08 на диаметр,
причем меньшие значения натяга применяются для меньших диаметров отверстий. Для обеспечения постоянства натяга требуется, чтобы точность отверстия
под раскатывание была 7-8-го квалитетов. После раскатывания шероховатость
поверхности достигает Ra=0,16-0,63 мкм при соблюдении следующих режимов: скорость вращения детали 1,0-1,6 м/с, подача 0,08-0,16 мм/об.
Для обработки отверстий 9-10-го квалитетов используется однороликовый инструмент с двумя деформирующими элементами упругого действия (рис. 6.13, б). В оправке 1 под углом к ее оси установлен накатной ролик,
состоящий из двух частей 2 и 6, расположенных соосно и связанных между собой посредством винта 3 и тарельчатых пружин 5. Винт 7 предназначен для
предохранения от самоотвинчивания винта 3 в процессе обработки. Смазка в
зону обработки подается по каналам 4. Усилие деформирования, создаваемое
тарельчатыми пружинами и необходимое для пластического деформирования,
устанавливается по наибольшему предельному размеру отверстия.
Для получения шероховатости Ra=0,16-0,63 мкм необходимое усилие тарельчатых пружин в зависимости от диаметра обрабатываемого отверстия,
диаметра ролика и радиуса его поверхности должно быть 200-600 Н. Скорость
вращения детали и подача принимаются такими же, как при обработке жестким
инструментом.
Многороликовые инструменты. Несмотря на простоту конструкции и
настройки однороликовых инструментов, они имеют серьезный недостаток одностороннее действие деформирующих усилий на деталь, шпиндельный узел
и направляющие станка. Поэтому в большинстве случаев однороликовые инструменты используются для отделочной обработки, когда усилия деформирования сравнительно невелики, и упругий контакт между роликом и обрабатываемой деталью создается винтовыми или тарельчатыми пружинами для получения шероховатости малой величины. Упрочняющую обработку такими инструментами следует производить для крупных и жестких деталей.
Для создания замкнутой системы усилий, действующих на деталь, в се138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рийном и массовом производствах применяются многороликовые устройства,
усилия деформирования в которых осуществляются механическими (пружинами), гиравлическими и пневматическими нагружениями роликов.
На рис. 6.14 показана конструкция двухроликового устройства для накатывания наружных цилиндрических поверхностей с пружинным нагружением
роликов. На сварной направляющей 1 установлены два ползуна 2 и 3, перемещение которых осуществляется винтом 10, вращаемым маховичком 11. В прямоугольных отверстиях ползунов расположены призматические хвостовики вилок 4, на осях 5 которых на двух конических подшипниках установлены ролики
6. Нажатие роликов на обрабатываемую деталь с определенным усилием деформирования производится тарированными пружинами 7 через пальцы 8, тарелки 9 и гайки 12, с помощью которых предварительно регулируется величина
усилия накатывания.
На рис. 6.15 показаны двухроликовые головки для раскатывания отверстий 80-200 мм. Деформирующие ролики 3 (рис. 6.15, а) посредством игольчатых и двух упорных подшипников установлены на осях рычагов 2, которые
шарнирно соединены с корпусом 1 головки, установленным в шпинделе станка.
На концах рычагов закреплены сухари 4, имеющие скос. Они контактируют с
клином 5, постоянно прижатым пружиной 6 к сухарям, благодаря чему создается необходимое усилие накатывания за счет расклинивания сухарей. Диаметральный размер головки по роликам настраивается гайками 8. При работе головки между торцами гайки 7, регулирующей величину усилия накатывания, и
гайки 8 образуется зазор, так как при входе головки в отверстие диаметр ее
уменьшается и клин перемещается влево.
У двухроликовой головки (рис. 6.15, б) усилие деформирования на ролики 2, вращающиеся на шарикоподшипниках на осях 3, передается через стаканы 5 винтовой пружиной 6. При выходе головки из отверстия ролики расходятся до упора реи 3 в ограничительные фланцы 4. Вся система ролики - стаканы пружина может перемещаться в направлении, перпендикулярном оси обрабатываемого отверстия, копируя положение оси расточенного до раскатывания
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отверстия. Усилие деформирования у такой головки определяется длиной пружины и может регулироваться в небольших пределах за счет постановки в стаканы дисковых шайб.
Рассмотренные инструменты двухроликовых устройств имеют деформирующие ролики с материализованной осью вращения, что снижает деформирующую способность инструмента и создает опасность появления остаточных деформаций у маложестких деталей.
Двухроликовые накатные устройства могут применяться для обработки
сферических поверхностей. На рис. 6.16 представлена конструктивная схема
накатывания сферической поверхности двумя роликами с вогнутыми радиусными профилями. Головка содержит вилку 1 с запрессованным в ней шпинделем 2, поворотно установленном в корпусе 3, который ставится на место резцедержателя токарного станка. На осях 4 и иглах 5 в пазы вилки вмонтированы
два накатных ролика 6. Горизонтальная ось вращения вилки в корпусе проходит через центр шаровой поверхности.
б
4
3 2
Рис. 6.15. Двухроликовые раскатки отверстий:
а - диаметром 80-120 мм; б - диаметром 120-200 мм
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.16. Двухроликовые накатки для обработки сферических поверхностей
Рис. 6.17. Универсальная головка для обработки деталей
Просвет между роликами меньше диаметра накатываемой поверхности
на 0,5-1,5 мм. Натяг создается за счет упругой деформации вилки при перемещении головки на деталь. В процессе накатывания ролики своим вогнутым
профилем самоустанавливаются на шаровой поверхности. В головке оси роликов установлены в одной плоскости, которую располагают под некоторым углом α =12-15° к оси детали, что создает круговую самоподачу вилки.
Недостатком двухроликовых устройств при обработке наружных цилиндрических поверхностей маложестких деталей является возможность отжима
детали вверх или вниз, если имеется несоосность расположения роликов и де141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тали. Поэтому более целесообразным является применение трех- и четырехроликовых устройств [10, 21].
На рис. 6.17 показана конструкция универсальной трехроликовой головки для обработки маложестких деталей типа штоков и плунжеров, диаметр которых находится в пределах 55-120 мм. Державка 10 закрепляется в резцедержателе токарного станка. В паз державки входит палец 11, соединяющий качающуюся вилку с державкой. За счет этого обеспечивается самоустанавливаемость головки по обрабатываемой поверхности даже при наличии биения детали. В вилке на осях 12 установлены три деформирующих ролика 13, вращающихся на радиальных подшипниках. Качающаяся вилка 9 при помощи перемещающегося в ее пазу пальца 14 связана с рычагом 3, в котором установлен на
оси деформирующий ролик. Настройка инструмента на обработку валов различных диаметров производится перемещением рычага 3 с помощью винта 1,
который упирается в подвижный палец 14. После настройки винт стопорится
контргайкой.
Давление роликов на обрабатываемую поверхность создается гайкой 8,
которая через винт 5, тарельчатые пружины 6 и палец 4 заставляет поворачиваться вокруг пальца рычаг 3 с деформирующим роликом. Величина усилия
деформирования роликом контролируется закрепленным в вилке индикатором
7, ножка которого упирается в регулируемый упор 2, установленный на рычаге
3. Для удобства установки и снятия детали в качающейся вилке 9 имеется паз, в
который входит откидной винт 5. Для снятия детали со станка после накатывания необходимо отвернуть на 4-5 оборотов гайку 8, повернуть винт вокруг
пальца 4 против часовой стрелки и отбросить рычаг 3. Затем, вращая винт поперечной подачи, отвести головку от детали.
Головка может обеспечивать как упругий, так и жесткий контакт деформирующих роликов с обрабатываемой поверхностью. Для обеспечения жесткого контакта тарельчатые пружины снимаются с винта 5, и давление деформирующих роликов на обрабатываемую поверхность создается непосредственно
гайкой.
Процесс накатывания конических внутренних и передних поверхностей
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
широко используют на РУП «МАЗ» [19, 21].
На рис. 6.18 и 6.19 изображены полноконтактные раскатники и обкатники для обработки конических внутренних и наружных поверхностей одновременно по всей длине.
В раскатниках на рис. 6.18, а и обкатниках на рис. 6.19, а применяются
цилиндрические и конические ролики.
Раскатники и обкатники с цилиндрическими роликами применяются для
накатывания конусов с углами до 15°, а с коническими роликами— свыше 15°.
Раскатник на рис. 6.18, б предназначен для обработки отверстий небольшой глубины и наименьшим диаметром конуса от 6 мм. В нем применены
специальные конические ролики 3 с двумя конусами, рабочим и дополнительным. Рабочим конусом ролик прилегает к опорной конической поверхности
сменного сердечника 11, а дополнительным - к торцу упорной втулки 9, вставленной в сепаратор 2 и насаженной на сердечник 11 с возможностью вращения.
Положение роликов 3 на сердечнике 11 устанавливается посредством - компенсационного кольца 10.
В обкатниках (рис. 19, б) применены такие же ролики, как и в раскатнике на рис. 6.18, б. Рабочим конусом ролик прилегает к внутренней конической поверхности опорной втулки 4, а дополнительным - к торцу упорного
кольца 6, установленного в выточку втулки 5, насаженной на втулку 4 с возможностью вращения.
На РУП «МАЗ» для обработки плоских торцевых, шаровых и торовых
поверхностей используют раскатники и обкатники роликовые, приведенные на
рис. 6.20-6.22.
Для отделки и упрочнения отверстий и поверхностей на РУП «МАЗ» используют свыше 180 наименований инструмента. Обрабатывают втулки, крышки, корпуса, рычаги, стаканы, ступицы, кулаки, зубчатые колеса и другие детали, а также детали, входящие в передний мост, раздаточную коробку, задний
мост и детали, устанавливаемые на автобус. Диаметры и наружные поверхности включают размеры от 8 до 420 мм. Некоторые виды инструментов и типовые обрабатываемые детали приведены на рис. 6.34 - 6.38.
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обкатник, изображенный на рис. 6.20, предназначен для обработки плоской торцовой поверхности, представляющей круговой пояс (уступ), ограниченный двумя окружностями и расположенный в глубине отверстия. Такого типа
обкатниками возможна обработка внешних и внутренних поясов шириной до
25 мм. В этих обкатниках применены специальные ролики 5, которые содержат
рабочий конус и цапфу с дополнительным упорным конусом.
Рабочим конусом ролики опираются на нажимной конус опорной втулки
3, а дополнительным - прилегают к внутренней конической поверхности той же
втулки.
Рис. 6.18. Раскатники роликовые для обработки внутренних конических
поверхностей:
а - с цилиндрическими роликами; б - с коническими; 1 - оправка; 2 - сепаратор; 3 - ролик; 4 обойма; 5 - гайка регулировочная; 6 - винт; 7 - подшипник упорный; 8 - гайка; 9 - втулка
упорная; 10 - кольцо: 11 - сердечник;
12 - пружина тарельчатая; 13 – втулка
Ролики в пазах сепаратора установлены так, что вершины их рабочих конусов расположены на оси вращения обкатника.
Конструкция данного обкатника позволяет одновременно с обработкой
плоской поверхности уступа накатывать поверхность радиусного скругления
(галтели) в зоне пересечения уступа с отверстием большего диаметра. Для этого
внешний (больший) торец ролика выполняется выпукло-сферическим с радиусом сферы, равным радиусу большей окружности, а кромка скругляется радиу144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сом, равным радиусу заданной галтели.
Рис. 6.19. Обкатники роликовые для обработки наружных конических
поверхностей:
а - с цилиндрическими роликами; б - с коническими; 1 - корпус; 2 - сепаратор; 3 - ролик; 4 втулка опорная; 5 - втулка; 6 - кольцо упорное; 7 - гайка; 8 - подшипник упорный; 9 - пружина тарельчатая; 10 - втулка; 11 - гайка; 12 - штифт; 13 - крышка; 14 - винт; 15 - шпонка
Аналогичной конструкции выполняются обкатники типа насадного инструмента, который применяется для обработки торцовых поверхностей при
прямом и обратном рабочем ходе шпинделя станка.
На рис. 6.21 приведены многороликовые раскатники для обработки шаровых сегментов (рис. 6.21, а) и поясов (рис. 6.21, б) диаметром от 20 мм. В
обоих раскатниках применены профильные бочкообразные ролики с радиусом
профиля, равным радиусу накатываемой поверхности.
На рис. 6.21, а ролики 3 опираются на радиусную поверхность сменного
сердечника 4, вставленного хвостовиком в отверстие оправки 1. Совмещение
профиля роликов с накатываемой поверхностью производится путем перемещения сепаратора 2 вдоль оси в одну либо в другую сторону регулировочной
гайкой 7. В данном раскатнике ролики упруго воздействуют на обрабатываемую поверхность. Усилие от шпинделя станка к роликам 3 передается через
хвостовик 9, тарельчатые пружины 8, оправку 1 и сердечник 4.
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раскатник на рис.6.21, б отличается от раскатника на рис. 6.21 а конструктивным исполнением отдельных деталей, что обусловлено большими размерами накатываемой шаровой поверхности.
Данный раскатник выполняется, как жесткий инструмент. При необходимости упругого воздействия роликов на обрабатываемую поверхность
раскатник соединяется со шпинделем станка через упругий элемент. Совмещение поверхностей роликов с обрабатываемой поверхностью производится осевым перемещением опорной втулки 16. Это выполняется путем шлифования
торца компенсационного кольца 15 либо замены его другим.
На рис. 6.22 изображены раскатники для обработки внутренней торовой
поверхности (округления кромки) небольшого радиуса, в частности радиуса 1,6
мм в деталях соединения трубопроводов с конусными муфтами (ниппели, штуцеры, тройники, угольники).
Раскатники на рис. 6.22, а предназначены для обработки радиуса в отверстиях с номинальными диаметрами от 8,3 мм (для диаметров меньше 8,3 мм
применяются однороликовые раскатники).
В раскатнике на рис. 6.22, а ролики 3 содержат три конических пояса,
профильную канавку и цилиндрическую цапфу. Поверхность канавки является
деформирующей, взаимодействующей с обрабатываемой деталью.
Рис. 6.20. Обкатник роликовый для обработки плоской торцовой поверхности:
1 - оправка; 2 - корпус; 3 - втулка опорная; 4 - сепаратор; 5 - ролик; 6 - втулка;
7 - шайба; 8 - гайка; 9 - шпонка; 10 - пружина тарельчатая; 11 - штифт
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Двумя коническими поясами ролики опираются на конус сердечника 12,
а третьим - упираются в торец упорной втулки 4.
Раскатник на рис. 6.22, б по своему конструктивному исполнению является более простым инструментом, чем раскатник на рис. 6.22, а. Однако раскатниками такого типа возможна обработка радиусов в отверстиях диаметром
от 15 мм. Ролики 3 выполнены в виде цилиндрических стержней, на одном
конце которых имеются радиусные рабочие участки, а на другом — конические
опорные пояса.
Рис. 6.21. Раскатники роликовые для обработки шаровых вогнутых
поверхностей: а - шаровых сегментов; б - шаровых поясов
1 - оправка; 2 - сепаратор; 3 - ролик; 4 - сердечник;
5 - подшипник упорный; 6 - обойма; 7 - гайка регулировочная;
8 - пружина тарельчатая; 9 - хвостовик; 10 -штифт; 11- фланец;
12 - упор; 13 - шпонка; 14 - гайка; 15 - кольцо; 16 – втулка
147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Цилиндрическими участками ролики прилегают к поверхности направляющего стержня оправки 1, а опорные их пояса охватываются конической поверхностью упорной втулки 4. Рабочие участки роликов относительно направляющей поверхности стержня оправки 1 расположены консольно.
Ролики 3 в сепараторе 2, а также сепаратор на оправке 1 удерживаются
обоймой 5, насаженной на сепаратор и прикрепленной к нему винтами 13. Отверстие в обойме 5 и наружный диаметр сепаратора 2 выполнены так, что между обоймой и роликами образован зазор.
При обработке деталей ролики рабочими радиусными участками раскатывают обрабатываемую поверхность, стержневыми участками катятся по
направляющей поверхности стержня, а упорными — взаимодействуют с конической поверхностью упорной втулки 4, насаженной на сепаратор с возможностью вращения. Усилие от шпинделя станка на ролики передается через ртулку
8, тарельчатые пружины 7, оправку 1, упорный шариковый подшипник 6 и
упорную втулку 4.
