Накатывание ротационными инструментами

10.1. Классификация инструментов.

10.2. Накатывание роликовыми инструментами.

10.3. Режим накатывания роликовым инструментом.

10.4. Накатывание шариковыми инструментами.

10.5. Режим обработки шариковыми инструментами.

10.6. Точность и качество поверхностей, обработанных роликовыми и

шариковыми инструментами.

10.1. Инструменты, деформирующие элементы которых взаимодействуют с обрабатываемой деталью в условиях трения качения, относят к ротационным инструментам. Разновидностей инструментов этого класса значительно больше, чем инструментов класса дорнования. Ротационные инструменты широко применяются при отделочной, калибрующей и упрочняющей обработке наружных и внутренних цилиндрических поверхностей, конических, шаровых, фасонных и плоских поверхностей, резьб различного 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 месту приложения нагрузки к деформирующему элементу инструменты могут быть с жестким и упругим контактом с обрабатываемой деталью. По схеме работы они разделяются на простые и планетарные, а по количеству деформирующих элементов – на одно- и 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 точечных контакт шарика с обрабатываемой поверхностью.

Из-за высокой чувствительности одноэлементных ротационных 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, 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.

10.2. Типы роликов и материал для их изготовления. Наиболее часто встречающиеся формы роликов приведены на рис. 10.1. Ролик с цилиндрическим пояском и коническим заборным и обратным конусами (рис.10.1, 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 a₁ = a₂ = 5 ^о, а при накатывании деталей с большими усилиями углы a₁ и a₂ увеличивают до 7-10 ^о. Переходы от цилиндрического пояска к заборному и обратному конусам следует закруглять радиусом 0,1-0,4 мм.

Рис. 10.1. Типы роликов для накатных инструментов

Ролики с профильным радиусом (рис. 10.1, б) применяются для обработки деталей малой жесткости, а также для накатывания галтелей и радиусных канавок. С уменьшением радиуса закругления r глубина наклепа увеличивается, но увеличивается и 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. 10.1, в) используются, например, для накатывания шеек осей колесных пар. Для облегчения установки ролика относительно образующей обрабатываемой поверхности используется ролик, показанных на рис. 10.1, г.

Цилиндрический и конический ролики не имеют материализованной оси (рис. 10.1, д). Для уменьшения пятна контакта цилиндрический ролик устанавливается под некоторым углом к образующей обрабатываемой поверхности. Небольшой 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 Rа = 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 60-65 НRС_э. Иногда ролики изготовляют из твердых сплавов ВК6 и ВК8.

Однороликовые инструменты. Конструкции однороликовых инструментов 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 упрочнения жестких деталей больших размеров.

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 серийном и массовом производстве применяются многороликовые устройства, усилия деформирования в которых осуществляются механическим (пружинами), гидравлическим и пневматическим нагружением роликов.

На рис. 10.2 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.

Рис. 10.2. Двухроликовое устройство упругого действия

10.3. В зависимости от назначения обработки ППД – отделочная, упрочняющая или отделочно-упрочняющая, режим обработки будет различным. Особенно 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:

б) для внутренних цилиндрических поверхностей:

где D – диаметр обрабатываемой поверхности; b – ширина цилиндрического пояска ролика; q – наибольшее удельное давление; E – модуль упругости обрабатываемого материала; d – диаметр деформирующего ролика.

Значение удельного давления при ориентировочных расчетах можно принять q = (1,8-2,1)s_т, где s_т – предел текучести обрабатываемого материала. Его значения берут в зависимости от материалов и исходной шероховатости поверхности.

Подачу при накатывании можно определить, исходя из заданной шероховатости после обработки ППД, по формуле

В связи с тем, что расчетная формула не учитывает пластическое течение 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 Rа = 0,32-0,63 мкм.

