книги из ГПНТБ / Шнейдер, Юрий Григорьевич. Холодная бесштамповая обработка точных деталей давлением

Необходимость обкатывания шеек осей тепловозов была вызвана тем, что с переходом на роликовые подшипники в зоне запрессовки на оси возникают напряжения, резко снижающие усталостную прочность осей. Шейки осей обкатываются на заводе на токарном станке с помощью трехроликового гидравлического устройства; эта операция выполняется в поточной линии механической обработки осей тепловозов.

Режим обкатывания: давление на ролики 4000 ч- 4500 кг; подача 0,47 мм/об; число оборотов заготовки оси в минуту — 45. Рабочий

профиль ролика состоит из двух сопряженных участков в виде кривых; один из них, с радиусом, равным 25 мм, служит для обка­ тывания цилиндрической части оси,

тичь той же чистоты поверхности, что и за несколько проходов. Поэтому во всех случаях целе­

сообразно опытным путем установить оптимальную величину давле­

ния, производя в дальнейшем обкатывание за один проход. Лишь в тех случаях, когда конфигурация заготовки такова, что не допу­ скает приложения значительных давлений (тонкие длинные валы,

лостная прочность» (фиг. 163) таков же, как зависимости «давление —

чистота поверхности». При правильно выбранной величине давления обкатыванием роликами может быть достигнуто повышение уста­

лостной прочности в несколько раз. Столь благоприятное влияние объясняется тем, что в результате обкатывания в поверхностном слое металла создаются наклеп и остаточные напряжения сжатия,

которые, складываясь алгебраически с напряжениями растяжения, действующими в процессе работы деталей, уменьшают амплитуду цикла, в результате чего повышается усталостная прочность деталей машин и их долговечность. Все исследования подтверждают, что повышение наклепа до самой высокой степени приводит к повы­

шению и усталостной прочности. Однако необходимо учитывать, что

при наклепе деталей с неупрочненными концентраторами напря­ жений (канавки, надрезы) повышения усталостной прочности не про­

исходит [64 ].

253

Обкатывание способствует также повышению износостойкости поверхностей, так как оно сопровождается резким увеличением

их опорной несущей части и повышением твердости. Площадь опор­ ной поверхности после тщательно выполненного обкатывания роли­ ками достигает 80—90%.

Исследования, проведенные в ЦНИИТМАШ [65], показали, что обкатывание роликом трансмиссионных валов из стали 35 по 10ч-11-му классам чистоты с повышением твердости по сравнению с исходной на 33% и последующее хромирование приводят к значи­

тельному повышению износоустойчивости и коррозионно-усталостной

прочности валов. Столь высокие показатели в отношении микро-

б)

о=112кг 5=0,113 ММ/об

Фиг. 165. Профилограммы поверхностей, обкатанных роликами с различной пода­ чей (а); зависимость между подачей ролика и пределом усталости (б).

геометрии и повышения твердости достигались при следующих усло­

вом проходе г — 2 мм, при втором г± = 10 мм; смазка — масло. Изменение твердости в зависимости от давления обкатывания носит такой же характер, как изменение микрогеометрии, наклепа и уста­ лостной прочности.

Другая составляющая режима обкатывания — подача — суще­

ное для данных условий обработки давление, уже при одном про­ ходе удается добиться высокой чистоты поверхности — 8 ч- 9-го классов при исходной чистоте 5ч-6-го классов. При подачах значи­ тельно больших (0,3 мм/об) чистота поверхности, аналогично случаю

обработки резцом, заметно ухудшается. Однако, увеличивая радиус контура или ширину цилиндрической ленточки, а также число роликов или число проходов, можно и при подаче 0,5 ч- 0,6 мм/об получить высокую чистоту поверхности. Все сказанное относится

к основной — поперечной шероховатости; продольная шероховатость резко улучшается при обкатывании и с большими подачами.

С увеличением подачи возрастают высота и шаг шероховатостей (фиг. 165, а), уменьшается предел усталости (фиг. 165, б), а также

254

твердость обрабатываемой обкатыванием поверхности, которая при­

При чистовом обкатывании величина подачи должна выбираться

в зависимости от требуемой чистоты поверхности (s = 0,1 -е- 0,2 мм!об), а при упрочняющем — в зависимости от необходимой степени упрочнения.

Глубина наклепа 5 аналитически может быть определена по

формуле 1

Скорость обкатывания практически не влияет на качество обрабатываемой поверхности (по крайней мере в пределах

200 м/мин). По-видимому, скорость распространения пластической деформации, в результате которой происходит сглаживание шеро­ ховатостей, превышает скорость обкатывания. 21 Поэтому во всех случаях целесообразно с целью повышения производительности обкатывания работать с предельно осуществимыми скоростями и не­ большими подачами.