Резким накатывания роликовым инструментом. В зависимости от
назначения обработки ППД - отделочная, упрочняющая или отделочноупрочняющая, режим обработки будет различным. В первую очередь это относится к усилию деформирования, так как путем изменения его величины можно
в значительной степени управлять процессом накатывания, обеспечивая заданные свойства поверхностного слоя.
Для приближенного определения усилия накатывания роликом с цилиндрическим пояском при отделочной обработке служат формулы
а) для наружных цилиндрических поверхностей
P
Dbq 2
;
D 
0,126 E   1
d

б) для внутренних цилиндрических поверхностей
P
Dbq 2
;
D 
0,18E   1
d

148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где D - диаметр обрабатываемой поверхности; b - ширина цилиндрического пояска ролика; q - наибольшее удельное давление; Е - модуль упругости обрабатываемого материала; d - диаметр деформирующего ролика.
Рис. 6.22. Раскатники роликовые для обработки внутренней торовой
поверхности: а - в отверстиях диаметром 8,3-20,3 мм; б - в отверстиях диаметром
15,3-30,3 мм:
1 - оправка; 2 - сепаратор; 3 - ролик; 4 - втулка упорная; 5 - обойма;
6 - подшипник упорный; 7 - пружина тарельчатая; 8 - втулка; 9 - штифт; 10 - гайка;
11 - гайка регулировочная; 12 - сердечник; 13 - винт
Значение удельного давления при ориентировочных расчетах можно
принять q = (1,8-2,1)σt, где σt - предел текучести обрабатываемого материала.
Его значения в зависимости от материалов и исходной шероховатости поверхности приведены в табл. 6.10.
Подачу при накатывании можно определить, исходя из заданной шероховатости после обработки ППД, по формуле
S  2 2rRz .
В связи с тем, что расчетная формула не учитывает пластическое течение
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
металла, величину исходной шероховатости, упругое последействие и т.д., величину расчетной подачи необходимо уменьшать на 20 % для достижения шероховатости Rа=0,32-0,63 мкм и на 40 % - для достижения Rа=0,08-0,32 мкм.
При работе роликом с цилиндрическим пояском подачу принимают S=0,3
мм/об для обеспечения шероховатости Ra= 0,32-0,63 мкм.
Таблица 6.10
Значение параметров обкатывания
Удельное
давление,
МПа
Предварительная обработка
под накатывание
Материал
Стали 10,20,35
Обточка
Расточка
Шлифование
Развертывание
0,45-1,1
0,2-0,45
-
20-80
10-20
1,25-2,5
до 1,25
80-1100
600-800
400-700
200-450
Стали 45,45 Г
Обточка
Расточка
Шлифование
Развертывание
0,45-1,1
0,2-0,45
-
20-80
10-20
1,25-2,5
до 1,25
1200-1400
1000-1200
500-800
350-500
Латунь Л=62
Обточка
0,45-1,1
20-80
800-1100
Расточка
Развертывание
0,2-0,45
-
10-20
до 1,25
600-800
200-450
Обточка
Расточка
Шлифование
Развертывание
0,45-1,1
0,2-0,45
-
20-80
10-20
1,25-2,5
до 1,25
850-1100
600-800
400-700
200-450
Чугун СЧ 12
При упрочняющей обработке, когда накатыванием создается наклепанный слой, величину усилия деформирования можно определить по следующей зависимости: Р=2а2 σт2,
где а - глубина наклепанного слоя, величина которой выбирается в пределах
0,02R ≤ а ≤ 0,1R (R - радиус упрочняемой детали); т - поправочный коэффициент, учитывающий кривизну контактирующих поверхностей.
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Величина коэффициента т определяется по формуле


1
m  1  0, 07 
121 1
2 a r R
пр



,



где d - диаметр обрабатываемой детали; r - радиус профиля ролика; Rпр - радиус
профиля детали в осевом сечении.
В качестве смазки при отделочном и упрочняющем накатывании следует
применять машинное и веретенное масло, эмульсию.
6.2.3. Накатывание и раскатывание шариковыми инструментами
Шариковые накатные инструменты по сравнению с роликовыми обладают рядом преимуществ - простотой конструкций, небольшими габаритами,
возможностью использования стандартных шариков от шарикоподшипников.
Они не требуют точной установки инструмента относительно обрабатываемой
детали, так как самоустанавливаются. Шарики имеют точечный контакт с обрабатываемой поверхностью, обеспечивающий создание больших удельных давлений при малых усилиях деформирования. Все эти качества определяют область применения шарикового инструмента: размерно-чистовая и упрочняющая
обработка тонкостенных деталей, маложестких деталей с большим отношением
длины к диаметру, а также деталей, имеющих неравную жесткость в радиальном направлении. Шариковые инструменты являются рентабельными при использовании их в единичном и малосерийном производстве [10, 17, 19].
По сравнению с роликовым инструментом, имеющим линейный контакт,
производительность инструмента с шариковыми деформирующими элементами
значительно ниже, что связано с точечным контактом шариков. В этом и заключается их основной недостаток.
Одношариковые инструменты. Жесткий одношариковый инструмент,
используемый на токарных и карусельных станках, показан на рис. 6.23, а. В
корпусе 5 на осях 6 и 7 установлено два шарикоподшипника 4 и 8, которые являются опорой шарика 1, удерживаемого в корпусе инструмента от выпадения
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сепаратором 2. Сепаратор к корпусу крепится винтами 3.
Жесткие шариковые инструменты имеют высокую чувствительность к
натягу, устанавливаемому при настройке инструмента на обработку, поэтому
более широкое распространение получили шариковые инструменты упругого
действия. Два из них показаны на рис. 6.23. У инструмента (рис. 6.23, б) деформирующий шарик 1 опирается на шарикоподшипник 3, установленный на
оси 4 в пазу оправки 5. Колпачок 2 удерживает шарик от выпадения из оправки.
Усилие деформирования создается тарированной пружиной 8, упирающейся
одним концом в оправку 5, а другим - в пробку 9, вынесенную в державку 6 инструмента и закрепляемую в резцедержателе токарного станка. Винт 7 предназначен для удерживания оправки в державке. При обкатывании шарами диаметром более 5 мм в качестве опор стали применять фторопластовые подкладки.
Фторопласт марок ФПЗ И ФП4 имеет малый коэффициент трения и высокую износостойкость, что обеспечивает надежную работу накатных шариковых инструментов.
На рис. 6.23, в приведена конструкция одношарикового инструмента, у
которого в качестве опоры деформирующего шарика 1 использован фторопласт
3, расположенный в выточке оправки 4, удерживаемой от поворота шпонкой 5.
Державка 6, винт 7, пружина 8 и пробка 9 имеют те же значения, что и инструмент, приведенный на рис. 6.23, б. Для обработки отверстий диаметром 30-70
мм можно использовать универсальный инструмент, конструкция которого
приведена на рис. 6.24. В державке 6 на оси 5 установлена двуплечная планка,
на одном конце которой на ось 1 напрессован шарикоподшипник 2, являющийся опорой деформирующего шарика 3. В другом конце планки ввернут винт 9,
упирающийся в скользящий палец 7 с фланцем. Между державкой 6 и фланцем
пальца находится пружина 8, передающая усилие накатывания на деформирующий шарик посредством двух плеч планки 4. Необходимое усилие накатывания устанавливается винтом 9.
152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.23. Одношариковые накатники: а, б - с упором шарика на шарикоподшипник; в - с упором шарика на фторопластовую вставку
Многошариковые инструменты. Многошариковые инструменты служат
для устранения одностороннего усилия накатывания на обрабатываемую деталь, повышения производительности обработки, увеличения степени упрочнения за один проход инструмента. Наибольшее распространение получили многошариковые инструменты упругого действия, которые по сравнению с роликовыми инструментами при обработке маложестких и неравножестких деталей
обеспечивают более равномерную пластическую деформацию как в радиальном, так и в осевом сечениях. На рис. 6.25 показан двухшариковый инструмент
153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
для обработки отверстий диаметром до 50 мм. Деформирующие шарики 10 и 12
опираются на шарикоподшипники 9 и 11, оси которых установлены в рычагах 1
и 6. Рычаги могут поворачиваться вокруг общей оси под действием пружины 2,
усилие которой регулируется винтом 3. Ход рычагов ограничивается винтом 5.
Рычаги установлены в оправке 7, с помощью которой инструмент закрепляется
в гнезде револьверного станка. Сепараторы 4 служат для удержания шариков в
отверстиях рычагов.
Двухшариковая головка для обработки отверстий свыше 130 мм показана
на рис. 6.26. В корпусе 1 инструмента расположены два стакана 2, в которых
находятся вилки 11 с установленными в них шарами 7, опирающимися на шарикоподшипники 9, сидящие на осях 6. Шарики удерживаются колпачками 8,
которые контрятся гайкой 10. Как стакан 2 в корпусе, так и вилка 22 в стакане
удерживаются от поворота винтами 4. Усилие пружины регулируется винтом 3,
ввертываемым в стакан 2. Настройка инструмента на определенное усилие
накатывания осуществляется в вынутых из корпуса стаканах 2 вместе с вилкой
11. Затем стаканы вставляются в корпус, устанавливаются на требуемый размер
(значения диаметров обрабатываемого отверстия нанесены в виде шкалы на
наружной поверхности стакана) и закрепляются винтами.
Рис. 6.24. Одношариковая раскатка для отверстий Ø30 - 70 мм
На рис. 6.27 показано трехшариковое накатное устройство, предназначенное для накатывания штоков, поршней и валов диаметром 55-120 мм.
Деформирующие шары 6 устанавливаются во вставках 13 и опираются на шарикоподшипники, закрепленные на осях 10.
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.25. Двухшариковая упругая раскатка для отверстий Ø30 - 50 мм
Вставки расположены в вилке 5 и рычаге 1 и крепятся с помощью винтов
14. Настройка устройства на обработку деталей определенного диаметра производится путем перемещения вставок с помощью винтов 8, закрепленных в
крышке 7. Деформирующие шары могут иметь с обрабатываемой поверхностью как упругий, так и жесткий контакт. В первом случае необходимое давление шаров на обрабатываемую поверхность создается гайкой 2 через тарельчатые пружины 3. Во втором случае тарельчатые пружины снимаются и усилие
передается непосредственно гайкой.
Соединение вилки 5 с державкой 12 в устройстве посредством пальца 11,
входящего в паз державки, позволяет накатной головке самоустанавливаться
относительно обрабатываемой поверхности.
Планетарные накатные инструменты всё больше применяются для обработки не только цилиндрических, но и для накатывания плоских, сферических
и других поверхностей.
На рис. 6.28, а показана многошариковая ротационная головка жесткой
конструкции, а на рис. 6.28, б – шариковая головка упругого действия. Обе головки, предназначенные для обработки плоскостей, состоят из деформирующих
шаров 2, установленных в сепараторе 1, который напрессован на наружное
кольцо шарикоподшипника 5. Шары опираются на беговую дорожку кольца 3,
в качестве которого используется стандартное кольцо упорного шарикопод155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
шипника. Сепаратор вместе с подшипником установлен на выступе хвостовика
9 (рис. 6.28, а) или корпуса 15 (рис. 6.28, б) и посредством гайки 8, винта 7,
пружины 6 и шайбы 4 поджимает шары к дорожке кольца 3. Усилие пружины
регулируется гайкой 8.
У головок упругого действия (рис. 6.28, б) корпус 15 соединён с хвостовиком 9 шпонкой 14. Между хвостовиком и корпусом находится тарельчатая
пружина 12, усилие которой регулируется гайкой 13, заходящей буртиком в
выступ кольца 11, привёрнутого к хвостовику винтами 10. После регулировки
гайка стопорится винтами на корпусе головки, который установлен на выступе
хвостовика по скользящей посадке, благодаря чему имеет возможность осевого
перемещения.
Рис. 6.26. Двухшариковая раскатная головка упругого действия для отверстий
Ø 80 – 130 мм
Жесткие и упругие многошаровые раскатники выполняют регулируемыми на размер обрабатываемого отверстия и нерегулируемыми. Жесткие
раскатники получили меньшее распространение, их применяют лишь для обработки жестких деталей, когда помимо улучшения характеристик поверхностно156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
го слоя необходимо повысить точность размеров отверстия.
Рис. 6.27. Трехшариковое накатное устройство для обработки штоков
Ø 50 – 120 мм
Рис. 6.28. Многошариковые накатные головки для обработки плоскостей:
а – жесткая; б – упругая
Нерегулируемые жесткие раскатники (рис. 6.29) имеют сменные опорные
элементы различных диаметров.
Регулируют диаметр раскатников путем перемещения деформирующих
шаров по конусу или с помощью рычагов, упоров и других механизмов. Жест157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кие раскатники для обработки отверстия напроход (рис. 6.30, а, в) и глубокого
отверстия (рис. 6.30, б) выполняют регулируемыми. Необходимо учитывать,
что при обработке глухого отверстия остается необработанным участок шириной не меньшей радиуса шара.
Рис. 6.29. Многошаровые жесткие раскатники со сменными опорами в виде:
а – стержня; б – диска; в – ролика; 1 – сепаратор; 2 – шар; 3 – опора
Основные параметры жестких раскатников диаметром 50–200 мм для обработки отверстий с толщиной стенки 7–22 мм приведены в табл. 6.11.
Жесткие многошаровые раскатники диаметром 40–300 мм (рис. 6.30, в, г)
нормализованы.
В целях достижения минимальной шероховатости обрабатываемой поверхности для каждого раскатника рабочие шары необходимо подбирать с разностью диаметров не более 2 мкм.
Основным параметром при обработке жесткими раскатниками является
натяг: с его увеличением до определенного значения улучшаются параметры
обрабатываемой поверхности; при увеличении натяга более допустимого резко
ухудшаются условия обработки. Оптимальный натяг 0,07–0,09 мм для сталей
невысокой и средней твердости и 0,08–0,12 мм для высокопрочных сталей при
обработке шаром диаметром 10 мм; с увеличением диаметра шара натяг увеличивается. Скорость раскатывания 20–160 м/мин, подача 0,02–0,11 мм/об на
один шар раскатника при диаметре шаров соответственно 10–30 мм.
Усложнение конструкции и увеличение стоимости двухрядного жесткого
раскатника по сравнению с однорядным в условиях среднесерийного и крупно158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
серийного производства оправданы, так как повышается производительность
вследствие совмещения двух рабочих ходов. Например, при малой жесткости
детали и высоких требованиях к шероховатости поверхности целесообразно
проектировать многорядные раскатники с шарами различного диаметра в рядах
(рис. 6.31).
Таблица 6.11
Основные параметры жестких раскатников, мм
Диаметр
раскатника
шара
Число
шаров
Толщина стенки
отверстия
50
65
70
75
80
90
100
110
125
150
200
9,5-12,5
12,5-16,0
12,5-16,0
12,5-16,0
19,0
19,0
19-25
19-25
25,0
25,0
25-32
6-8
8-10
8-10
8-10
8
8
6-10
6-10
10
12
12-16
7,0
7,5-8,0
8
9
10
10-12
12
12
12-15
15-17
20-22
В этом случае шары меньшего диаметра в первом ряду (в направлении
подачи) выполняют основную работу деформирования – сглаживание микронеровностей исходной поверхности, а шары большего диаметра во втором ряду –
второй чистовой рабочий ход.
Упругие многошаровые раскатники имеют широкую область применения, чем жесткие. Они обеспечивают более плавную и надежную работу,
менее чувствительны к изменению геометрических параметров детали и обеспечивают стабильное качество поверхностного слоя.
При необходимости сочетания калибрующего и выглаживающего действия за один рабочий ход применяют комбинированные раскатники (рис.6.32).
Первый ряд шаров 1 опирается на жесткий конус 2 и удерживается сепаратором
3, жестко закрепленным на корпусе раскатника. На том же корпусе закреплены
неподвижный 4 и подпружиненный 5 конусы, по которым планетарно обкатываются шары 6.