При упрочняющей обработке, когда накатыванием создается наклепанный слой, величину усилия деформирования можно определить по следующей зависимости: Р = 2а²sm²,

где а – глубина наклепанного слоя, величина которой выбирается в пределах 0,02R£а£0,1R (R – радиус упрочняемой детали); m – поправочный коэффициент, учитывающий кривизну контактирующих поверхностей.

Величина коэффициента m определяется по формуле

где d – диаметр обрабатываемой детали; r – радиус профиля ролика; R_пр – радиус профиля детали в осевом сечении.

В качестве смазки при отделочном и упрочняющем накатывании следует применять машинное и веретенное масло, эмульсию.

10.4. 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 шарики 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 соотношением длины к диаметру, а также деталей, имеющих неравную жесткость в радиальном направлении. Шариковые инструменты являются рентабельными при использовании их в единичном и мелкосерийном производстве.

По сравнению с роликовым инструментом, имеющим линейный контакт, производительность инструмента с шариковыми деформирующими элементами значительно ниже, что связано с точечным контактом шариков. В этом заключается их основной недостаток.

Одношариковые инструменты. Жесткий одношариковый инструмент, используемый на токарных и карусельных станках, показан на рис. 10.3. 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 сепаратором 2. Сепаратор к корпусу крепится винтами 3.

Рис. 10.3. Жесткий одношариковый накатник

Многошариковые инструменты. Многошариковые инструменты служат для устранения одностороннего усилия накатывания на обрабатываемую деталь, повышения производительности обработки и 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. 10.4 показан двухшариковый инструмент 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.

Рис. 10.4. Двухшариковая упругая раскатка для отверстий Æ30-50 мм

10.5. При отделочно-упрочняющей обработк6е усилие деформирования шарика приближенно можно определить по формулам:

а) для наружных цилиндрических поверхностей:

б) для внутренних цилиндрических поверхностей:

где D – диаметр обрабатываемой поверхности; q – наибольшее удельное давление; E – модуль упругости обрабатываемого материала; d – диаметр шарика.

Необходимую величину подачи на шар можно определить из приведенной выше зависимости. А для получения заданной шероховатости поверхности полученную величину подачи следует уменьшить на 40-50%.

10.6. Обкатывание и раскатывание роликовыми и шариковыми инструментами жесткой конструкции можно рассматривать как калибрующий процесс, позволяющий уменьшить погрешности геометрической формы поверхностей, полученных при обработке резанием на предшествующей операции, и сузить в некоторой степени поле допуска предварительно обработанной поверхности. Однако жесткие инструменты создают необходимое усилие деформирования в зоне контакта за счет величины натяга, незначительное увеличение которого приводит к заметному изменению качества поверхностного слоя (шероховатость, твердость, остаточные напряжения, микроструктура и т.п.). Поэтому лишь для деталей с поверхностями малых диаметров поле допуска меньше величины натяга, и в этом случае можно ожидать значительное сужение величины допуска после обработки ППД. Во всех других случаях поле допуска предварительно обработанной поверхности будет или близко к величине натяга, или больше его и поэтому сужение для допуска происходит на небольшую величину или вовсе не происходит.

Практически при обработке поверхностей с диаметром 20-80 мм, выполненных по 7-8 квалитетам точности, происходит их уточнение на 1-1,5 квалитета. Но изготавливать поверхности по 9-11 квалитетам точности нельзя, так как поле допуска становится равным или больше величины натяга, в связи с чем после обработки оно может быть сужено на небольшую величину либо этого не произойдет, так как часть деталей не подвергается пластической деформации.

Таким образом, точность обработки ППД ротационными инструментами может достичь 6-7 квалитетов, при этом должна быть обеспечена точность поверхностей, обработанных под накатывание, соответственно 7-8 квалитетам. Обкатывание и раскатывание шариковыми и роликовыми инструментами упругого действия не может изменить форму поверхности детали, но вследствие остаточной деформации изменяется ее размер. Поэтому упругими инструментами обрабатываются детали 8-10 квалитетов точности, практически без уточнения их размеров, а также поверхности 6-8 квалитетов, требующих отделочной обработки.

