Добрянський С.С.

НТУУ «Київський політехнічний інститут», Україна

ОБРОБКА ПЛОСКИХ ПОВЕРХОНЬ ОБКАТУВАННЯМ

Поверхневе пластичне деформування (ППД) широко застосовують у машинобудуванні для фінішної обробки робочих зовнішніх і внутрішніх поверхонь обертання, рідше для плоских та фасонних поверхонь деталей.

ППД може виконуватись обкатуванням кульками або роликами з тертям кочення в зоні деформації, а також вигладжуванням деформуючими елементами (інденторами) з тертям ковзання.

Найчастіше обкатуванням кульками оброблюють матеріали з відносним видовженням δ₅ > 6 % та твердістю HRC ≤ 45 через низьку стійкість кульок.

При ППД сталей, у залежності від їх структури та режимів обкатування, досягається відносне зміцнення в межах 10-80 %. У вуглецевих сталях з середнім вмістом вуглецю (0,3–0,5 %) забезпечуються кращі результати, ніж у легованих сталей з таким же вмістом вуглецю [1].

Особливі переваги забезпечуються віброобкатуванням, коли деформуючий елемент переміщується по складній траєкторії з утворенням сітки слідів.

Найчастіше ППД застосовують для остаточної обробки зовнішніх і внутрішніх поверхонь обертання. Значно рідше ППД застосовують при обробці плоских та фасонних поверхонь деталей, що можна пояснити труднощами реалізації обробки, складнішими інструментами для обкатування, труднощами нанесення рівномірної сітки канавок тощо.

При обкатуванні плоских поверхонь найчастіше застосовують багато кулькові головки, які за конструкцією подібні до торцевих фрез [1], але замість різальних ножів установлені деформуючі кульки. Одним з основних недоліків таких головок є високий рівень нерівномірності розміщення утворюваної сітки канавок на деталі (рис.1, а), що приводить до густої сітки канавок на краях оброблюваної поверхні і відповідної зміни шорсткості, наклепу та ступеня деформації у порівнянні з центральною частиною поверхні.

а)	в)
б)

Рис. 1. Схеми траєкторій деформуючих кульок

Для поліпшення процесу ППД плоских поверхонь розроблена головка [2], в якій застосовуються деякі властивості гіпоциклоїди [3].

Рівняння гіпоциклоїди у параметричній формі:

;

,

де R – радіус нерухомого (направляючого) кола; R₁ – радіус рухомого (утворюючого) кола; φ – кут повороту R₁.

Вигляд гіпоциклоїди залежить від відношення m = R / R₁. Якщо m ціле число, то крива складається з m віток, які «вписані» в нерухомий круг. При m = 2 крива перетворюється в діаметр нерухомого кола. Тобто дві деформуючі кульки, які установлені діаметрально протилежно на рухомому колі радіуса R₁, при його коченні всередині нерухомого направляючого кола радіусом R = 2 R₁ будуть наносити (при відповідному виставлянні головки відносно напряму подачі стола) дві взаємно перпендикулярні лінії, які направлені під кутом 45^о до подачі стола. При вмиканні подачі S на деталі буде наноситись приблизно рівномірний мікрорельєф у вигляді сітки ліній, які направлені під кутом ~ 45⁰ до напряму подачі стола (рис. 1,б), тобто забезпечується схема віброобкатування.

Максимальна ширина оброблюваної поверхні

.

Частота обертання направляючого кола діаметром D задається обертанням водила з частотою n , а частота обертання утворюючого кола n₁ = 2 n об/хв.

Очевидно, що швидкість обертання v на периферії утворюючого кола дорівнює швидкості обертання направляючого кола, тобто

.

За один оберт водила кулька переміщується на 2D тобто її середня швидкість

.

Необхідно відмітити, що швидкість кульки v_к найменша в крайньому положенні (v₁), коли вона змінює напрям руху, і постійно зростаючи досягає максимального значення (v₂) при проходженні центра направляючого кола.

При накладанні на рух кульки постійної подачі стола з заготовкою S₀ , її сумарна швидкість дещо збільшується. Крім того, внаслідок перемінної швидкості кульки v_к , траєкторія кульки дещо відхилиться від прямолінійної, а в крайніх положеннях кульки закругляються вершини траєкторії.