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Силу шаров второго ряда регулируют путем сжатия пружины 7 гайками
8. При выводе раскатника из отверстия шары жесткого ряда смещаются влево
вместе с сепаратором и происходит «сброс размера», после чего кольцо 9 под
действием пружины 10 возвращает шары в исходное положение.
Раскатник целесообразно применять в условиях крупносерийного производства для обработки отверстий деталей, к поверхностному слою которых
предъявляют повышенные требования. Большее распространение получили
планетарные раскатники с пружинными конусами: одно-, двух- и трехрядные
(рис. 6.33). Шары 1 опираются на неподвижный 2 и подвижный 3 конусы.
Последний поджат пружиной 4 через упорный подшипник 5, регулируют
силу пружины с помощью гайки 6 и контргайки 7. Сепаратор 8 удерживает шары. Вместо пружин в раскатнике часто используют пневмогидравлические
устройства для перемещения конусов.
Параметры раскатывания отверстий приведены в таблице 6.12.
Таблица 6.12
Параметры раскатывания отверстий
Параметр
Сила раскатывания, Н
Подача, мм/об
Скорость раскатывания, мм/мин
Параметр шероховатости
Ra, мкм:
исходный
достигаемый
Диаметр обрабатываемых отверстий, мм
30—60
60—130
130—160
165—400
300
600
500
800
0,15—0,25
0,2—0,3
0,2—0,3
0,3—0,5
50—60
50—60
50—60
50—60
1,6—6,3
0,2—0,4
1,6—6,3
0,2—0,4
1,6—6,3
0,1—0,2
1,6—6,3
0,2—0,4
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А-А
Рис. 6.30. Жесткие регулируемые раскатники для обработки отверстий:
а – сквозных; б – глухих; в – сквозных, нормализованных для диаметра свыше 55 мм;
г – для диаметра до 55 мм; 1 – фланец; 2 – конусная втулка: 3 – втулка;
4 – валик; 5 – ось; 6 – пружина; 7 – гайка; 8 – корпус; 9 – штуцер; 10 – колодка;
11 – сепаратор: 12 – гайка; 13 – контровка, 14 – шарикоподшипник: 15 – гайка;
16 – контровка; 17 – винт; 18 – сетка; 19 – вставка; 20 – кольцо; 21 – шарик
Рис. 6.31. Жесткий двухрядный раскатник
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.32. Комбинированный упругожесткий двухрядный раскатник
Рис. 6.33. Упругие раскатники с опорой шаров на подпружинный конус:
а - однорядный; б – двухрядный
Рис. 6.34. Раскатники многороликовые регулируемые для сквозных
цилиндрических отверстий:
а – Ø 360 мм и глубиной 2250 мм; б – Ø 125 мм; в – Ø 32 мм
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
в
Рис. 6.35. Раскатники многороликовые полноконтактные регулируемые для
сквозных цилиндрических отверстий:
а – Ø 42 мм; б – Ø 20 и 38 мм; в – Ø 80 мм
а
б
Рис. 6.36. Раскатники 3-х роликовые полноконтактные для конических отверстий: а – угол обработки 14°30'; б – угол обработки 74°
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
Рис. 6.37. Раскатники 3-х роликовые для обработки сферических поверхностей:
а – внутренней сферической поверхности Ø 35мм;
б – сферической торцевой поверхности Ø 100 мм
Рис. 6.38. Раскатник 3-х роликовый регулируемый для глухих цилиндрических
отверстий Ø 440 мм
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. АЛМАЗНОЕ ВЫГЛАЖИВАНИЕ
7.1. Сущность процесса и конструкции инструментов
Алмазное выглаживание используется с целью получения высокого качества поверхностного слоя деталей и повышения их эксплуатационных свойств.
Им можно обрабатывать детали из углеродистых, легированных и закаленных
на разную твердость сталей, чугунов, алюминиевых сплавов, бронзы, латуни и
т.д. [10, 24, 25].
Алмазное выглаживание представляет собой процесс пластического деформирования исходного микропрофиля под действием усилия, приложенного
к алмазу (или другому сверхпрочному материалу). Пластическая деформация
метатла приводит к сглаживанию микрогребешков обрабатываемой поверхности и заполнению впадин микропрофиля объемом сдеформированных гребешков.
Специфические свойства инструментального материала при алмазном
выглаживании обеспечивают высокую твердость, малый коэффициент трения
при работе по металлической поверхности, значительную износостойкость, хорошую теплопроводность и термостойкость. Кроме того, алмаз легко полируется до шероховатости Ra = 0,02 - 0,08 мкм. Все эти свойства алмаза позволяют
обрабатывать ППД любые материалы с различной твердостью (до 62 - 63 HRC
и выше).
Выглаживанием можно получить шероховатость обработанной поверхности Ra = 0,08 - 0,32 мкм, при этом образуется наклепанный слой, глубина
распространения которого достигает нескольких десятых миллиметров, а степень упрочнения составляет от 40 до 200 %. В упрочненном слое наводятся
сжимающие остаточные напряжения, достигающие 700 - 900 МПа. Все эти характеристики поверхностного слоя позволяют значительно увеличить износостойкость, контактную усталостную прочность, коррозионную стойкость и др.
Использование в качестве деформирующего элемента алмаза с радиусом
закругления 0,5 -3 мм требует малых усилий деформирования, в связи с чем
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
выглаживанием можно обрабатывать детали с небольшой толщиной стенок (до
0,5 мм) и небольшими диаметрами (4 - 5 мм).
Алмазный выглаживающий инструмент обладает весьма высокой стойкостью, достигающей 40 - 50 ч. машинного времени, что способствует экономической эффективности процесса алмазного выглаживание. Алмазный инструмент выполняется в виде цилиндрической державки из стали 12ХНЗА или
40Х и закрепленного в ней с помощью пайки кристалла алмаза. Рабочая поверхность выглаживателя может иметь форму сферы, цилиндра, кругового тора
или конуса. Наиболее распространенной в силу ее универсальности является
сферическая форма. Она применяется для выглаживания наружных, внутренних и торцовых поверхностей.
Алмазный выглаживающий инструмент со сферической рабочей поверхностью выпускается с размерами радиусов сферы от 0,5 до 4 мм с градацией
через каждые 0,5 мм. Для его изготовления используются природные кристаллические алмазы, а также синтетические алмазы, представляющие собой поликристаллы размером до 5 - 6 мм. Алмазное выглаживание может осуществляться инструментами с жестким и упругим контактом деформирующего элемента
с обрабатываемой поверхностью.
На рис. 7.1, а показана конструктивная схема жесткого инструмента, выполненного в виде корпуса 2 с закрепленным в нем винтом алмазным выглаживателем 1. Корпус устанавливается в резцедержателе токарного станка. Обработка детали осуществляется за счет внедрения алмазного выглаживателя на
некоторую величину натяга, зависящую от ряда факторов.
Высокая чувствительность к величине натяга при жестком закреплении
выглаживателя приводит к определенным ограничениям жесткости системы
станок-приспособление-инструмент-деталь (СПИД) и величины биения обрабатываемой поверхности. Инструментом с жестким закреплением следует работать на станках с повышенной жесткостью при минимальной величине биения
шпинделя (не более 0,015 мм). Выглаживание этим инструментом рекомендуется применять для обработки высокоточных деталей и выполнять операцию за
166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
одну установку с предварительной обработкой.
При обработке с упругим контактом деформирующего элемента обрабатываемой поверхности необходимое усилие деформирования устанавливается
посредством пружины. В этом случае деформирующее усилие поддерживается
почти постоянным в процессе обработки, так как при наличии даже сравнительно большого биения обрабатываемой поверхности изменения радиальных
усилий будут незначительны.
На рис. 7.1, б приведена конструкция инструмента для обработки наружных поверхностей, у которых упругий контакт осуществляется с помощью цилиндрической пружины. Инструмент устанавливается в резцедержателе токарного станка посредством корпуса 6, в котором под действием тарированной
пружины перемещается стержень 5 с закрепленным на нем винтом алмазным
наконечником 4. Упор, установленный на стержне 5 инструмента, ограничивает
его перемещение относительно корпуса. Регулировка необходимого усилия деформирования осуществляется винтом 1 и пружиной 2. Индикатор 3 предназначен для контроля усилия деформирования, установленного для осуществления процесса выглаживания.
Перед началом работы пружина предварительно деформируется на определенную величину, а в момент касания алмаза обрабатываемой поверхности
она дополнительно сжимается до заданного усилия деформирования.
Недостаток пружинных выглаживателей - возникновение вибраций при
работе с большой частотой вращения обрабатываемой детали. Меньшей чувствительностью к вибрациям обладают инструменты, обладающие повышенной
упругостью за счет утонения определенной части их корпусов.
На рис. 7.2 приведены конструкции выглаживающих инструментов, у которых упругость создается толщиной перемычки, равной 2 -4 мм. Инструмент
(рис. 7.2. а) предназначен для обработки гладких цилиндрических поверхностей. В отверстие упругой части корпуса 2 винтом 4 закрепляется алмазный
наконечник.
167
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7.1. Алмазные выглаживатели для обработки наружных цилиндрических
поверхностей: а – с жестким контактом алмаза с обрабатываемой поверхностью; б – с упругим контактом алмаза с обрабатываемой поверхностью
С другой стороны корпуса в отверстии державки установлен шток 3, контактирующий с пуговкой индикатора 1, регистрирующего перемещение упругой части инструмента, так как шток другой стороной упирается в головку с
алмазным выглаживателем.
Для установления необходимого усилия выглаживания державка инструмента предварительно тарируется. Она изготавливается из стали У8 и закаливается до твердости 45-48 HRC. При биении обрабатываемой поверхности до 0,1
мм применяется державка, с толщиной перемычки а = 2 мм, если биение меньше - применяется более жесткая державка, например, с толщиной 4 мм.
Выглаживание прерывистых наружных поверхностей осуществляется
упругим инструментом (рис. 7.2, б). Упругие свойства создаются за счет перемычки корпуса толщиной а и резиновой подкладки 6. Назначение деталей 1, 3 и
7 такое же, как и у инструмента, представленного на рис. 7.2, а. Винт 4 с контргайкой 5 служит для создания предварительного нагружения державки и ограничения радиального перемещения алмазного наконечника при попадании его в
пазы, отверстия, выточки и т.п., имеющиеся на обрабатываемой поверхности.
Для обработки отверстий предназначены инструменты, показанные на
рис. 7.3.
168
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7.2. Алмазные выглаживатели упругого действия для обработки наружных
цилиндрических поверхностей:
а – с перемычкой; б – с перемычкой и резиновой прокладкой
Усилие деформирования создается цилиндрическими пружинами. На рис.
7.3, а приведена конструкция для обработки отверстий свыше 15 мм. В корпусе
1 на оси 9 в двух шарикоподшипниках установлена оправка 7 со сменным алмазным наконечником 8. Закрепление индикатора 2, с помощью которого осуществляется установка требуемого усилия деформирования, производится
кронштейном 3, размещенным на оправке 7. Усилие пружины 5 равно усилию,
с которым алмазный наконечник прижимается к обрабатываемой поверхности,
так как отношение плеч оправки равно 1:1. Шарнирный болт 4 сидит на оси 6,
вокруг которой при поджиме пружины 5 происходит некоторый поворот болта.
На рис. 7.3, б показана конструкция пружинного инструмента для выгла169
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
живания отверстий свыше 28 мм. В корпусе 5 на штифте 4 установлен сухарь 2,
в котором винтом 1 крепится алмазный наконечник. Вылет алмазного наконечника регулируется винтом 3. Серьга 9, ввернутая в сухарь 2, соединена пружиной растяжения 8 с тягой 7, предназначенной для создания определенного усилия натяжения пружины 8. Необходимое усилие пружины обеспечивается
навинчиванием гайки 6 на винт 7, в результате чего пружина растягивается и
прижимает алмазный наконечник к обрабатываемой поверхности. Величина
усилия деформирования устанавливается по шкале, нанесенной на лыске винта
7. Инструменты для обработки отверстий с упругими державками приведены
на рис. 7.4. У инструмента (рис. 7.4, а) усилие создается упругой державкой 1, в
отверстие которой устанавливается алмазный наконечник. Деформация оправки передается двуплечим рычагом 2, установленным на оси в колодке 3, к штоку 4. перемещение которого регистрируется индикатором 5. Для определения
нужной величины деформации державки, соответствующей заданному усилию
выглаживания, производится тарировка державки.
Инструмент, показанный на рис. 7.4, б, предназначен для обработки прерывистых отверстий. Основной его частью является державка с упругой рабочей частью. Шпилька 3, гайка 4 и контргайка 2 служат для предварительного
нагружения державки и ограничения радиального перемещения алмазного выглаживателя в радиальном направлении, чем предотвращается его попадание в
отверстия, пазы, имеющиеся на обрабатываемом отверстии.
7.2. Шероховатость и точность выглаженных поверхностей
Наибольшее влияние на величину мнкронеровностей выглаженной поверхности при жестком контакте инструмента с поверхностью обработки оказывает величина натяга, а при упругом - величина усилия деформирования,
приложенного к алмазному наконечнику.
Для всех материалов характер изменения шероховатости от увеличения
силы деформирования одинаков.
170
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7.3. Алмазные выглаживатели для обработки отверстий:
а – для диаметров 15-30 мм; б – для диаметров 25-50 мм
Рис.7.4. Алмазные выглаживатели с упругими державками для обработки
отверстий: а - гладких; б - прерывистых
171
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис.7.5. Кривые опорных поверхностей, обработанных:
1 - шлифованием; 2 - алмазным растачиванием;
3 - раскатыванием шариковым инструментом;
4 - алмазным выглаживанием
Вначале микронеровности по мере увеличения усилия уменьшаются, затем наступает момент, когда увеличение усилия не приводит к уменьшению
микрогребешков. Это оптимальное усилие создает контактные давления, при
которых происходит наиболее полное заполнение впадин материалом микрогребешков. Величина оптимального усилия для различных материалов колеблется в пределах 50 - 150 Н.
Шероховатость выглаженной поверхности
зависит и от подачи.
Наименьшая шероховатость достигается при подаче 0,02 - 0,04 мм/об. Дальнейшее уменьшение подачи увеличивает микронеровности выглаженной поверхности, что связано с перенаклепом поверхностного слоя из-за большой
кратности деформирования обработанной поверхности. При подаче больше
0,04 мм/об происходит увеличение микронеровностей выглаженной поверхности, обусловленное увеличением шага микрогребешков [10, 24].
Скорость выглаживания в диапазоне 0,16 - 1,6 м/с практически не оказывает влияния на шероховатость обработанной поверхности.
На шероховатость выглаженной поверхности в определенной мере влияет
исходная шероховатость. С ее увеличением увеличивается и шероховатость обрабатываемой алмазом поверхности. Особенно сильно это проявляется при об172
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
работке закаленных сталей, которые эффективно выглаживаются при исходной
шероховатости Ra = 0,32 - 1,25 мкм. При выглаживании мягких, сталей, бронзы, алюминия исходную шероховатость можно принимать Ra = 0,63 - 5 мкм.
Шероховатость обрабатываемой поверхности связана и с радиусом профиля алмазного инструмента. Радиус выбирается в зависимости от механических свойств обрабатываемых материалов. Чем мягче выглаживаемый материал, тем большую величину радиуса инструмента следует принимать для его обработки.
Выглаженная
поверхность
характеризуется
высокой
опорной
по-
верхностью. На рис. 7.5 приведены кривые опорных поверхностей, обработанных до одной шероховатости, но различными способами. Наибольшей опорной
поверхностью обладает поверхность, обработанная алмазным выглаживанием.
Точность обработки при алмазном выглаживании зависит от вида инструмента: жесткий или упругий. Упругий инструмент копирует погрешности
геометрической формы деталей, уменьшая их размеры на величину остаточной
деформации. При упругом выглаживании погрешности геометрической формы
в поперечном и продольном сечении практически не изменяются. Не изменяется и точность диаметральных размеров выглаженных деталей по сравнению с
точностью их обработки под выглаживание. При выглаживании жестким инструментом происходит частичное (до 50 %) исправление погрешностей геометрической формы в продольном и поперечном сечении детали. Жесткое выглаживание уменьшает поле рассеивания фактических размеров на 25 - 30 % по
сравнению с полем их рассеивания, полученным при изготовлении деталей под
выглаживание.
