Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

При финишной обработке наружных поверхностей валов, цилиндров и других тел вращения широко применяются обкатники, работающие по разомкнутой схеме обкатки. Различают жёсткие и упругие обкатники. Последние обладают рядом преимуществ [1], главное из которых состоит в том, что при упругом контакте ролика обкатника с деталью обеспечивается более равномерное усилие обкатки.

Как известно, постоянство необходимого усилия непосредственно связано с жёсткостью технологической системы «станок – инструмент – деталь», одной из составляющих которой является жёсткость обкатника (инструмента). Постоянство жёсткости технологической системы играет важную роль для сохранения оптимального режима обкатывания [2]. Практически, например, у токарных станков при перемещении суппорта перепад жёсткости станка в системе «станок – инструмент – деталь» составляет 50 – 100 %. Стабилизация усилия обкатки достигается введением в конструкцию обкатника упругих элементов пониженной жёсткости. При уменьшении жёсткости инструмента в m раз колебания жёсткости системы уменьшаются
в (1+m) / m раз или на (100 / m) %. Жёсткость же обкатников неупругого действия чрезвычайно высока (порядка 100 кН / мм) и близка к реальной жёсткости конструктивных узлов станка, что негативно сказывается на неравномерности усилия обкатки.

Изменение жёсткости системы не единственная причина неравномерности усилия обкатки. Погрешности станка, детали, обкатника, изменение жёсткости детали в процессе обработки также являются источниками колебаний усилий.

Влияние всех источников, влияющих на постоянство усилия обкатки, можно существенно уменьшить, уменьшив жёсткость инструмента – упругого элемента обкатника. В литературе, посвящённой финишной обработке металлических деталей, приводится большое количество конструкций упругих обкатников и раскатников. В большинстве случаев в качестве упругого элемента используются цилиндрические или тарельчатые пружины, предварительно сжатые до расчётного усилия обкатки. То есть при проектном расчёте пружин для обкатников значения их рабочих усилий известны. Что касается жёсткости пружин, то в некоторых случаях при описании конструкций обкатников приводятся её числовые значения, но исходя, из каких критериев они выбраны неизвестно. Между тем, уменьшение жесткости пружин связано с возрастанием их габаритов и стоимости, а увеличение с потерей точности обработки. Поэтому желательно знать диапазон значений жёсткости в каждом конкретном
случае.

Максимальную жёсткость jmax можно оценить отношением разности максимального Fmax и номинального Fн усилий пружины к сумме всех составляющих погрешностей станка и детали (рабочему ходу пружины).

(1)

где δсi и δдi – i-е погрешности соответственно станка и детали; m и n – соответственно число составляющих погрешностей станка и детали.

При жёсткости большей jmax есть вероятность смыкания витков пружины при обкатке, а значит, ухудшение качества обработки детали.

Рассмотрим составляющие числителя и знаменателя в формуле (1). Пусть обкатник установлен на токарном станке. Деталь крепится в центрах. Допустимые усилия при обкатывании одним роликом на токарных станках [1] составляют 5000 – 70000 Н. Предельные значения погрешностей токарных станков класса Н, регламентируемых ГОСТ 18097-93 «Станки токарно-винторезные и токарные. Основные размеры. Нормы точности.», не превышают нескольких десятков микрон (отклонения от прямолинейности при перемещении суппорта – 10 мкм; радиальное биение упорного центра, вставленного в шпиндель – 15 мкм; параллельность оси конического отверстия пиноли задней бабки – 10 мкм). Для деталей после чистовой обработки на токарных станках значения погрешностей имеют такой же порядок. Расчёты по формуле (1) по приведённым данным показывают, что ограничения по максимальной жёсткости имеют такие высокие величины, которые практически всегда выполняются, то есть их можно не учитывать при выборе жёсткости упругого элемента обкатника.

Определим ограничение для минимальной жёсткости jmin. При назначении усилий обкатки, обеспечивающих требуемую глубину упрочнения, предложено несколько формул. В некоторые из них диаметр обрабатываемой детали входит явно как один из параметров [3, 4], в других косвенно через площадь контакта. Таким образом, можно считать доказанным, что усилие обкатки возрастет с увеличением диаметра обрабатываемой детали, точнее, квадрата диаметра. Пусть упругий обкатник имеет жёсткость равную нулю, то есть настроенное усилие обкатки идеальным образом поддерживается во время работы. Если по каким-либо причинам, диаметр обкатываемой детали увеличится, такой инструмент не сможет обеспечить требуемое увеличение усилия. Отсюда видно, что минимальная жёсткость jmin упругого элемента обкатника должна обеспечивать в случае приращения диметра на величину ∆D соответствующее приращение усилия обкатки ∆Р. Так как деформирующий элемент обкатника – ролик воздействует на деталь с одной стороны, то для определения jmin необходимо использовать приращение радиуса обрабатываемой детали ∆R.

jmin ≥ ∆Р / ∆R (2)

В качестве примера возьмём формулу для определения усилия обкатки в кгс, предложенную И. В. Кудрявцевым [3].

P = 50 + D2 / 6 =50 +2R2 /3.

Взяв производную по радиусу, и переведя в систему СИ, находим jmin ≥ 13,1·R.

Таким образом, на диаметре детали 100 мм минимальная жёсткость упругого элемента обкатника должна быть не меньше 655 Н / мм. Очевидно, что это соотношение, так же как формулу И. В. Кудрявцева, можно использовать не во всех случаях, однако несомненна зависимость минимальной жесткости от радиуса.

В работе [2] приведена таблица, где указаны силы обкатки, рекомендуемые для обработки крупных валов в зависимости от диаметра вала и предела текучести обкатываемого материала. Силы выбираются в диапазоне от полуторакратной (в числителе) до трёхкратной (в знаменателе) силы, создающей на поверхности детали слой толщиной 0,05 радиуса, и ограничены величиной 6000 кгс. Ниже (табл. 1) эта таблица дополнена столбцом отношений приращения предельных сил к приращению соответствующих диаметров для каждой строки. По этим отношениям косвенно можно судить, как изменяется jmin. Видно, что ∆P / ∆D зависит от предела текучести и сил обкатки.

Таблица 1

Силы обкатки в кН

Таблица 2

Сила обкатки, кН – в квадратных скобках и минимальная жёсткость упругого элемента, Н / мм – в круглых скобках

Чтобы определить минимальную жёсткость упругого элемента обкатника для конкретных условий, jmin. была рассчитана по формуле (2) для соседних ячеек в каждой строке табл. 1. Результаты расчёта представлены в табл. 2.

Минимальные жёсткости увеличиваются с увеличением диаметра обкатываемой детали, силы обкатки и предела текучести материала заготовки. Для каждого предела текучести существует свой максимум jmin., ограниченный силой обкатки 60 кН. По данным табл. 2 рекомендуется выбирать силы обкатки и соответствующие им минимальные жесткости упругих элементов однороликовых обкатников при обработке крупных валов.