Необхідно відмітити, що кут нахилу ліній деформації до осі X, внаслідок подачі S_o, дещо відрізняється від 45^о. При відносно невеликих подачах S_o можна вважати, що (рис. 1,б) . Наприклад, для подачі S_o = 1 мм/об і D = 100 мм α = 0⁰12^’.

Головка забезпечує кращу рівномірність розміщення ліній деформації по всій оброблюваній поверхні. Максимальне відхилення відстані між лініями деформації в крайніх точках знаходиться в межах 1/4 - 3/4 S_o, але в центральній частині рівномірність розміщення ліній деформації значно краща.

Зусилля деформації забезпечується блоком попередньо напружених тарілчастих пружин. Така головка (рис. 1,б) призначена для обкатування довгих плоских поверхонь. Обробку широких поверхонь можна виконувати за декілька переходів, а вузьких – з застосуванням бокових пластин-підкладок.

Якщо в розглянутій головці замість двох деформуючих кульок застосувати одну і відповідно повернути головку відносно подачі стола верстата, то траєкторія переміщення кульки буде майже прямолінійною і ширина оброблюваної поверхні збільшиться до D (рис. 1, в), тобто будуть наноситись майже паралельні лінії деформації, які не пересікаються.

Такі головки оснащують сталевими загартованими кульками HRC 61-65 діаметром 5-15 мм і їх застосовують для обробки поверхонь твердістю HRC ≤ 45. Припуск під обкатування приймають дещо більшим ніж половина висоти мікронерівностей R_z вихідної поверхні і, в основному, глибина канавок в результаті віброобкатування залежить від зусилля деформації і для сталей 20Х і 45 знаходиться в межах 0,001-0,01 мм [4]. Орієнтовно висоту мікронерівностей після обкатування можна визначити за формулою

.

Через малу площу контакту між кулькою і деталлю, для забезпечення оптимального питомого тиску необхідна відносно невисока сила притискання. Наприклад, для кульки діаметром 10 мм і питомим тиском 1400 Н/мм² у випадку обкатування поверхонь з сталі 20 необхідна нормальна сила 500 Н, а при обкатуванні поверхонь з сталі У8 тискові 1800 Н/мм² відповідає сила 950 Н.

При обкатуванні сталей 20, 45, 20ХН3А, ШХ15, У8 та 18ХГТ найнижча шорсткість поверхонь забезпечується при питомому тиску 1400-1800 Н/мм². При цьому, при вихідній шорсткості R_a 2,5-1,6 мкм, в результаті обкатування досягається шорсткість R_a 0,125 і навіть R_a 0,063 мкм, тобто шорсткість поверхонь знижується на 4-5 класів. Взагалі, шорсткість вихідної поверхні в межах до R_a 5 мкм практично не впливає на шорсткість обробленої поверхні. Необхідно відмітити, що збільшення сил деформації відносно номінальних значень приводить до перенаклепу оброблюваних поверхонь, злущування і підвищення шорсткості.

Найбільш доцільним є обкатування з подачами S_o = 0,10-0,20 мм /об, які забезпечують підвищення продуктивності у 2-3 рази і не погіршують шорсткості обробленої поверхні у порівнянні з широко застосовуваними подачами 0,06-0,08 мм/об.

Щодо швидкості обкатування, то вона не суттєво впливає на шорсткість обробленої поверхні і для забезпечення високої продуктивності рекомендується швидкість 50-150 м/хв.

Література

1. Пшибыльский В. Технология поверхностной пластической обработки. М.: Металлургия, 1991.- 479 с.

2. Головка для обработки плоских поверхностей виброобкатыванием./ С.С. Добрянский, С.Г. Радченко.- Технология и автоматизация машиностроения: Респ. Меж вед. Науч.-техн. сб.,1986, вып. 37, с.34-37.

3. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: ГИТТЛ, 1956.- 608 с.
4. Киричок П.О., Олійник В.Г., Киричок Т.Ю. Зміцнення поверхонь металевих деталей. Київ: «Преса України», 2004.- 240 с.