7.3. Физико-механические свойства обработанной поверхности
При алмазном выглаживании в поверхностном слое детали происходит
упруго - пластическая деформация, сопровождающаяся упрочнением материала, появлением сжимающих остаточных напряжений и образованием ориентированной мелкозернистой структуры поверхностного слоя.
173
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Упрочнение, характеризуемое степенью и глубиной наклепа, зависит,
главным образом, от величины усилия выглаживания. Увеличение поверхностной твердости с ростом усилия выглаживания происходит до его определенного
значения (120 - 180 Н). Дальнейшее увеличение усилия деформирования не
приводит к росту твердости, а, наоборот, к ее снижению.
Глубина распространения наклепанного слоя с увеличением усилия деформирования растет, причем на глубину наклепа влияет и радиус сферы алмазного наконечника - увеличение радиуса при соответствующей величине
усилия деформирования позволяет получать наклепанный слой большей глубины.
В меньшей степени упрочнение поверхностного слоя зависит от подачи.
Увеличение ее приводит к уменьшению поверхностной твердости. Наибольшее
упрочнение достигается при подачах 0,04 - 0,06 мм/об.
Физико-механические свойства обрабатываемого материала сказываются
на степени и глубине наклепа. Наибольшее повышение твердости наблюдается
у материалов, склонных к упрочнению (стали аустенитного класса). Степень
упрочнения колеблется от 10 до 80 %, а глубина упрочнения слоя - от 0,05 до
0,4 мм.
При алмазном выглаживании поверхностный слой материала приобретает мелкозернистую структуру. Зерна дробятся и выглаживаются по
направлению движения инструмента, образуя текстуру деформационного слоя.
При обработке закаленных сталей в поверхностном слое происходят фазовые
изменения с распадом остаточного аустенита и превращением его в мартенсит.
Алмазное выглаживание разных сталей, закаленных до различной твердости, создает сжимающие остаточные напряжения, достигающие 350 - 1100
МПа, глубина распространения которых колеблется от 0,15 до 0,4 мм. С увеличением усилия выглаживания в поверхностном слое происходит рост сжимающих напряжений и глубины их залегания.
В меньшей мере на величину остаточных напряжений влияет величина
подачи. С уменьшением ее остаточные напряжения несколько увеличиваются.
174
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Радиус сферы алмазного наконечника увеличивает глубину распространения
остаточных сжимающих напряжений, тогда как их максимальная величина почти не изменяется.
Повышенная твердость и благоприятный микрорельеф поверхности, а
также образование в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений
приводят к повышению износостойкости, контактной выносливости и усталостной прочности. Сравнительные испытания износостойкости шлифованных,
полированных и выглаженных образцов, имеющих шероховатость Ra = 0,08 0,16 мкм, показали, что наибольший износ имели шлифованные образцы, в
1,5-2 раза меньше износ был у полированных и самый меньший наблюдался у
выглаженных образцов (на 20 - 40 % меньше, чем у полированных).
Алмазное выглаживание повышает контактную выносливость. Результаты сравнительных стендовых испытаний роликовых подшипников, беговые дорожки внутренних колей которых были обработаны алмазным выглаживанием
и суперфинишированием, показали, что подшипники, у которых беговые дорожки обработаны алмазным выглаживанием, в три раза более долговечны по
сравнению с подшипниками, рабочие поверхности которых подвергались суперфинишированию.
Алмазное выглаживание также может быть использовано как упрочняющая обработка с целью увеличения усталостной прочности деталей. Так,
упрочнение алмазным выглаживанием образцов из сырых сталей 40, 35ХН1М и
цементированной и закаленной до 63-65 HRC стали 14Х2Н ЗМА позволило
увеличить выносливость на 17-25 % по сравнению с неупрочненными образцами. Коррозионно-усталостная прочность образцов, обработанных алмазным
выглаживанием повышается примерно в три раза.
7.4. Режимы обработки
При выборе режимов выглаживания необходимо учитывать физикомеханические свойства обрабатываемых материалов, требования к точности и
качеству поверхностного слоя, а также характер предварительной обработки.
175
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Физико-механические свойства обусловливают выбор радиуса алмазного
инструмента. Чем тверже материал, подлежащий обработке, тем меньше следует принимать радиус рабочей поверхности алмаза для получения необходимого
удельного давления в зоне контакта при выглаживании (табл. 7.1).
Таблица 7.1
Значения радиусов рабочей части алмазного инструмента
Обрабатываемый материал
Закаленные и цементируемые
стали
Термически обработанные
стали
Сырые и термоулучшенные
стали
Цветные металлы и сплавы
Твердость
Рекомендуемый радиус
алмаза, мм
60-65 HRC
1,0-1,5
35-50 HRC
1,5-2,0
300 НВ
2,0-2,5
—
2,5-3,5
Обеспечение необходимого качества обрабатываемой поверхности (шероховатость, глубина и степень наклепа, величина и характер распределения
остаточных сжимающих напряжений) обусловливается выбором необходимого
усилия выглаживания. В зависимости от требований, предъявляемых к качеству
поверхности детали, режимы выглаживания могут быть сглаживающими,
упрочняюще-сглаживающими и упрочняющими. В зависимости от принятого
режима обработки берется усилие выглаживания, величина которого определяется по формуле
Р = πεHV(D - r/D + r),
где ε - относительная глубина внедрения инструмента;
HV - твердость по Виккерсу; D - диаметр обрабатываемой поверхности;
r - радиус рабочей части алмазного инструмента.
Величина ε = h/r, где h - глубина внедрения выглаживателя.
Рекомендуемые значения относительного натяга приведены в табл. 7.2.
176
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 7.2
Значения относительного натяга в зависимости от вида алмазной
обработки и твердости обрабатываемого материала
Режим обработки
Сглаживающий
Упрочняюще-сглаживающий
Упрочняющий
Относительное внедрение
для закаленных
для мягких масталей
териалов
0,003
0,0015
0,005
0,0025
0.007
0,0045
Величина подачи выбирается с учетом обеспечения требуемой шероховатости обрабатываемой поверхности. Для получения минимальной шероховатости при выглаживании закаленных сталей рекомендуется применять подачи от 0,02–0,06 мм/об, при обработке сырых сталей и бронзы - 0,04 - 0,08 мм/об
и алюминиевых сплава — 0,04-0,12 мм/об.
Обработку выглаживанием следует проводить за один подход.
Скорость выглаживания в большом диапазоне (от 0,16 до 1,6 м/с) практически не оказывает влияния на шероховатость поверхности. Однако при скоростях выше 2,5 м/с резко возрастает интенсивность вибрации.
Допустимые значения чисел оборотов детали при определенной величине
биения обрабатываемой поверхности:
Биение
обрабатываемой
>0,2 0,2-0,1 0,1-0,05 0,05-0,03 0,03-0,01
поверхности, мм
Допускаемая частота
100 100-200 100-400 400-630 630-1000
вращения шпинделя, мин-1
Другим фактором, ограничивающим выбор скорости выглаживания, является контактная температура, резко снижающая стойкость инструмента. Поэтому не рекомендуется производить обработку алмазным выглаживанием при
скоростях выше 2,5 м/с. В качестве смазывающе-охлаждающей жидкости при
выглаживании черных металлов и сплавов следует применять индустриальное
масло 20, а при обработке цветных металлов и сплавов - керосин.
При выглаживании с оптимальными режимами обработки и величиной
177
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
радиуса округления алмаза шероховатость поверхности, полученная после обработки, в зависимости от исходной шероховатости определяется по формуле
Ra = 0,24(S2Rauсх/r).
Изменение размера детали после алмазного выглаживания можно с достаточной для практики точностью вычислить по формуле Δd = 1,28 Rzисх.
7.5. Использование алмазного выглаживания
Алмазное выглаживание применяется, как правило, при обработке деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, улучшенных до 40
- 50 HRC или закаленных до 53 - 63 HRC, к которым предъявляются высокие
требования по шероховатости и износостойкости поверхностного слоя. Алмазному выглаживанию подвергаются поверхности деталей из сырых сталей и
цветных металлов и их сплавов, у которых необходимо обеспечить шероховатость Ra — 0,04 - 0,16 мкм, особенно при обработке маложестких деталей и деталей с неравножесткими и маложесткими стенками.
На ряде заводов упругим инструментом, имеющим цилиндрическую
форму алмаза с радиусом 3 мм, осуществляется алмазное выглаживание оси
конечного выключателя из стали 15 с твердостью 260 - 280 НВ на токарном
станке 16К20. Диаметр обрабатываемой шейки 10, 19 ± 0 мм и длина 13 мм.
Режим обработки: усилие выглаживания 180-200 Н, скорость 0,51 м/с; подача
0,07 мм/об, СОЖ - индустриальное масло 20. Шероховатость поверхности после выглаживания соответствует Ra = 0,08 - 0,16, тогда как предварительная
обработка шлифованием обеспечивала шероховатость Ra = 0,63 - 1,25 мкм.
Алмазное выглаживание используется при обработке кольца сальника
ступицы заднего колеса, выполненного из стали 45, закаленной до твердости 56
- 62 HRC. На токарном станке на оправке устанавливается четыре детали, имеющие наружный диаметр 112 - 0,07 мм, и производится их обработка пружинным инструментом с радиусом алмаза 1,5 мм. Выглаживание осуществляется
при усилии 200 Н, подаче 0,1 мм/об и скорости 2,1 м/с, в качестве СОЖ используется индустриальное масло. В результате обработки алмазным выглаживате178
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лем шероховатость уменьшилась с Ra = 0,63 - 1,25 мкм до Ra = 0,08 - 0,16 мкм.
Алмазное выглаживание применяется для обработки шеек ротора турбокомпрессора вместо суперфиниширования. Деталь изготавливается из стали 45,
закаленной до твердости 58-62 HRC, и имеет диаметр обрабатываемых шеек
21-0,09 мм. Предварительная обработка шеек осуществляется на шлифовальном станке до требуемого размера и шероховатости Ra = 0,08 - 0,16 мкм. Алмазное выглаживание производилось при усилии 250 - 300 Н, скорости обработки 1,1 м/с, подаче 0,07 мм/об, СОЖ - индустриальное масло. После выглаживания шейки имели шероховатость Ra = 0,02 - 0,04 мкм при овальности,
гранности и конусности - не более 0,002 мм.
Внедрение алмазного выглаживания при обработке беговых дорожек роликоподшипников шпиндельного узла прецизионного координатно-расточного
стайка позволило увеличить производительность труда по сравнению с доводкой чугунными притирами в 10 раз, повысить износостойкость роликов в 1,5 - 2
раза.
Эффективно использование алмазного выглаживания при отделочной обработке шеек валов и валов-шестерен в условиях мелкосерийного производства. Высокие требования к шероховатости шеек (Ra = 0,04 - 0,16 мкм) у деталей, изготавливаемых из сталей 40, 40Х, ЗГХН, 30ХГСА и других, улучшенных
до твердости 30 - 45 HRC, обусловливали введение после чистового шлифования (шероховатости Ra = 0,63 - 1,25 мкм) ручных полировальных операций. Замена ручного полирования алмазным выглаживанием позволила стабильно получать шероховатость Ra = 0,04 - 0,16 мкм, высокую точность геометрической
формы обрабатываемых поверхностей, при этом время обработки уменьшилось
в 2 - 4 раза.
179
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8. ДОРНОВАНИЕ
8.1. Схема дорнования и конструкции инструментов
Обработка отверстий дорнованием, инструменты которого относятся к
первому классу, заключается в том, что инструмент (дорн), диаметральный
размер которого несколько больше размера обрабатываемого отверстия, проталкивается (протягивается) через него. При этом за счет пластических деформаций диаметр отверстия увеличивается, происходит сглаживание исходной
шероховатости и упрочнение поверхностного слоя металла.
На рис. 8.1 показана схема образования новой поверхности при прошивании сквозного отверстия кольцом дорна. Дорнование осуществляется, как правило, после предварительной обработки отверстия сверлением, зенкерованием,
растачиванием, развертыванием, протягиванием и др. Однако более низкая шероховатость поверхности получается тогда, когда дорнование производится поперек рисок микропрофиля исходной шероховатости (все виды обработки, кроме протягивания). Наиболее часто процесс дорнования применяется при отделочно-упрочняющей обработке сквозных отверстий, хотя имеется немало примеров прошивания дорнами глухих отверстий. Сквозные отверстия могут обрабатываться прошиванием шарами и выглаживающими прошивками, а также
протягиванием выглаживающими протяжками [10, 21, 27].
На рис. 8.2 показаны различные типы дорнов. Однокольцевые цельные
(рис. 8.2, а, б) наиболее просты и применяются для обработки небольших отверстий (5-30 мм). Для направления дорна в отверстие в нем предусмотрена
направляющая передняя часть (рис. 8.2, в). При обработке отверстий диаметром
свыше 20 мм целесообразно использовать многокольцевые цельные (рис. 8.2, г)
и многокольцевые наборные (рис. 8.2, д). Формы рабочего профиля колец дорнов показан на рис. 8.3. Наиболее часто употребляемой формой является профиль кольца с заборной и задней частями конусообразной формы (рис. 8.3, а).
Кольца с двойной заточкой рекомендуется применять при дорновании чугунных деталей (рис. 8.3, б). Сферическая форма кольца применяется при выгла180
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
живающем дорновании отверстий с малыми натягами (рис. 8.3, в).
Материалом для изготовления дорнов или колец служат стали марок У12,
ХВГ, Р6М5, Х12М, Х12Ф, ШХ15 и др., термически обработанные до твердости
62-65 HRC. Рабочую поверхность дорна покрывают слоем хрома толщиной
8-12 мкм. Дорны и выглаживающие протяжки с кольцами из закаленных сталей
имеют существенный недостаток, заключающийся в сравнительно быстром износе колей протяжки, что влечет за собой значительное ухудшение качества
обработанной поверхности.
Рис. 8.1. Схема образования цилиндрической поверхности при дорновании
кольцом дорна
Другим недостатком стальных протяжек является образование на рабочих поверхностях колец нароста, что ухудшает качество обработанной поверхности. Только после удаления нароста и тщательной зачистки кольца можно
продолжать обработку деталей этим инструментом.
Дорны и выглаживающие протяжки, изготавливаемые из твердых сплавов ВК6М, ВК8, ВК10М, имеют в сотни раз большую износостойкость. Изготовление таких дорнов и протяжек сложной формы с высокой точностью и
весьма малой шероховатостью осуществляется алмазно-абразивным инструментом из синтетических алмазов.
181
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 8.2. Типы дорнов
Рис. 8.3. Формы профиля рабочей
поверхности кольца (зуба) дорна
Рис. 8.4. Разновидности конструкций дорнов:
а – с одним рабочим кольцом; б – сборный двухзубный с твердосплавными кольцами; в –
комбинированный с режущими зубьями и деформирующим кольцом; г – с одним рабочим
кольцом сборной конструкции; д – с общим наплавленным кольцом из сормайта
Рабочие
поверхности
дорнов
обрабатываются
до
шероховатости
Ra = 0,08 - 0,04 мкм.
На рис. 8.4 показаны некоторые конструкции дорнов для обработки
сквозных отверстий: цельный дорн из закаленной инструментальной стали с
одним рабочим кольцом (рис. 8.4, а); сборный двухзубый с твердосплавными
182
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кольцами (рис. 8.4, б); комбинированный дорн с режущими зубьями из быстрорежущей стали и деформирующем кольцом из твердого сплава (рис. 8.4, в);
дорны с одним рабочим кольцом соответственно сборной конструкции и с
направленным кольцом из сармайта (рис.8.4, г и 8.4, д).
Конструкции выглаживающих протяжек с твердосплавными блоками показаны на рис. 8.5. Протяжку, приведенную на рис. 8.5, а, рекомендуется применять для обработки отверстий диаметрами 15-22 мм, на рис. 8.5, б - для отверстий более 22 мм. Отправки, хвостовики и гайки этих протяжек изготавливают из стали 45Х или 40Х с закалкой до 40-50 HRC, съемные направляющие
выполняются из инструментальных сталей и закаливаются до 55-60 HRC.