На*грев заготовки в процессе обкатывания, как правило, незна­ чителен и редко превышает 4050°. Поэтому применения охлажде­ ния не требуется. Учитывая же имеющее место проскальзывание роликов относительно поверхности заготовки (особенно в напра­ влении подачи), а также трение, возникающее в процессе сглажи­ вания шероховатостей, во всех случаях целесообразно применять смазку, которая, уменьшая трение, одновременно служит для смы­ вания мелких частиц металла, отделяющихся от заготовки. В качестве смазки пригодны жидкие масла (типа веретенного), а также керосин,

способствующий образованию высококачественной, с хорошими деко­ ративными свойствами поверхности. Допустимо и применение более густых масел, однако работа с ними затрудняет наблюдение за обра­

батываемой поверхностью.

1 См. Хейфец С. Г., Аналитическое определение глубины наклепанного слоя при обкатке роликами стальных деталей, Труды ЦНИИТМАШ, книга 49, 1957 г.

2 Автором проводились испытания по обкатыванию сталей шариками со скоро­

255

Обработка, предшествующая обкатыванию определяет не только режим, но и результаты обкатывания в отно­ шении точности и качества получаемой поверхности.

В отличие от любого отделочного процесса, сопровождающегося снятием стружки, при обкатывании роликами дефектный слой, образовавшийся во время предварительной обработки, не устра­ няется, а лишь видоизменяется, и поверхность приобретает новые механические свойства. Поэтому, например, грубая обдирочная резцовая обработка, сопровождающаяся образованием глубоких рисок, трещин и вырывов, непригодна в качестве предварительной

Фиг. 166. Уменьшение диаметра в зависимости от давления.

под обкатывание. В этом случае под наклепанным слоем металла может остаться дефектный слой, снижающий эксплуатационные свойства детали. Кроме того, большие и неравномерные по высоте и шагу шероховатости исходной поверхности приводят к образова­ нию поверхности, неоднородной («пятнистой») по микрогеометрии и твердости.

Если учесть, что обкатывание практически не исправляет форму и не устраняет волнистость исходной поверхности, а точность раз­ меров, получаемых после обкатывания, зависит в первую очередь

от равномерности ее шероховатостей (по высоте и шагу), то станет очевидно, что обработку, предшествующую обкатыванию, целесооб­

разно производить тем тщательнее, чем выше требования к качеству поверхности, к точности формы и размеров детали. Изменение раз­ меров при обкатывании может регулироваться за счет изменения давления, однако в небольших пределах и с невысокой точностью.

Вкачестве обработки, предшествующей обкатыванию роликами,

взависимости от требований, предъявляемых к качеству поверхности

иточности обрабатываемых деталей, применяется получистовое

256

и чистовое точение и реже — получистовое шлифование. Выявить

оптимальные условия отделки и упрочнения обкатыванием, завися­

щие от большого числа сложно сочетающихся факторов, в настоящее время можно лишь опытным путем.

Таблица 29

Значение поправочных коэффициентов величин подачи (Ks) и уменьшения диаметра

(7<д) в зависимости от исходной чистоты поверхности, твердости обрабатываемого

ваемого металла, от диаметра заготовки, исходной и требуемой чистоты поверхности. Примерное уменьшение диаметра заготовки при обкатывании по 7-му классу чистоты — 0,03 мм, а по 8 и 9-му классам — 0,035 мм.

Обкатывание плоских поверхностей роли­

ками пока не нашло столь широкого применения, как обработка цилиндрических поверхностей; лишь в самое последнее время в Совет­ ском Союзе и за рубежом проведены испытания и на некоторых заво­ дах внедрен в производство метод обкатывания плоских направляю­ щих станин металлообрабатывающих станков взамен шлифования и шабрения.

в)

Для обработки плоских поверхностей применяются роликовые накатки, принципиально не отличающиеся от накаток, используемых для обработки цилиндрических поверхностей.

На фиг. 167 показаны схемы обкатывания плоской поверхности роликом (а) и шариком (б) на поперечно-строгальном станке, шари­

испытаний обкатывания шариками направляющих чугунных станин доказывают эффективность и перспективность применения этого способа обработки взамен трудоемкого шабрения.

