Технические науки/8.

Обработка материалов в машиностроении

Д.т.н., профессор Жетесова Г.С., к.т.н., доцент Муравьев О.П, докторант Ткачева Ю.О.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

ФОРМА ОПОРНОГО КОНУСА В МНОГОРОЛИКОВЫХ

РОТАЦИОННЫХ ИНСТРУМЕНТАХ

Одной из основных частей многороликовых ротационных инструментов для обработки поверхностей деталей ППД является опорный конус, выполняемый в виде прямого кругового конуса. Назначением опорного конуса инструмента является восприятие и передача нагрузки на деформирующие конические ролики, и установка роликов на требуемый задний угол, что обеспечивает возможность их настройки на заданную глубину внедрения в обрабатываемую поверхность за счет смещения в продольном, а, следовательно, и в радиальном направлении.

В ряде случаев, при необходимости обеспечения самозатягивания или уменьшения осевой силы, действующей на инструмент, ролики поворачивают на угол по отношению к оси детали, за счет чего они перемещаются по винтовой линии, соответствующей подаче. Угол самоподачи вычисляется по формуле[1]:

, (1)

где w` – дополнительный угол, компенсирующий проскальзывание роликов (w` = 10 … 15`).

Если w = 0, то при отсутствии нагрузки контакт между роликом и опорным конусом будет линейным, так как оба тела соприкасаются по своим образующим. Поворот роликов на угол самозатягивания превращает первоначальный линейный контакт в точечный. После приложения нагрузки точечный контакт преобразуется в эллиптический контакт с площадью, которая меньше, чем при линейном контакте.

На рисунке 1 изображено соотношение площадей пластического и упругого контакта при одних и тех же усилиях, действующих на ролик с противоположных сторон. Как видно из представленного рисунка, площадь контакта между обрабатываемой поверхностью и роликом значительно больше, чем площадь контакта между роликами и опорным конусом. При равенстве сдавливающих сил напряжения пропорциональны площадям контактов, поэтому максимальное напряжение будет действовать на упругом контакте, что и определяет более тяжелые условия работы и усталостное разрушение роликов и опорного конуса .

Нагрузка на обрабатываемую поверхность назначается в зависимости от требуемых показателей ее качества, поэтому должна быть заданной. В связи с этим минимизировать при заданной нагрузке необходимо контактные напряжения между роликами и опорным конусом.

Контактирование конического ролика и прямого опорного кругового конуса изображено на рисунке 2. Если производится обработка вала, то при наличии угла самозатягивания ω в сечении А-А между роликом и конусом образуется просвет h_f (см. рис. 2а) и натяг при обработке отверстия (см. рис. 2б). В результате этого ролик контактирует с конусом только на участках, прилегающих к его торцам, или только в его средней части.

Для устранения образующегося зазора или натяга конус в сечении А-А должен иметь образующую, совпадающую с образующей ролика. Это можно осуществить за счет изменения формы боковой поверхности роликов или опорного конуса.

а) б)

Рисунок 1 - Зависимость ширины контактной зоны от глубины внедрения деформирующего ролика в обрабатываемую деталь при упругопластическом и упругом контактах (a) и их процентное отношение: z_уп – упругопластический контакт; z_y – упругий контакт (б); R – диаметр обрабатываемой детали; ролик цилиндрический, длина ролика L_р = 1 мм

С точки зрения технологичности изготовления предпочтительным является изменение формы опорного конуса, так как роликов значительно больше. Кроме того, на практике очень часто используют готовые ролики из конических подшипников с прямолинейной образующей.

Полученные зависимости позволяют рассчитать зазоры между роликом и опорным конусом. Однако на практике, для обеспечения полного прилегания ролика с поверхностью конуса при его установке на угол самозатягивания можно обеспечить непосредственно при чистовой обработке рабочей поверхности опорного конуса.

Это достигается тем, что окончательная обработка производится тонким обтачиванием или растачиванием резцами, оснащенными алмазными вставками или вставками из нитрида бора, причем подача должна быть направлена по линии совпадающей с образующей деформирующего ролика. При этом рабочая поверхность опорного конуса формируется в виде линейчатой поверхности

Рассмотрим силовое взаимодействие конических деформирующих роликов и опорного конуса.

а)

б)

Рисунок 2-Особенности контактирования ролика с опорным конусом:

а) – при обработке валов, б) – при обработке отверстий

При параллельном расположении образующих ролика и опорного конуса в соответствии с теорией Герца [2], их сближение определяется зависимостью:

, (2)

где z_уп – ширина упругого контакта между роликом и опорным конусом, которая вычисляется по формуле:

. (3)

В приведенных формулах размеры радиусов ролика и опорного конуса приняты равными средним значениям.

При взаимно перпендикулярном положении осей ролика и опорного конуса их сближение определяется зависимостью:

, (4)

где коэффициент β_э зависит от диаметра обрабатываемой детали и выбирается по справочнику [2].

При повороте ролика на угол самозатягивания его сближение с опорным конусом по длине контакта имеет промежуточное значение между величинами, вычисленными по предыдущим формулам. Так как в литературе нет методики для вычисления сближения валов при произвольном угле пересечения двух цилиндрических тел, то предположим, что в зависимости от угла самозатягивания сближение будет изменяться по закону:

. (5)

Рисунок 3 - Схема для определения длины контакта между роликом и опорным конусом при параллельном расположении образующей ролика и оси детали

Откуда следует, что при w = 0^о и w = 90^о сближение будет совпадать с граничными условиями (2) и (4). Длина контакта между роликом и опорным конусом (рис.3)

. (6)

На рисунке 4,а,б показаны зависимости, построенные на основании расчетов по формулам (5) и (6).

В настоящее время режим самозатягивания находит широкое применение для обработки длинномерных деталей, особенно при совмещенной обработке резанием и ППД гладких валов.

В последнем случае необходимо создать максимально возможную силу сцепления деформирующих роликов с обрабатываемой поверхностью.

а) б)

Рисунок 4- Изменение сближения ролика с опорным конусом (а) и длина контактной зоны (б) в зависимости от угла самозатягивания

Как показывают исследования, обкатники работающие в режиме самозатягивания, у которых усилие обкатывания обеспечивает крутящий момент, преодолевающий силы резания, иногда имеют проскальзывание роликов. Причем проскальзывание роликов по поверхности опорного конуса наступает при меньшем усилии по сравнению с проскальзыванием роликов относительно обрабатываемой поверхности.

Рисунок 5 - Изменение угла самозатягивания от диаметров обрабатываемых деталей при разных значениях подач на оборот

Предположительно, это происходит по причине неплотного прилегания деформирующих роликов к поверхности опорного конуса, а только по их концам, так как при их установке на угол самозатягивания между внутренней поверхностью опорного конуса и средней частью роликов образуется зазор, как это показано на рисунке 4б.

Исследования величины зазора между роликом и опорным конусом показывают, что он составляет сотые доли миллиметров. Поэтому, устранение этого зазора изменением рабочей поверхности опорного конуса представляет определенные технологические трудности. Поиск вариантов обработки привел к решению, заключающемуся в том, что указанная поверхность автоматически образуется, если на заключительной операции обработку производить тонким растачиванием резцом, оснащенным вставкой из нитрида бора при его перемещении в направлении по линии, совпадающей с образующей ролика.

Литература

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

2. Справочник машиностроителя в 6 томах. Под ред. академика АН УССР С. В. Серенсена. Изд. третье. – М.: Машгиз, 1962. – 651 с.