б
Рис. 8.5. Выглаживание протяжки с твердосплавными блоками:
а – для отверстий Ø15–25 мм: 1 – хвостовик; 2 – направляющая;
3 – твердосплавный выглаживающий блок; б – для отверстий Ø 25 мм и более:
1 – хвостовик; 2 – гайки; 3 – направляющая;
4 – выглаживающий твердосплавный блок; 5 – крепежный элемент
8.2. Определение тягового усилия и параметров инструмента
По величине тягового усилия, необходимого для дорнования, подбирается модель протяжного станка или пресса, производится прочностный
расчет элементов инструмента, а также проверка на прочность и устойчивость
обрабатываемой детали. Величина тягового усилия для дорнования отверстий
дорном с одним кольцом конусообразной формы определяется по формуле
183
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
PМ=(K1+K2)F+KдопF1,
где K1, K2, Kдоп - удельные давления течения металла, необходимые соответственно для осуществления основных деформаций металла, преодоления
сил трения по цилиндрической ленточке дорна и осуществления дополнительных деформаций, связанных с неравномерностью деформаций при дорновании;
F - площадь поперечного сечения обрабатываемой заготовки; F1 - площадь пластически деформируемой области заготовки, в пределах которой осуществляются дополнительные сдвиги металла.
Величины K1, K2 и Kдоп определяются по следующим формулам:
К1= (Р(1+μ/tg))/(1-μ/tg)ln(1+i/d3);
К1 = (2Pμ/α)b;
Кдоп = 0,28p(2tgα+μ),
где Р - истинное сопротивление обрабатываемого металла деформированию; μ - коэффициент трения в зоне контакта дорна с обрабатываемой поверхностью; α - угол заборного конуса инструмента; i - натяг; d - диаметр дорна
по цилиндрической ленточке; b - ширина цилиндрической ленточки.
Площади F и F1 определяются следующим образом:
F = (π(D2+d2))/4;
F1= (π(D2s+d2))/4,
где D - наружный диаметр обрабатываемой втулки; Ds - диаметр пластически деформируемой области.
При получении в результате расчета Ds>D следует принимать Ds= D.
Значение Ds находится из выражения


Ds2  0,68  d 2 E  i / p  d  0,1  10  D / d    D / d 1  3/ 4 ;


где Е - модуль упругости обрабатываемого материала.
Для расчета тягового усилия при дорновании многокольцевой прошивкой
или протяжкой можно пользоваться формулой
Рмт  Рот К ( L / t ) X м
где Рот - тяговое усилие, создаваемое дорном с одним кольцом с натягом,
184
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
соответствующим максимальному натягу многокольцевого дорна; К - коэффициент, зависящий от степени деформации металла (табл. 8.1); L - длина обрабатываемого отверстия; t - шаг рабочих колец; хм - показатель степени деформации, зависящий от обрабатываемого материала (табл. 8.2).
Таблица 8.1
Значение коэффициента К в зависимости от степени деформации металла
Коэффициент К при числе колец дорна
Относительный натяг
1
1
1
1
1
0,007-0,010
170,011-0,014
0,015-0,018
0,019-0,023
2
1
1
0,98
1
3-4
0,98
0,97
0,94
0,96
5-7
0,96
0,94
0,89
0,92
8-12
0,94
0,9
0,83
0,80
13-20
0,92
0,85
0,76
0,73
На выбор оптимального угла заборного конуса дорна влияют материал и
шероховатость обрабатываемой поверхности детали, натяг дорнования, коэффициент трения дорнующего кольца о заготовку и др.
При оптимальном значении заборного конуса тяговое усилие будет иметь
наименьшее значение и угол
αопт =75,5º.
Ширина ленточки определяется но эмпирической формуле
b = 0,350,6.
Таблица 8.2
Значения показателей степени деформации в зависимости от
обрабатываемого материала
Материал
детали
Хм
Сталь
45
0,83
Сталь
10Х
0,80
Сталь
20
0,73
Чугун
СЧ15
0,77
Латунь
ДЭ 54-1
0,73
Сплав
АП9
0,76
При обработке вязких материалов следует увеличивать угол заборного
конуса и уменьшать ширину ленточки. С целью уменьшения тягового усилия и
шероховатости дорнованного отверстия рекомендуется применять кольца с
двойным заборным конусом (рис. 8.3, б).
Шаг колец многокольцевых протяжек определяется исходя из длины об185
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рабатываемого отверстия t = (1,0-1,2).
Число деформирующих колец у многокольцевого дорна выбирается из
эмпирической зависимости
Zд = d/32 + (3-5).
Число калибрующих колец принимается в пределах 1-3.
Фактический натяг любого деформирующего кольца дорна определяется
по формуле
iZn = imax(lgZn/lgZд),
где Zn и Zд - номер кольца, для которого определяется величина натяга и
общее количество колец дорна.
Подъем на каждое деформирующее кольцо равен:
аZn = (iZn – iZn-1)/2.
8.3. Режимы дорнования
Основным параметром режима дорнования является натяг. От его величины зависит величина остаточного деформирования, шероховатость обработанной поверхности, степень и глубина наклепа, величина и глубина распространения остаточных напряжений и т.д. В свою очередь величину оптимального натяга следует выбирать с учетом ряда факторов: механических свойств
обрабатываемого металла, равномерности и толщины стенок заготовки, размера
отверстия, величины и направления следов исходной шероховатости, качества
смазывающей жидкости и др.
В табл. 8.3 приведены величины относительного натяга (λ = i/d1).
В табл. 8.3 d1 - диаметр отверстия до дорнования, D2 - наружный диаметр
обрабатываемой детали.
Величина абсолютного натяга i при дорновании i = d-d3, где d3 - диаметр
отверстия заготовки до дорнования. Абсолютная остаточная деформация равна
δd0 = d0 – d3, где d0 - диаметр отверстия после однократного дорнования.
Тогда относительная остаточная деформация определится из выражения
μ2 = δd0/d3.
186
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 8.3
Значения относительного натяга для втулок
Материал
заготовок
Стали 10, 20
(δb=320450МПа)
Стали 30, 40,45
(δb=450-650
МПа)
Сталь 50Г
(δb= 650-760
МПа)
Высота неровМетод
ностей Rz попредварительной верхности отобработки
верстия до
отверстия
дорнования,
мкм
Относительный оптимальный натяг
λ = i/d1 для заготовок при
Dz/d
до 1,4
Протягивание
2,0-10,0
0,0042-0,0056
Развертывание
6,3-8,8
0,0052-0,0059
Шлифование
3,2-9,4
0,0055-0,0062
Расточка
4,0-7,1
0,0065-0,0086
Расточка
7,9-20,0
0,0067-0,0090
Протягивание
2,0-10,0
0,0050-0,0062
Развертывание
6,3-8,8
0,0060-0,0070
Шлифование
3,2-9,4
0,0060-0,0070
Расточка
4,0-7,1
0,0068-0,0090
Расточка
7,9-20,0
0,0070-0,0092
Протягивание
2,0-10,0
0,0043-0,0050
Развертывание
6,3-8,8
0,0050-0,0065
Шлифование
3,2-9,4
0,0050-0,0065
Dz
от 1,4 до 2
Dz/d
свыше 2
0,00350,0045
0,00400,0056
0,00450,0057
0,00580,0072
0,00620,0080
0,00420,0052
0,00500,0062
0,00500,0065
0,00600,0074
0,00640,0082
0,00320,0038
0,00400,0055
0,00400,0055
0,00300,0034
0,00350,0038
0,00340,0038
0,00560,0068
0,00600,0076
0,00350,0045
0,00420,0052
0,00420,0055
0,00580,0072
0,00610,0080
0,00280,0032
0,00320,0040
0,00320,0042
187
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение табл. 8.3
Высота неровМетод
ностей Rz поМатериал заго- предварительной
верхности оттовок
обработки
верстия до доротверстия
нования, мкм
Чугун
СЧ12, СЧ15
(150-220 НВ)
Относительный оптимальный натяг
λ = i/d1 для заготовок при
Dz/d
до 1,4
Расточка
4,0-7,1
0,0063-0,0084
Расточка
7,9-20,0
0,0065-0,0088
Протягивание
3,2-11,0
0,0045-0,0052
Развертывание
7,9-8,8
0,0055-0,0063
Шлифование
3,2-9,4
0,0052-0,0060
Расточка
4,0-7,1
0,0065-0,0082
Расточка
7,9-0,0085
0,0070-0,0085
Dz
от 1,4 до 2
Dz/d
свыше 2
0,00550,0070
0,00600,0078
0,00400,0045
0,00500,0050
0,00480,0055
0,00600,0076
0,00650,0080
0,00540,0060
0,00580,0076
0,00300,0040
0,00420,0048
0,00400,0046
0,00500,0070
0,00530,0072
Примечание. Меньшие значения следует брать для заготовок с большим
диаметром отверстий (30 мм и более), а большие - для малых диаметров (25 мм
и менее).
Абсолютная упругая деформация равна δdу = d-da.
Величина максимального натяга многокольцевого дорна
imax = dmax – d0.
где dmax - максимальный размер деформирующего кольца.
Скорость дорнования не оказывает существенного влияния на параметры
обработанного отверстия (точность, шероховатость), но образование нароста
при увеличении скорости вследствие повышенного выделения теплоты в зоне
контакта увеличивается. Особенно это сказывается при дорновании вязких материалов. Поэтому для них рекомендуется принимать скорость дорнования
равной 0,03-0,08 м/с, а для менее пластичных материалов - 0,08-0,11 м/с.
Для мало- и среднеуглеродистых сталей при обработке дорнами с небольшими относительными натягами (до 0,006 мм) применяются индустриальное и веретенное масла, эмульсия, сульфофрезол и др., а при дорновании более
188
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
прочных сталей с большими относительными натягами - смеси минеральных и
растительных масел с олеиновой кислотой, мылами, а также минеральные масла с наполнителями - графитом, серой, тальком. Использование порошкообразного дисульфита молибдена или в смеси с минеральным маслом в соотношении
2:1 дает хорошие результаты. Чугун хорошо обрабатывается с керосином, сплавы на медной основе - с эмульсиями и минеральными маслами, а алюминиевые
сплавы - с мыльной водой и смесью минеральных и растительных смазок и жиров. Для сплавов на медной основе используются минеральные масла и эмульсия.
8.4. Дорнование с большими натягами
В машиностроении детали типа втулок, гильз и цилиндров составляют до
10 % от всего количества деталей машин, проходящий механическую обработку. Большинство втулок, гильз и цилиндров гидро- и пневмоприводов изготавливаются из бесшовных труб из углеродистых и низколегированных сталей 30,
40, 45, 40Х, 20Г и др.
Технология обработки отверстий в таких деталях в основном зависит от
длины и диаметра отверстия, точности и шероховатости поверхности и состоит
из нескольких операций механической обработки режущими, абразивными и
калибрующими инструментами. Использование размерно-чистовой обработки
отверстий методом дорования позволило в 2-4 раза повысить производительность труда на финишных операциях по сравнению с абразивной обработкой
шлифованием, хонингованием и полированием. Однако применение метода
ППД требует точной предварительной обработки отверстий режущими инструментами.
При изготовлении деталей из труб применяют дорнование с большими
натягами. Сущность его заключается в том, что пустотелая заготовка (труба) с
предварительно очищенной от коррозии и окалины поверхностью пластически
деформируется по всему ее сечению путем протягивания через отверстие с деформирующими кольцами, имеющими большой натяг (2-6 мм).
189
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дорнование отверстий с большими натягами осуществляется на протяжных станках или прессах по двум схемам: со сжатием и с растяжением заготовки. На рис. 8.6, а,б представлены схемы дорнования отверстий со сжатием, а на
рис. 8.6, в - с растяжением заготовки. Кольца и короткие втулки с отношением
l/d≤2 обрабатываются дорнованием на прессах (рис. 8.6, а) либо по схеме рис.
8.6, б с набором деталей 3-5 штук. Гильзы и цилиндры с отношением 2< l/d< 8
могут обрабатываться также по схеме рис. 8.6,б. Для более длинных гильз, а
также для гильз, имеющих фланец, обработку следует производить по схеме
рис, 8.6, в. Тогда для обработки длинной гильзы по второй схеме предусматривается создание на ней технологического фланца или выточки.
Обработка отверстия в катанных трубах деформирующими протяжками
происходит с натягами, в 20-30 раз превышающими натяги при калибрующем
(выглаживающем) доровании. После дорнования отверстий с большими натягами наружный диаметр труб увеличивается, а погрешности его макропрофиля
являются как бы уменьшенной копией исходного профиля отверстия заготовки.
Последующее дорнование уменьшает шероховатость поверхности и увеличивает точность обработки.
Определение величины натяга. Наименьший натяг, при котором полностью устраняются черноты заготовок, называется минимально необходимым
натягом – imin. Минимально необходимый относительный натяг есть
ε = imin / d3,
где d3 – номинальный диаметр отверстия заготовки.
Зависимость величины минимально необходимого относительного натяга
от отношения и исходной погрешности отверстий труб можно рассчитать по
эмпирической формуле
εmin(1/(/AD3/ dj - B)+С) KтKм,
где А, В – коэффициенты, зависящие от дефектов внутренней поверхности труб; С – относительная погрешность внутренних диаметров партии заготовок, С = Δd3 / d3, где Δd3 – допуск на точность отверстия труб; KтKм – коэффициенты, учитывающие соответственно требования к качеству поверхности
190
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отверстия и марку стали заготовки. Численные величины коэффициентов А и В
приведены в табл. 8.4.
Рис. 8.6. Схемы дорнования отверстий втулок с большими натягами:
а, б - со сжатием заготовки; в - с растяжением заготовки
Обработка отверстий с большими натягами осуществляется с деформацией отверстия в пределах 10-20 %, что значительно ниже предела появления радиальных микротрещин для труб из углеродистых сталей.
Таблица 8.4
Значение коэффициентов А и В для труб
Размеры
труб, мм
76x16x80Сталь 45
65x12x80Сталь 45
63x12x80Сталь 45
Механические
характеристики
δв,
δs,
εр,
МПа МПа
%
Разброс
размеров
отверстий,
мм
Глубина
дефектов на
внутренней
поверхности, мм
1,6
1,1
650
395
1,16
0,7
645
0,36
0,25
660
Коэффициенты
А
В
16,0
23,2
19,6
850
16,5
39,5
35,3
360
15,0
102,5
87,5
В табл. 8.5 приведены значения коэффициентов Кт и Км для труб различного исполнения.
191
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 8.5
Значения коэффициентов Кт и Км
Шероховатость поверхности отверстия, мкм
Поправочный
коэффициент
ГОСТ
Rа=0,4-0,2
Ra=1,6-0,8
Ra=3,2-1,6
Ra=6,3-3,2
Дефекты
Кт
Кт
Км
Км
9567-75
8734-75
8732-78
8732-78
не
допускаются
1,0*
1,0*
0,92-0,95
следы
5%
15%
0,8
0,85
0,9
0,98
0,7
0,8
0,85
1,0
0,6
0,65
0,7
1,02
* - Очистка обязательна
Для проверочного расчета предельно допустимой радиальной деформации отверстия при дорновании можно использовать приближенную зависимость
 пр  1/ 1   р  ,
2
где φр – относительное равномерное сужение материала заготовки при
стандартных испытаниях на растяжение.
Величина φр связана с величиной относительного удлинения материала δр
при испытаниях на растяжение зависимостью
φр = δр /(1+ δр)I.
Выбор полного относительного натяга следует производить в пределах
εпр > = εd > = εmin. Для уменьшения числа проходов следует принимать εd = εmin.
Натяг на каждое кольцо деформирующей протяжки определяется логарифмическим распределением натягов аналогично калибрующему деформированию. Поэтому натяг каждого кольца рассчитывается. Число деформирующих
колец также рассчитывается по ранее приведенной зависимости.
Шаг между рабочими кольцами деформирующих протяжек обусловлен
условиями одновременной работы трех-четырех рабочих колец, т.е.
t= (L-B) /п,
где В – ширина рабочего кольца; п – число одновременно работающих
192
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
колец.
Определение размеров заготовок. В процессе дорнования отверстий с
большими натягами наружный и внутренний диаметры заготовки увеличиваются, а толщина ее стенки и длина – уменьшаются.