На Уралмашзаводе обкатывание роликом направляющих крупных станков (длиной до 12 м) во время капитального ремонта произво-

258

Дится после финишного строгания быстрорежущими широкими рез­ цами на продольно-строгальных станках. При втором проходе с глу­ биной резания 0,1 -4- 0,2 мм, подачей 8 -н 10 мм/дв. ход и скоростью резания 6 4-8 м/мин (ширина рабочей части кромки резца равна

20 мм) достигается под обкатывание чистота поверхности 5 -4- 6-го класса.

На фиг. 168 показаны две конструкции применяемых однороли­

ковых накатных устройств. Накатка с роликом 1 диаметром 50 мм

Фиг. 168. Конструкции однороликовых накаток, рассчитанных на усилие обкатывания: а — до 600 кг; б — до 1500 кг.

(фиг. 168, а) рассчитана на усилие накатывания в пределах 600 кг,

регулируемое сжатием пружины 2 гайкой 5; положение ролика фиксируется винтом 4.

Накатка с роликом диаметром 70 мм (фиг. 168, б) состоит из кор­ пуса 1, ролика 2 и штока 3 с пружиной 4, рассчитанной на создание

Таблица 30

Режим обкатывания направляющих станков роликами

усилия накатывания до 2500 кг. Ролики установлены на игольчатых

подшипниках.

Ролики сферической формы (радиус от 50 до 200 мм) изготовляются из стали марки ХВГ и закаливаются до твердости RC = 62 ч 64.

При обкатывании используется как прямой, так и обратный ход стола, для чего доска с накаткой жестко скрепляется с суппортом.

Значения усилий накатывания и подач при работе роликами раз­

-Сравнительные испытания на сухое трение шабренных и обкатан­ ных образцов выявили у последних увеличение стойкости против задиров. Если у образцов с шабреными поверхностями контакта задиры происходят при нагрузке 3 кг/см2, то у образцов с одной обкатанной поверхностью — при 6 кг/см*. Коэффициент трения сни­

жается примерно на 20%. Эти данные весьма близки к результатам исследования, проведенного за рубежом 168], которое выявило следующие качественные показатели метода обкатывания напра­ вляющих чугунной станины и сопрягаемого с ней ползуна:

а) твердость повышается с НВ = 131 до НВ = 154;

60ч65% номинальной поверхности направляющей длиной 3000 мм, что соответствует особо тщательному шабрению; глубина отдельных рисок не превышает 1 --2 мк (фиг. 170). Улучшение структуры и микрогеометрии, а также увеличение опорной поверхности не только повышают износостойкость обкатанных поверхностей по сравнению

260

«)

Фиг. 170. Сечения поверхности чугунной направляющей: а — после строгания; б — после обкатывания.

261

с обработанными шабрением, но также приводят к улучшению усло­ вий их работы на трение и к уменьшению усилий, необходимых для перемещения частей станка относительно друг друга.

Таблица 31

Величины износа и усилий при перемещениях ползуна по направляющим станины,

В табл. 31 приведены данные сравнения износа Q и величины

усилия Р, необходимого для перемещения ползуна в горизонталь­ ном направлении у шабреных и обкатанных роликом станины и пол­ зуна.

Обкатывание роликами может быть успешно применено для чистовой и упрочняющей обработки самых различных деталей машин и приборов, ограниченных плоскими поверхностями.

Плоские торцовые поверхности деталей •— тел вращения могут обрабатываться обкатыванием на токарных станках после подре­ зания; в этом случае используются те же однороликовые накатки,

что и для обработки наружных цилиндрических поверхностей.

Обкатывание внутренних утопленных торцовых поверхностей

в деталях типа чашек, фрикционов и колес также может быть осу­ ществлено на токарных, расточных и сверлильных станках, однако это потребует изготовления специального инструмента.

Такого рода инструмент — многороликовая накатка (фиг. 171) применяется на Горьковском автомобильном заводе для обработки внутренней торцовой плоскости в чашке сателлитов дифференциала заднего моста под упорный торец шестерен полуоси ГАЗ-51 (мате­ риал— ковкий чугун). В корпусе 1 смонтировано упорное кольцо 5, удерживаемое винтом 3 и шпонкой 2, и сепаратор 6 с роликами 4. В сепаратор вставляются три ролика (через каждые 120°), опреде­ ляющие плоскость контакта. При износе пазов сепаратора ролики

переставляются в другие пазы; всего в сепараторе двенадцать пазов.

Накатывание производится на вертикально-сверлильном станке 2135;

накатка закрепляется в плавающей оправке; что обеспечивает

самоустанавливаемость роликов относительно обрабатываемой по­

верхности.

Чугунная чашка, предварительно обработанная на токарном

автомате с чистотой поверхности 6 -н 7-го классов, весьма произ­ водительно обкатывается описанным способом до 9 10-го класса,

262