На шероховатость поверхностей, обработанных инструментами ротационного действия, оказывает влияние большое число факторов: усилие (натяг) деформирующего элемента, подача, исходная шероховатость, физико-механические свойства обрабатываемого материала и др. Варьируя этими параметрами, можно получить шероховатость обработанной ППД поверхности в широком диапазоне.

Практически обработка ППД используется для получения шероховатости Rа = 0,63-0,08 мкм для сталей и Rа = 1,25-0,63 мкм – для чугуна. Для получения шероховатости Rа = 0,08-0,16 мкм рекомендуется предварительную обработку осуществлять точением с Rz = 20-40 мкм или шлифованием с Rа=1,25-0,32 мкм, а для получения шероховатости Rа = 0,16-0,63 мкм предварительную обработку точением следует производить с Rz = 40-80 мкм и шлифованием с Rz = 20-40 мкм. Закаленные стали должны иметь исходную шероховатость не ниже Rа = 0,63-0,32 мкм. В этом случае можно получить шероховатость обработанной поверхности с Rа = 0,16-0,32 мкм.

Ротационная обработка поверхностей шариковыми и роликовыми инструментами создает в поверхностном слое напряженное состояние, причем глубина упрочненного слоя может изменяться от десятых и даже сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров. При отделочной обработке, когда инструмент работает на оглаживающих режимах, твердость поверхностного слоя увеличивается на 15-25%, а при упрочняющей – на 80-120%.

Глубина наклепа при отделочной обработке сырых сталей достигает десятых, а закаленных сталей – сотых долей миллиметра. Упрочняющая обработка сопровождается проникновением наклепанного слоя на глубину 1-5 мм.

На величину и глубину залегания остаточных напряжений при обработке шариковыми и роликовыми инструментами оказывают влияние геометрические параметры и размеры деформирующих элементов, их количество, режим обработки, структура и свойства обрабатываемого материала. Для большинства процессов ППД шариковыми и роликовыми инструментами максимальные окружные остаточные напряжения сжатия изменяются в пределах 300-800 МПа, причем в большинстве случаев минимальная их величина располагается не на поверхности, а на некотором удалении от нее. Остаточные напряжения при обкатывании многошариковыми инструментами выше в 1,5 раза, чем при обработке роликовыми.

Обеспечение малой шероховатости, получение поверхностного слоя с повышенной твердостью, наведение в этом слое сжимающих остаточных напряжений приводит к тому, что при накатывании различных поверхностей шариковыми и роликовыми ротационными инструментами значительно повышаются эксплуатационные свойства деталей машин. Обработка таким методом поверхностей существенно повышает их износостойкость по сравнению с тонким шлифованием, хонингованием, суперфинишем, полированием. Период приработки таких поверхностей в 5-20 раз меньше по сравнению с поверхностями, обработанными абразивными инструментами.

Усталостная прочность деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, чугуна и цветных металлов и обработанных шариковыми или роликовыми инструментами, значительно повышается. Усталостная прочность при обработке ППД повышается у гладких, ступенчатых деталей, деталей с напрессованными втулками и т.д. Так, упрочнение одношариковой обкаткой (диаметр шарика 15 мм и усилие накатывания 450 Н) повышает усталостную прочность в 1,75 раза по сравнению со шлифованными образцами. Накатывание образцов многошариковой, а также однороликовой головкой (диаметр ролика 80 мм, профильный радиус 2,5 мм и усилие обкатывания 500Н) практически мало изменяет предел выносливости по сравнению с накатыванием одношариковой головкой. Образцы, накатанные торовым роликом, увеличивают предел выносливости в 1,5 раза, а многороликовой головкой – на 27%.

Накатывание и раскатывание сырых и особенно закаленных сталей повышает контактную усталостную прочность у деталей типа колец, подшипников качения, обгонных роликовых муфт, крестовин карданных валов, валков прокатных станов и др.

ЛЕКЦИЯ 19