По заданным размерам детали (D, d, L, S) и принятой величине радиальной деформации (εd), минимально необходимому натягу (imin) определяются
размеры заготовки.
Толщина стенки заготовки
S3  S 1   d .
Тогда наружный диаметр заготовки D3=d3 + 2S3.
По рассчитанным размерам D3, d3 либо d3,
S3 и соответствующему
ГОСТу на бесшовные трубы выбирается ближайший профиль трубы. Длина заготовки определяется по формуле

L3  1/ 1   d
d  S  / d
3
 S3  .
В длину детали следует включить припуск на подрезку торцов после
дорнования. В случае необходимости дополнительной обработки резанием после деформирующего протягивания следует расчет припуска производить с
учетом глубины дефектного слоя.
Определение тягового усилия. Для его определения при обработке отверстий одним деформирующим кольцом можно использовать приближенную зависимость, которая получена при коэффициенте трения (μ = 0,1), угле заборного конуса (α = 5°), отношении (D/d≤1,4),
Рi =1,75δср[i(2d - i) ln D / d+ 0,077 S(D + d)]K,
где δср - средний предел текучести при заданной степени деформации отверстия; i - подъем на одно кольцо протяжки; d - диаметр кольца по цилиндрической ленточке; D - наружный диаметр после дорнования; S - толщина стенки
после дорнования; К - коэффициент влияния смазки и очистки поверхности заготовки. При смазке сульфофрезолом и очистке травлением К = 1.
Диаметры d и D определяются по приведенным выше формулам после
193
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дорнования кольцом, имеющим натяг i. Величина σср, определяется по величине относительной деформации при дорновании данным рабочим кольцом
(табл. 8.6). при этом εi = εs = 1 – 1/ 1   d  . После расчета тягового усилия для
каждого рабочего кольца определяется суммарное тяговое усилие всех одновременно работающих колец
n
P   PK
,
i
i
где п - количество одновременно участвующих в работе колец; К коэффициент, учитывающий неодновременность достижения максимальных
значений усилий при входе и выходе дорна (K = 0,85-1).
Очистка заготовок и выбор смазок. Деформирующие кольца инструмента при дорновании отверстий с большими натягами находятся в тяжелых
условиях, вызванных наличием в зоне контакта больших удельных давлений,
значительных сил трения, достаточно, высоких температур (до 250 °С), что ведет к схватыванию металла и возникновению зон холодной сварки. Окалина,
коррозия, загрязнение поверхности заготовки ухудшают условия пластического
деформирования. Все это сказывается на качестве обработанной поверхности и
стойкости инструмента. Поэтому качество очистки поверхностей заготовок и
подготовка их под дорнование с большими натягами имеют существенное значение.
В массовом и крупносерийном производстве очистку внутренней поверхности труб рекомендуется производить химическими способами (химическое и
анодное травление в кислотах, щелочное травление, электрохимическое травление в расплаве щелочи, травление с наложением ультразвуковых колебаний).
194
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 8.6
Средний предел текучести стали при заданной степени деформации, МПа
Марка
стали
10
20
20Х
35
40
45
50
δср,
Относительная деформация стенки, εs
МПа 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09
240 270 282 295 306 318 326 340 356 415
280 315 350 375 415 435 465 462 496 507
310 350 370 400 430 460 486 506 522 512
320 366 400 430 456 438 510 530 546 592
340 380 410 440 476 500 520 540 560 581
360 396 438 470 495 520 540 560 570 591
400 444 484 520 555 584 610 635 653 676
0,10
480
515
550
576
600
601
695
0,11 0,12
490 500
525 535
564 575
588 600
615 630
670 630
715 720
Детали из тонкостенных груб с (D/d3≤1,2) при точности отверстий 8-го
квалитета и шероховатости до Ra =2,5-1,25 мкм можно подвергать дорнованию
с большими подачами без химической очистки заготовок. Не менее важное значение при деформирующем дорновании имеет выбор рациональных смазок.
Применение холодного фосфатирования после электрохимической очистки
позволяет обеспечивать шероховатость обработанной поверхности Ra= 0,160,32 мкм, в связи с чем этот способ очистки и подготовки труб под обработку
рекомендуется для деформирующего дориовання отверстий в ответственных и
точных деталях (гильзах, цилиндрах, амортизаторах и т.д.).
Для серийного производства таких деталей рекомендуйся химическое
меднение заготовок после их очистки. Меднение осуществляется окунанием,
напылением и нанесением щетками раствора медного купороса в серной кислоте. Хорошие результаты дают следующие смазки: сульфофрезол, веретенное
масло с добавкой 10 %-ной кислоты, смыленные кубовые кислоты. Наиболее
экономичным для дорнования гильз цилиндров следует считать омыленные
кислоты, которые применяются в виде эмульсий (омыленные кислоты 1-2 %,
тринатрий-фосфат 2 %).
Конструкции деформирующих протяжек. Прошивки и протяжки, предназначенные для дорнования отверстий с большими натягами, по внешнему виду незначительно отличаются от калибрующих выглаживающих инструментов,
195
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
применяемых для уменьшения шероховатости и повышения точности обработанного отверстия после обработки резанием.
На рис. 8.7 приведены типовые конструкции деформирующих протяжек,
выполненные в сборном варианте и имеющие следующие основные детали: передний 1 и задний 10 хвостики; оправки 4 стержневые и пустотелые; направляющие кольца 2; деформирующие кольца 3 и 7; поддерживающие кольца 6; калибрующие кольца 9 либо выглаживающие блоки 11; дистанционные распорные втулки 5; гайки 10; манжеты маслоемкие 8.
Оправки сборных протяжек изготавливаются из стали марок 45, 40Х,
45Х, ХВГ с твердостью 45-54 HRC и точностью 7-го квалитета.
В мелкосерийном и серийном производстве деформирующие и калибрующие кольца выполняются из инструментальных сталей марок ХВГ,
5ХМ1, Х12М, 9ХГ, Р9, Р18, закаленных до твердости 63 -65 HRG. Для повышения стойкости они подвергаются цианированию, азотированию, борированию и
т.п. В массовом производстве протяжки оснащаются деформирующими и калибрующими кольцами из твердого сплава марок ВК8, ВК8М, ВК10М, ВК15М
и др.
8.5. Точность и качество поверхностей дорнованных отверстий
Калибрующее и деформирующее дорнование применяется, как правило,
для получения отверстий высокой степени точности (6-7-го квалитетов) с минимальной высотой микронеровностей (Ra=0,08-0,63 мкм). В связи с тем, что
процесс дорнования сопровождается созданием в контактной зоне больших
удельных давлений, поверхностный слой отверстия детали упрочняется - значительно повышается твердость в поверхностном слое металла и наводятся
остаточные напряжений сжатия.
Точность обработки. При выглаживающем дорновании, когда пpoцесс
деформирования происходит после обработки резанием, точность диаметральных размеров повышается на 30-40 % и достигает 7-8 квалитетов точности. В
процессе дорнования уменьшаются отклонения от правильной геометрической
196
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
формы.
При дорновании отверстий искажается образующая у торцов на длине 2-5
мм. Величина искажения зависит главным образом от величины натяга, механических свойств обрабатываемого материала, 4 также геометрии инструмента
и составляет 0,012 - 0,06 мм. Устранение этой погрешности достигается подрезкой торцов после дорнования или созданием фасок на торцах деталей.
При деформирующем дорновании у торцов детали происходит обратное
явление: отклонение от прямолинейности образующей с уменьшением диаметральных размеров торцов. На опорном торце детали наблюдаются наплывы, а
на свободном - вогнутость. Эта погрешность уменьшается с увеличением числа
деформирующих колец до 4-5 штук.
Деформирующее дорнование разностенных деталей тел вращений с переменной продольной жесткостью стенок приводит к искривлению оси отверстия. Влияние разностей возрастет с увеличением пластической деформации и с
уменьшением толщины стенок заготовки. При значительной разностенности
заготовок для уменьшения искривления оси детали заготовку следует обточить
относительно предварительно обработанного отверстия. Уменьшение искривления оси детали при дорновании с большими натягами отверстий длинных
тонкостенных цилиндров можно получить, если между рабочими кольцами
протяжки устанавливать одно - два упорных кольца, работающих с нулевым
натягом.
Шероховатость дернованных отверстий. Зависимость изменения шероховатости обработанной поверхности от конструктивно-технологических факторов (режим обработки, геометрия инструмента, исходная шероховатость,
жесткость стенок детали и т.д.) при калибрующем и деформирующем дорновании имеет общий характер.
197
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 8.7. Типовые конструкции сборных протяжек с твердосплавными
кольцами для обработки отверстий с большими натягами
Rа, мкм
Рис. 8.8. Зависимость шероховатости поверхности дернованных отверстий от
относительного натяга
На рис. 8.8 приведены графики изменения шероховатости дорнованных
отверстий в образцах из стали 45, выполненных в виде втулок с наружным
диаметром 40 мм, внутренним - 21 мм и длиной - 35 мм. Шероховатость подготовленных под дорнование отверстий соответствовала Rа=10-14 мкм. Отверстия обрабатывались последовательно кольцами, имеющими подъем на каждое
кольцо 0,01; 0,03; 0,06 и 0,09 (на рис. 8.8, соответственно кривые 1, 2, 3, 4).
Наибольшая шероховатость (кривая 1) получается при дорновании отверстий с
малым подъемом на деформирующее кольцо и при их значительном количестве
(20-30 шт.). При этом кривая имеет характерную точку перегиба, соответствующую минимальной шероховатости при определенной величине отно198
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сительного натяга (0,009 - 0,012). Уменьшение натяга ведет к увеличению шероховатости, так как не происходит полной деформации микрогребешков. В то
же время увеличение натяга сверхоптимальной величины также увеличивает
шероховатость дорнованной поверхности, что связано с явлением перенаклепа
поверхности.
При меньшем числе колец дорна (5 - 16) и большом подъеме на каждое
кольцо (кривые 2, 3,4) шероховатость поверхности снижается (при относительных натягах 0,009-0,012).
Аналогичный результат зависимости шероховатости от величины натяга
получен при изменении подъема на деформирующий элемент в более широком
диапазоне натягов (от 0,05 до 0,4 мм) твердосплавными дорнами. В этом случае
при обработке втулок из стали 20 с диаметром отверстия 35 мм одиночными
деформирующими элементами для натягов 0,05 - 0,2 мм характер кривых аналогичен характеру кривых зависимости шероховатости от натяга, приведенных
на рис. 8.8. При натягах на деформирующий элемент от 0,4 до 3,2 мм происходит постепенное уменьшение шероховатости. Однако, чем больше величина
подъема, тем большую шероховатость имеет дорнованная поверхность. Для получения низкой шероховатости при больших подъемах на деформирующий
элемент (1,6 и 3,2 мм) следует после установки в дорне колец с таким подъемом
снабжать его кольцом с натягом 0,1 - 0,2 мм. Для получения шероховатости
Rа = 0,08-0,32 мкм необходимо применять малые и средние натяги на деформирующий элемент. Если же требуется осуществить большую пластическую
деформацию и получить шероховатость Rа = 1,25-2,5 мкм, то дорнование следует проводить с большими натягами на первых и средних или с малыми натягами - на последних деформирующих кольцах. Наименьшую шероховатость
при дорновании можно получить, если предварительная обработка осуществляется зенкерованием, протягиванием и растачиванием резцами с углами
φ = φi = 30 °.
Скорость обработки в пределах 0,5 - 15 м/мин не оказывает существенного влияния на шероховатость обработанной поверхности, а смазываю199
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щие материалы играют значительную роль. Углеродистые и малолегированные
стали целесообразно обрабатывать с сульфофрезолами, которые устраняют
схватывание металла с инструментом в зоне контакта.
Эксплуатационные свойства деталей зависят не только от величины шероховатости их рабочих поверхностей, но и в значительной степени от формы
микрогребешков, оказывающей влияние на фактическую площадь контакта сопрягаемых поверхностей. На рис. 8.9 приведены кривые опорной длины профиля, полученные шлифованием и дорнованием и имеющие одну и ту же шероховатость. Из графиков следует, что длина опорных кривых (для шероховатости
Ra = 2,5 мкм) для шлифованных поверхностей равна 36 %, для дернованных 76 %. Соответственно для шероховатости Ra = 0,32 мкм эти значения будут 52
и 88 %. Следовательно, характер профиля микронеровностей, полученных при
дорновании, более благоприятен чем при шлифовании для эксплуатационных
свойств деталей.
Упрочнение поверхностного слоя. На степень и глубину наклепанного
слоя значительное влияние оказывает величина натяга. На рис. 8.10, а приведены кривые, характеризующие изменение микротвердости по сечению стенок
втулок из армко-железа, дорнованных с разной величиной суммарного натяга и
толщиной деформированного слоя в зависимости от величины натяга на один
деформирующий элемент (рис. 8.10, б). Из рис. 8.10, а следует, что при различных значениях суммарного натяга поверхностная твердость дорнованного отверстия примерно одинакова или увеличивается незначительно с увеличением
натяга. Толщина слоя с повышенной микротвердостью увеличивается с увеличением суммарной величины натяга, однако интенсивность роста глубины
наклепанного слоя тем выше, чем меньше натяг на деформирующий элемент
(рис. 8.10, б). При одинаковом суммарном натяге толщина поверхностного слоя
будет тем больше, чем больше кратность деформации поверхностного слоя.
Степень упрочнения и глубина наклепанной поверхности зависят от
свойств обрабатываемого материала. При одних и тех же значениях натягов на
деформирующий элемент и суммарных натягов степень наклепа будет тем
200
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
больше, чем пластичнее металл.
Рис. 8.9. Зависимость относительной опорной длины профиля от величины
сближения по высоте микрогребешков:
1,3 – дорнование; 2, 4 – шлифованные образцы
Для углеродистых старей степень и глубина наклепа связаны с содержанием углерода: чем меньше в стали углерода, тем выше степень упрочнения и
глубина упрочненного слоя.
При дорновании твердосплавными протяжками в поверхностном слое детали
возникают остаточные напряжения, величина и знак которых зависят от величин натягов на деформирующий элемент и суммарных натягов.
Рис. 8.10. Зависимость степени (а) и глубины наклепа (б) от величины натяга:
1 – сталь 20; 2 – сталь 35; 3 – сталь 45
201
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для стальных заготовок остаточные напряжения сжатия увеличиваются с
уменьшением натяга на деформирующий элемент. Остаточные растягивающие
напряжения наоборот увеличиваются с постом натяга на деформирующий элемент.
С увеличением суммарного натяга величина сжимающих остаточных
напряжений увеличивается. Глубина залегания остаточных напряжений сжатия
после деформирующего дорнования достигает нескольких десятых миллиметра, а величина этих напряжений тем больше, чем менее пластичен материал, и
достигает 200-400 МПа.
Малая величина шероховатости обработанных отверстий, упрочнение
поверхностного слоя, сопровождающееся повышением его твердости, наличие
сжимающих остаточных напряжений в этом слое способствуют повышению
износостойкости деталей, обработанных дорнованием.
На рис 8.11 приведены сравнительные результаты испытании на износ
отверстий гильз гидроцилиндров, изготовленных из стали 45 с диаметром 40Н7
и шероховатостью Ra = 0,16-0,32 мкм. Из рис. 8.11, а следует, что период приработки отверстий цилиндров, обработанных дорнованием, рачительно меньше
периода приработки отверстии, полученных тонким растачиванием, хонингованием и раскатыванием. Лишь у доведенных отверстий период приработки несколько меньше чем у дорнованных. Износ отверстий дернованных образцов в
период испытаний в течение 12 ч в 3,5 раза меньше чем у хонингованных, и в
1,6 раза, чем у раскатанных (рис. 8.11,б) [25, 26, 27].
8.6. Использование дорнования в производстве
Дорнование используется для получения высокоточных отверстий (7-8
квалитетов) с шероховатостью поверхности Ra= 0,16-0,63 мкм у деталей и различной конфигурации, изготовленных из стали, чугуна и цветных металлов.
Номенклатуру деталей, которые можно обрабатывать выглаживающим дорнованием, можно разбить на четыре группы.
202
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
I группа - мелкие детали прецизионных пар топливной аппаратуры отверстиями диаметром от 4 до 15 мм, ролики и втулки толкателей изготавливаемых из высоколегированных сталей, имеющих после термообработки 59-63
HRC. Окончательная обработка отверстий у деталей этой группы до шероховатости Ra = 0,04 - 0,08 мкм производиться хонингованием, черновой и чистой
доводкой.
Рис. 8.11. Влияние вида обработки на время приработки (а)
и зависимость величины износа от времени приработки (б):
1 – тонкое растачивание; 2 – хонингование; 3 – раскатывание; 4 – доводка
Дорнование обеспечивает шероховатость Rа = 0,08-0,16 мкм до термообработки при точности 7-8 квалитетов, вследствие чего отпадают операции
хонингования и черновой доводки.
II группа - детали гидравлики средних размеров, отверстия у которых
диаметром 10-20 мм обрабатываются по 7-8-му квалитетам точности и шероховатости поверхности Rа = 0,08-0,32 мкм. К таким деталям относятся панели,
корпуса клапанов, гильзы, толкательные цилиндры. Для этих деталей характерна термообработка до твердости 30-40 HRC. Отверстия у детали второй группы
обрабатываются развертыванием, протягиванием или чистовым растачиванием.
Окончательная обработка отверстий производится хононгованием или доводкой. При использовании дорнования аннулируется объемная термообработка,
так как упрочненный поверхностный слой, полученный в результате пластиче203
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ского деформирования, обеспечивает требуемую износостойкость.
III группа - детали тел вращения, полученные штамповкой или литьем из
углеродистых и малолегированных сталей с отверстиями диаметром 80-120 мм,
выполненными по 7-му квалитету точности и шероховатости Rа = 0,63-1,25
мкм. К деталям этой группы относятся ролики, ступицы колес, балансиры,
натяжные колеса и т.д. Отверстия у них обрабатываются режущими протяжками, после которых следуют операции хонингования или раскатывания.
Использование дорнования исключает операции хонингования или раскатывания и повышает точность формы отверстия. Выглаживающие протяжки
обеспечивают точность размеров отверстий 7-го квалитета, отклонение от геометрической формы отверстия в поперечном сечении 0,02-0,03 мм и шероховатость Ra = 0,32-0,63 мкм.
IV группа - точные зубчатые колеса с цилиндрическими отверстиями 6-7го квалитетов точности (рис. 8.12). Эта группа подразделяется на две подгруппы: шестерни, механическая обработка которых производится в термоулучшенном состоянии, и шестерни, окончательная обработка которых осуществляется после термообработки. Для первой подгруппы рекомендуется в качестве
финишной операции производить обработку отверстий дорнованием. Отверстия деталей второй подгруппы рекомендуется обрабатывать в такой последовательности: протягивание режущей протяжкой, протягивание выглаживающей
протяжкой, алмазное хонингование (после термообработки).
Для обработки шлицевых отверстий широко применяются на РУП
«МАЗ» многороликовые уплотняющие комбинированные протяжки (рис. 8.13).
204
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 8.12. Дорны твердосплавные и обработанные ими детали
а
б
в
Рис. 8.13. Протяжки многороликовые уплотняющие комбинировые для
чистовой обработки шлицевых отверстий:
а – 16-ти шлицевых отверстий (65x56x16); б – 10-ти шлицевых отверстий
(70x65x10); в – 10-ти шлицевых отверстий (35x28x10)
205
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9. СОВМЕЩЕННАЯ ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ И ППД
9.1. Комбинированные инструменты для совмещенной обработки
Размерно-чистовая и упрочняющая обработка методом ППД является
финишной и выполняется после получистовой или чистовой обработки резанием. С целью интенсификации технологических процессов все шире используется совмещение чистовой обработки поверхностей резанием под ППД с самой
обработкой ППД в одну операцию с помощью комбинированных инструментов
(КИ). Деление способов чистовой и отделочной обработки на две группы: резание и поверхностное пластическое деформирование не является принципиальным, так как для обеих групп образование новой поверхности связано с пластическим деформированием определенного слоя металла.
Разница состоит в том, что при обработке резанием пластическое напряженное состояние локализуется в узкой зоне у кромки режущего клина, что ведет к образованию стружки, а при обработке ППД пластическое напряженное
состояние создается в значительном объеме металла, обеспечивая его безотрывное течение. Кроме того, способы обработки поверхностей резанием и ППД
базируются на единых кинематических схемах и поэтому могут легко трансформироваться один в другой. Придав режущему лезвию инструмента соответствующую форму и сообщив ему дополнительную степень свободы - вращение
вокруг некоторой оси, процесс резания можно трансформировать в процесс ротационной обработки ППД [21, 27, 29].
На рис. 9.1, а показаны способы обработки резанием различных поверхностей, а на рис. 9.1,6 соответствующие им способы обработки методом ППД.
Связь режущего и деформирующего элементов может быть двух видов:
жесткой и упругой. Применение той или другой связи определяется видом обработки. КИ с жесткой связью применяются, когда к обрабатываемой поверхности предъявляются высокие требования как по точности геометрической
формы и размеров, так и по ее шероховатости, а с упругой связью - в основном
для получения поверхностей с малой величиной шероховатости.
206
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Простейшей конструкцией КИ является сочетание обычного резца с шариковым иди роликовым деформирующим элементом (элементная низшая пара). Деформирующие элементы в этих инструментах могут располагаться во
вставках и сепараторах.
Сепараторные КИ могут быть выполнены с зафиксированным сепаратором (многоэлементные простые сепараторные) и с освобожденным сепаратором (многоэлементные планетарные сепараторные).
а
б
Рис. 9.1. Схемы обработки поверхностей:
а – резанием; б – поверхностным пластическим деформированием
207
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Освобожденный сепаратор в процессе обработки имеет скорость в два
раза меньшую, чем скорость вращения инструмента, вследствие чего производительность обработки таким инструментом в два раза меньше, чем производительность обработки инструментом с зафиксированным сепаратором.
У КИ с элементной низшей парой режущие элементы взаимодействуют с
обрабатываемой поверхностью и сбегающей стружкой с большим трением
скольжения, а деформирующие элементы работают в условиях трения качения.
В результате этого стойкость деформирующих элементов в десятки и сотни раз
выше стойкости режущих элементов.
С целью выравнивания стойкости режущих и деформирующих элементов
весьма эффективным являются КИ, у которых режущие и деформирующие
элементы работают на основе кинематического принципа - свободного вращения вокруг своих осей. В этом случае режущий элемент выполняется в виде
круглого самовращающегося резца, а деформирующим элементом является торовой ролик (элементная высшая пара). КИ, в основу которых положена элементная низшая пара, в дальнейшем будут называться инструментами простого
действия, базирующиеся на элементарной высшей паре - инструментами ротационного действия.
Комбинированные инструменты могут быть выполнены таким образом,
что силы резания и усилия деформирования не уравновешиваются (режущие и
деформирующие элементы имеют одностороннее расположение), частично
уравновешиваются (режущие и деформирующие элементы имеют противоположное распространение или количество режущих и деформирующих элементов различно) и полностью уравновешиваются (количество режущих элементов
равно количеству деформирующих элементов, расположены они равномерно и
одинаково относительно обрабатываемой поверхности). Кроме того, комбинированные инструменты
можно
разделить на инструменты
после-
довательного действия (деформирующие элементы расположены вслед за режущими элементами на некотором расстоянии) и инструменты одновременного
действия (режущие и деформирующие элементы расположены в одной плоскости, перпендикулярно оси вращения детали или инструмента).
208
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9.2. Комбинированные инструменты и устройства для совмещенной
обработки различных поверхностей
Для обработки различных поверхностей деталей машин наибольшее
применение нашли конструкции КИ, у которых используется элементная низшая пара.
Рис. 9.2. Комбинированный инструмент упругого действия
с деформирующим шариком
Рис. 9.3. Комбинированный инструмент упругого действия с деформирующим
роликом
209
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Следует отметить разнообразие типов деформирующих элементов, применяемых в конструкциях комбинированных инструментов: шары, дисковые
торовые и цилиндрические ролики, алмазные и твердосплавные выглаживатели. Как правило, КИ имеют режущий элемент, выполненный в виде призматического резца, работающего в условиях трения скольжения, а деформирующие
элементы чаще всего работают в условиях трения качения. Имеются комбинированные инструменты, у которых деформирующие элементы также работают
в условиях трения скольжения.
Благодаря простоте конструкции наибольшее применение в мелкосерийном и серийном производствах находят одноэлементные комбинированные инструменты.
Конструкции КИ выполнены таким образом, что деформирующий элемент расположен сзади режущего элемента на расстоянии 25-30 мм от режущей
кромки и работают они последовательно - сначала режущий, а затем деформирующий. Более производительны комбинированные инструменты, режущие и
деформирующие элементы которых работают одновременно. Чтобы осуществить одновременную работу режущего и деформирующего элементов, их
располагают под определенным углом друг к другу в вертикальной плоскости.
В этом случае режущая кромка смещается лишь на 1—1,5 мм относительно
точки контакта деформирующего элемента (рис. 9.2).
В державке 7 при помощи натяга закрепляется резец 8. За резцом под некоторым углом к нему установлен деформирующий шарик 1, который может
свободно вращаться на шарикоподшипнике 3, установленном во вставке 2,
подпружиненной относительно державки инструмента тарельчатыми пружинами 4. Величина давления шарика на обрабатываемую поверхность устанавливается винтом 5, который после регулировки стопорится контргайкой 6. Тарельчатые пружины обеспечивают равномерное усилие обкатывания по всей обрабатываемой поверхности и в значительной мере гасят вибрации, возникающие
при резании резцом.
Если расположить деформирующий элемент под углом 90° к резцу, то
радиальная составляющая усилия обкатывания вызовет сжатие детали и ин210
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
струмента в касательном к режущему элементу направлении и погрешности
формы и размера обрабатываемой поверхности от усилия деформирующего
элемента в этом случае будут незначительны (рис. 9.3).
В пазу корпуса инструмента, закрепляемого в резцедержателе токарного
станка, крепится резец 1. Дисковой ролик 2 с профильным радиусом 6 мм расположен в вилке 3 на оси 4 при помощи игольчатых 5 и упорных шарикоподшипников 6. Усилие деформирования создается пружиной 7, величина которого регулируется гайкой 8. Гайка 9 служит для установки ролика на различный
диаметр обрабатываемых валов.
Недостатком приведенных конструкций КИ является неуравновешенность силы резания и усилия деформирования. Поэтому такие инструменты
применяются при совмещенной обработке валов достаточной жесткости.
Для совмещенной обработки нежестких валов (с отношением L/D>5)
предназначена 3-роликовая головка, конструкция которой показана на рис. 9.4.
Рис. 9.4. Трехроликовый уравновешенный комбинированный инструмент
Державка 6 инструмента устанавливается в резцедержателе токарного
станка. Внутри державки при помощи винта 7 перемещается стебель 5, в котором закрепляется режущая твердоплавкая пластинка 9. Установка различных
пластинок позволяет осуществлять обточку заготовки под накатывание проходным, подрезным или «бреющим» резцом.
211
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Следующие за резцом накатанные ролики, установленные в качающейся
относительно державки на осях 8 вилке 4 и рычаге 1, обкатывают обработанную резцом поверхность. Профиль роликов выполнен с различными радиусами: два давящих ролика имеют радиус профиля 10 мм, а сглаживающий - 20
мм. Необходимое давление роликов на обрабатываемую поверхность устанавливается гайкой 2, величина усилия (натяга) отсчитывается по индикатору 3.
Расположение трех роликов под углом 120º друг к другу уравновешивает возникающие в процессе накатывания радиальные усилия, при этом деформирующие элементы выполняют роль люнета. Шарнирное соединение вилки с державкой инструмента посредством паза позволяет деформирующим роликам самоцентрироваться по обработанной резцом поверхности, не вызывая деформации оси детали.
Особый интерес представляют комбинированные инструменты и устройства, в которых в качестве деформирующих элементов используются многороликовые или шариковые накатные головки, позволяющие практически полностью уравновесить технологическую систему (рис. 9.5). В этом случае они выполняют роль люнета, что особенно важно при обработке нежестких деталей.
На поперечные салазки 7 токарно-винторезного станка через промежуточную плиту 1 устанавливается корпус 2 с планетарной головкой 3. Резец
4. помещенный в специальной державке 5, которая закреплена в резцевой головке б, настраивается на требуемый размер обработки маховичком 11 винта
верхней каретки суппорта станка, повернутой на 90º. Роликовая накатная головка снабжена механизмом сброса деформирующих элементов с настроечного
размера. Для точной установки резца на размер обработки после его отвода из
рабочего положения предусмотрены индикатор часового типа 10 с ценой деления 0,01 мм, установленный в резцедержателе при помощи державки 9, и неподвижная стойка 8, прикрепленная к суппорту.
Для КИ с элементной высшей парой разработана конструкция режущедеформирующего блока (рис. 9.6), используемая в комбинированном ротационном инструменте, предназначенном для обработки наружных и внутренних ци212
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
линдрических поверхностей, а также плоскостей.
В корпус 3 на двух радиальных 4 и упорном 5 шарикоподшипниках установлен круглый резец, зафиксированный гайками 11 и 12. Накатной ролик 1,
расположенный внутри резца по скользящей посадке, опирается на подшипник
скольжения 6, упирающийся во втулку 8. Втулка поджимается к гайке тарельчатыми пружинами 7, что позволяет с помощью винта 9 и гайки - нониуса 10
регулировать давление ролика на обработанную резцом поверхность.
На рис. 9.7 приведен комбинированный ротационный инструмент, предназначенный для обработки жестких деталей типа валов, плунжеров, штоков и
т.п.
В державке 3 инструмента режуще - деформирующий блок 1 закреплен
тангенциальным зажимом с помощью винтов 5 и гаек 6. Эксцентриковая втулка
2 предназначена для придания блоку заданного положения относительно обрабатываемой поверхности. Блок в державке закрывается крышкой 4. КИ предназначенные для обработке цилиндрических отверстий имеют различные схемы
исполнения с использованием элементных низших пар.
Хорошо известны комбинированные протяжки, предназначенные для обработки точных отверстий (6-8-го квалитетов точности) с шероховатостью
Ra = 0,04-0,32 мкм, у которых кроме режущих и калибрующих зубьев имеются
выглаживающие элементы, расположенные вслед за калибрующими зубьями.
На рис. 9.8 показана комбинированная протяжка со съемным деформирующим кольцом. КИ состоит из режущей части 1, деформирующего кольца 2,
которые изготавливаются из твердого сплава ВК6 или ВК6М, и резьбового хвостика 3, с помощью которого кольцо крепится к задней направляющей протяжке. Крепление кольца к протяжке может быть осуществлено различными способами: гайками, задним хвостиком с резьбовым кольцом, винтом и др. Для
обеспечения соосности деформирующего кольца с режущей частью протяжки
его необходимо шлифовать по наружному диаметру в сборе с протяжкой.
213
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 9.5. Многороликовый уравновешенный комбинированный инструмент
Рис. 9.6. Режуще-деформирующий блок для комбинированного инструмента
с высшей парой
Элементная низшая пара, используемая для обработки отверстий, в качестве деформирующего элемента которой применяется подпружиненный алмазный выглаживатель, представлена на рис. 9.9.
В корпусе 1 в отверстии, расположенном на оси инструмента, устанавливается фланец 7, в пазу которого на оси 6 смонтирован двуплечий рычаг
5. Один конец рычага упирается в подвижную втулку 11 с закрепленным на ней
214
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
алмазным выглаживателем 10. Ход алмазного выглаживателя ограничивается
регулировочной гайкой 9, а в угловом положении подвижная втулка 11 фиксируется винтом 12. Ко второму концу рычага 5 приложено определенное усилие
посредством стакана 2 и пружины 3. Величина усилия регулируется винтом 4.
Режущий элемент выполнен в виде стержневого резца 14, закрепляемого вместе
со вставкой 8 в корпусе инструмента 13. Инструмент крепится в шпинделе алмазно-расточного станка.
На рис. 9.10 приведена конструкция многоэлементной комбинированной
фрезы-накатки, предназначенной для обработки плоских поверхностей.
Рис. 9.7. Комбинированный инструмент с высшей парой для обработки
наружных цилиндрических поверхностей
Рис. 9.8. Режуще-калибрующая протяжка со съемным кольцом
215
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 9.9. Комбинированный инструмент с низшей парой для обработки
отверстий
Рис. 9.10. Комбинированная фреза-накатка
216
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Она состоит из корпуса фрезы 1 с закрепленными в нем с помощью клиньев 2 и винтов 3 резцов 9 и корпуса 6 накатанной головки, соединенных по тугой посадке 7-го квалитета точности. Накатывание обработанной фрезой поверхности производится деформирующими шарами 7, равнорасположенными в
сепараторе 5, который имеет возможность свободно вращаться относительно
корпуса накатной головки на шарикоподшипнике 4. Деформирующие шары базируются на кольце 8 упорного шарикоподшипника, установленного в корпусе
накатной головки.
Заточка резцов фрезы может производиться как в сборке с корпусом фрезы, так и вне его с последующей установкой их в специальном приспособлении.
Регулирование величины натяга (выступание деформирующих шаров над вершинами резцов фрезы) осуществляется гайкой 10. Необходимое давление шаров на обрабатываемую поверхность создается тарельчатыми пружинами 11с
помощью гайки 12.
9.3. Выбор режима обработки и основных параметров комбинированного
инструмента
Точность диаметральных размеров при совмещенной обработке с помощью неуравновешенных или частично уравновешенных КИ практически не отличается от точности, получаемой при раздельной обработке, когда чистовая
обработка резанием перед ППД и сам процесс ППД выполняются в разных операциях. Лишь при совмещенной обработке уравновешенным КИ (рис. 9.6, 9.9)
точность диаметральных размеров повышается по сравнению с раздельной обработкой на 25-30 %. Обработка такими инструментами длинномерных деталей
(штоки, плунжера, скалки и т.д.) значительно повышает точность геометрической формы поверхности в продольном направлении. Так, например, при
обработке комбинированным инструментом валиков диаметром 50 мм и длиной 500 мм отклонение от геометрической формы цилиндра в продольном
направлении в 4 раза меньше, чем при раздельной обработке, и в 6 раз меньше,
чем при совмещенной обработке неуравновешенным КИ, выполненным по
217
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
схеме рис. 9.2.
Такое заметное уменьшение погрешности вызвано значительным увеличением жесткости обрабатываемой заготовки, так как деформирующий инструмент, выполняемый в виде многоэлементной планетарной головки, играет
роль подвижного люнета.
Шероховатость обрабатываемой поверхности при использовании КИ зависит от тех же факторов, что и при обработке ППД: величины натяга или усилия деформирования детали, подачи, исходной шероховатости, физикомеханических свойств обрабатываемого материала и т.д.
Особенностью совмещенной обработки резанием и ППД является то, что
регулирующие и деформирующие элементы КИ имеют одинаковую скорость
обработки и минутную подачу. Поэтому при совмещенной обработке, в отличие от обработки методом ППД, скорость резания, равная скорости накатывания, оказывает влияние на шероховатость поверхности. Из-за явления нароста
она определенным образом влияет на шероховатость поверхности, обработанной режущим элементом, т.е. на исходную под накатывание шероховатость, от
величины микрогребешков которой зависит величина шероховатости, полученной после ППД [21, 29].
Значительное влияние на шероховатость обрабатываемой поверхности
оказывает величина подачи. Это обусловлено тем, что при совмещении обработки изменение величин подачи влечет за собой изменение исходной шероховатости, и, кроме того, величина подачи непосредственно влияет на окончательную шероховатость, получаемую после ППД. Глубина резания в диапазоне
0,2-1,0 мм не оказывает влияние на шероховатость поверхности.
Таким образом, скорость обработки следует принимать 1,3-1,5 м/с при
глубине резания 0,3-0,7 мм. Так как требуемая шероховатость поверхности при
совмещенной обработке обеспечивается деформирующими элементами КИ, то
при выборе минутной подачи следует исходить из величины подачи, которую
допускают деформирующие элементы для обеспечивания заданной шероховатости.
218
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Исходя из равенства минутных подач, количество деформирующих элементов при принятом количестве режущих элементов определяется зависимостью
Zg = Zp (Spnp /Sg пg )
где Zg и Zp – количество соответственно деформирующих и режущих
элементов КИ; Sp и Sg – величины подач соответственно на один деформирующий и один режущий элемент; пg и np – частота вращения соответственно деформирующих и режущих элементов.
Величина подачи на деформирующий элемент, а также величина натяга
или усилия деформирования выбираются в зависимости от заданной шероховатости, вида деформирующего элемента и его геометрических параметров и
свойств обрабатываемого материала (раздел 3). Величина подачи на режущий
элемент выбирается исходя из принятой исходной шероховатости и геометрических параметров режущего элемента.
Для призматического резца, имеющего радиус вершины r > 1,5 мм, когда
S/2<r
S p  2 2hp r ,
где hp - высота микрогребешков исходной шероховатости.
Для призматического резца, имеющего r< 1 мм,
Sp = 2 (hp cosφ - r cos (φ - 1) ) / sinφ,
где φ – главный угол в плане регулирующего элемента.
Расчетные значения подач, полученные по указанным формулам, следует
уменьшить в 2-3 раза.
Возможное количество деформирующих элементов в сепараторном инструменте определяется по формуле
Zg = π / ( arc sin ( d + m) /Dц ),
где d – диаметр ролика или шарика; т - величина перемычки между деформирующими элементами; Dц - диаметр расположения центров деформирующих элементов относительно инструмента.
219
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9.4. Использование совмещенной обработки в производстве
Для обработки жестких валов с соотношением длины к диаметру l/D ≤ 7
применяется КИ, показанный на рис. 8.3. Применение такого инструмента позволяет получать за один рабочий ход шероховатость 0,16-0,32 мкм при следующем режиме обработки: глубина резания 1-1,5 мм, подача 0,12-0,15 мм/об,
скорость обработки 1,3-2 м/с.
Для одновременного точения и накатывания валов диаметром 25-30 мм,
изготовленных из стали 20 и 30 применяется КИ, конструкция которого приведена на рис. 9.4. Совмещенная обработка валов осуществляется при усилии деформирования 1100 Н, глубине резания 2 мм, подаче 0,24 мм/об и частоте вращения обрабатываемой детали 16,6 об/с. При этом достигается точность обработки 8-го квалитета и шероховатость обработанной поверхности Ra = 0,340,63 мкм. На рис. 9.5 показана трехроликовая головка в сочетании с бреющим
резцом для обработки жестких деталей. Головка используется для совмещенной
обработки штока диаметром 90 мм и длиной 3800 мм с шероховатостью поверхности Ra = 0,32-0,63 мкм. Заготовкой штока является труба из горячечеканного проката с вваренными цапфами Обработка осуществляется при глубине резания 1-1,5 мм, натяге 0,08-0,12 мм, подаче 0,07-0,15 мм/об, скорость
обработки 1,1-1,3 м/с. При точении бреющим резцом глубина резания составляет 0,2-0,3 мм, подача 0,25-0,3 мм/об при тех же значениях скорости обработки.
Замена трудоемких операций частичного точения с применением двух
люнетов и полирования при помощи ручных «прижимов» одной совмещенной
операцией снижает трудоемкость изготовления штока на 4, 5 ч. Комбинированное устройство, конструкция которого приведена на рис. 8.6, применяется при
изготовлении плунжеров гидроцилиндров диаметром 50 мм (8-квалитет точности) и длиной 170 мм электропогрузчиков. Это позволяет отказаться от традиционных методов финишной обработки и обеспечить ее заданную точность и
шероховатость Ra=0,16-0,32 мкм. Обработка производится при подаче 0,240,30 мм/об, глубине резания 0,25-0,5 мм, натяге 0,04-0,5 мм и скорости обра220
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ботки 1,5-1,8 м/с.
Для окончательной обработки отверстий в чугунном корпусе редуктора
плоскошлифованного станка ЗГ71 также применяется KИ (рис. 9.6). Обработка
отверстий диаметром 90+0,07 мм производится со скоростью 1,7 м/с, подаче
0,005 мм/об, глубиной резания 0,15 мм и условии деформирования 150 Н. Применение КИ обеспечивает заданную точность и шероховатость Rа = 0,32-0,63
мкм и повышает производительность в 2,5 раза по сравнению со шлифованием.
Приведенный на рис, 9.9 КИ применяется для совмещенной обработки
отверстий гидроцилиндров диаметром 50+0,06 мм, длиной 340 мм на токарном
станке 1М163. Режим обработки следующий: скорость вращения детали 2-2,2
м/с, подача инструмента 0,7-0,8 мм/об, глубина резания 0,5-0,8 мм, натяг 0,040,06 мм. В результате такой обработки обеспечивается заданная точность и шероховатость обрабатываемой поверхности Rа = 0,32-0,63 мкм. При этом в два
раза снижается трудоемкость механической обработки.
221
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследования перспектив развития технологий обработки заготовок деталей машин, проведенные в России, развитых странах Западной Европы и в
США, убедительно показали, что объем механической обработки в машиностроении не будет снижаться. Это объясняется непрерывным повышением требований к точности размеров и качеству поверхностного слоя деталей машин.
Расширение объема финишных операций за счет применения размерночистовой и упрочняющей обработки, осуществляемой па металлорежущих
станках без снятия стружки посредством ППД позволяет снизить трудовые,
энергетические и материально-сырьевые затраты. Преимущество ППД перед
традиционными методами финишных операций, осуществляемых, как правило,
абразивными инструментами, заключается в его высокой производительности
при достижении шероховатости поверхности до Ra - 0,025 мкм и точности обработки до 6-го квалитета. При этом обработка ППД сопровождается упрочнением поверхностного слоя, что значительно повышает их эксплуатационные
свойства: износостойкость, усталостную прочность, контактную выносливость,
коррозионную стойкость и т.д. Методами ППД во многих случаях можно заменять такие операции отделочной обработки, как хонингование, суперфиниширование, доводка.
Рассмотренные в данной монографии теоретические и экспериментальные исследования и прогрессивные методы механической обработки деталей могут способствовать разработке конкурентоспособных технологических
процессов изготовления и ремонта деталей машин.
222
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛИТЕРАТУРА
1. Машиностроение. Энциклопедия. Т. Ш-3 Технология изготовления деталей машин / A.M. Дальский, А.Г. Суслов, Ю.Ф. Назаров и др.: Под общ. ред.
А.Г. Суслова. – M: Машиностроение, 2000. – 840 с.
2. Теоретические основы процессов поверхностного пластического деформирования / Е.М. Макушок, Т.В. Калиновская, С.М. Красневский и др.; Под
ред. В.И. Беляева. – Мн.: Наука и техника 1988. – 182с.
3. Джонсон К.Л. Механика контактного взаимодействия. – М.: Мир 1989. –
510 с.
4. Горохова М.Н. Комбинированный метод электромагнитной наплавки и
поверхностного пластического деформирования / Ю.Б. Барковский. М.Н. Горохова // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2007. - №1. - С. 12-14.
5. Калиновская Т.В. Исследование процесса дробной прокатки тонколистового металла: Дисс. ... канд.тех.наук. – Мн : ФТИ АН БССР 1968. –
192 с.
6. Новые методы исследования процессов обработки металлов давлением /
Под. общ. ред. Е. М. Макушка, Мн.: Наука и техника, 1973. – 293 с.
7. Павлов Н.М., Тарасевич Ю.Ф. Шелест А.Е. / В сб.: Инженерные методы
расчета технологических процессов обработки металлов давлением. – М.: Машиностроение, 1969. – 246 с.
8. Макушок Е.М. Самоорганизация деформационных процессов. – Мн.:
Наука и техника, 1991. — 272 с.
9. Кудрявцев И.В., Минков Я.П., Дворникова Е.Э. Повышение прочности и
долговечности крупных деталей машин поверхностным пластическим наклепом. – М.: Машиностроение, 1984. – 184 с.
10. Одинцов Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. – М : Машиностроение, 1987. – 328 с.
11. Котрелл А. Дислокации и пластическое течение в кристаллах. – М.: Ме223
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
таллургиздат, 1968. – 137 с.
12. Коновалов Е.Г., Сидоренко В.А. Чистовая и упрочняющая ротационная
обработка поверхностей. – Мн.: Высшая школа, 1968. – 364 с.
13. Коновалов Е.Г. Основы новых способов металлообработки – Мн.: Издво АН БССР, 1961, – 299 с.
14. Смолянский В. М. Механика упрочнения поверхностного слоя деталей
машин в технологических процессах поверхностного пластического деформирования. – М.: Объединение «МАШ МИР» 1992. – 60 с.
15. Кудрявцев И.В. Нераспространяющиеся усталостные трещины. – М.:
Машиностроение, 1984. – 173 с.
16. Поляк М.С. Технология упрочнения. Технол. методы упрочнения. В 2-х
т. Т. 2 – М.: «Л.В.М. – СКРИПТ». Машиностроение 1995. – 688 с.
17. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2 / Под. ред. А.М.
Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова. – М.: Машиностроение – 1, 2001. – 944 с.
18. Кулик В.И. Исследование качества обкатной поверхности в зависимости
от удельных давлений и сил трения, действующих на площадке контакта при
обкатывании роликами. / В кн.: Новые методы испытания и обработки материалов. – Мн.: Наука и техника, 1975. – С. 99 – 106.
19. Парфиянович В.С. Руководство по проектированию процессов чистового накатывания поверхностей (Минский автомобильный завод). – Мн.: Полымя,
1983. – 88 с.
20. Горохова М.Н., Абрамов Ю.Н. Комбинация методов упрочнения и пластического деформирования //Сборник докладов 9 конгресса «Кузнец – 2009»
«Состояние, проблемы и перспективы развития кузнечно-прессового машиностроения, кузнечно-штамповочного производства и обработки материалов давлением». – Рязань: ОАО «Тяжпрессмаш», 2009. - С. 233-238.
21. Технология размерно-чистовой
и упрочняющей обработки / П.С. Чи-
стосердов, Б.П. Чемисов, Л.М. Кожуро и др.; – Мн.: Университетское, 1993. –
188 с.
224
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
22. Проектирование технологических процессов в машиностроении / И. П.
Филонов, Г.Я. Беляев, Л.М. Кожуро и др.; Под ред. И.П. Филонова. – Мн.: УП
«Технопринт», 2003. – 910 с.
23. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. – М.: Машиностроение, 2000. – 320 с.
24. Шнейдер Ю.Г. Технология финишной обработки давлением: Справочник. – СПб.: Политехника, 1998. – 414 с.
25. Качество машин: Справочник. В 2-х т. Т. 1 / А.Г. Суслов, Э.Д. Браун,
Н.А. Виткевичидр. – М.: Машиностроение, 1995. – 256 с.
26. Качество машин: Справочник. В 2-х т. Т. 2 / А.Г. Суслов, Ю.В. Гуляев,
А.М. Дальский и др. – М.: Машиностроение, 1995. – 430 с.
27. Технологические основы обеспечения качества машин / К.С. Колесников, Г.Ф. Баландин, А.М. Дальский и др.; Под общ. ред. К.С. Колесникова. – М.:
Машиностроение, 1990. – 256 с.
28. Остаточные напряжения / Ж.А. Мрочек, С.С. Макаревич, Л.М. Кожуро
и др.; Под ред. С.С. Макаревича. – Мн.: УП «Техно-принт», 2003. – 352 с.
29. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения. – М.: Машиностроение, 2002. – 684 с.
30. Горохова М.Н. Комбинированный метод восстановления и упрочнения
кулачков распределительных валов // Сборник научных трудов профессорскопреподавательского состава РГСХА им. П.А. Костычева. - Рязань, 2006. - С.
290-294.
225
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать лазерная
Усл. печ. л. 14,1 Тираж 300 экз. Заказ № 726
подписано в печать 27.03.2012
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Рязанский государственный агротехнологический университет
имени П.А.Костычева»
390044 г. Рязань, ул. Костычева, 1
Отпечатано в издательстве учебной литературы и
учебно-методических пособий
ФГБОУ ВПО РГАТУ
390044 г. Рязань, ул. Костычева, 1
226
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
106
Размер файла
7 794 Кб
Теги
8481
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа