Стойкость роликов при многопроходном накатывании крупнопрофильных резьб

3. Реченко, Д. С. Повышение качества высокоскоростного затачивания твердосплавных инструментов алмазными кругами с прерывистой поверхностью : дис. ... канд. техн. наук 05.03.01 ; защищена 23.12.09 / Д. С. Реченко. — Томск : Изд-во ТПУ, 2009. - 161 с.

4. Сипайлов, В. А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности / В. А. Сипайлов. — М. : Машиностроение, 1978. — 167 с.

5. Резников, А Н. Теплофизика резания / А Н. Резников. — М. : Машиностроение, 1969. — 288 с.

6. Смирнов, В. А Шлифование прерывистыми кругами с уп-ругодеформирующими элементами / В. А Смирнов. — СПб. : Техника, 2009. — 91 с.

7. Филимонов, Л. Н. Высокоскоростное шлифование / Л Н. Филимонов. — Л. : Машиностроение, 1973. — 246 с.

8. Глубинное шлифование деталей из труднообрабатываемых материалов / С. С. Силин [и др.]. — М. : Машиностроение, 1984. — 64 с.

АВЕРКОВ Константин Васильевич, аспирант кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава» Омского государственного университета путей сообщения.

РЕЧЕНКО Денис Сергеевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» Омского государственного технического университета.

ЛАСИЦА Александр Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры физики Омского государственного технического университета.

Адрес для переписки: е-шаД: averok@yandex.ru

Статья поступила в редакцию 28.07.2011 г.

© К. В. Аверков, Д. С. Реченко, А. М. Ласица

УДК 621.9.015 Н. Н. КОЧУРА

Омский государственный технический университет

СТОЙКОСТЬ РОЛИКОВ ПРИ МНОГОПРОХОДНОМ НАКАТЫВАНИИ КРУПНОПРОФИЛЬНЫХ РЕЗЬБ_________________________________

На основе исследования процесса резьбонакатывания определены основные причины возникновения накопленной погрешности шага и установлено, что максимальный шаг трапецеидальной резьбы, который можно получить за один проход, — 6 мм. Резьбы с большей величиной шага можно получить за счёт многопроходного резьбонакатывания. При увеличении количества проходов сама возможность накатывания определяется конструкцией заборной части роликов. Увеличение количества проходов приводит к уменьшению величины упроч-нения заготовки и контактного давления и, как следствие, к высокой стойкости резьбонакатных роликов.

Ключевые слова: накатные ролики, многопроходное накатывание, стойкость роликов.

На основании расчетов установлено, что причиной неудовлетворительно низкой стойкости роликов при накатывании крупнопрофильных резьб (с шагами более 6 мм) являются недопустимо большие величины контактных напряжений, что подтверждается практикой резьбонакатывания.

Из теории пластической деформации известно, что уменьшить величины контактных напряжений в процессе деформации можно за счет уменьшения величин единичных обжатий [1]. Это подтверждается практикой поперечно-винтовой прокатки крупных трапецеидальных резьб с шагами 8 и 10 мм. Ролики станков поперечно-винтовой прокатки имеют гораздо больше (в 2 — 3 раза) профилирующих витков, чем ролики резьбонакатных головок. За счет этого уменьшаются величины единичных деформаций, упрочнение резьбы меньше в 1,5 — 2 раза по сравнению с накатыванием головкой и стойкость роликов составляет 1 — 4 км накатанной резьбы.

При увеличении количества витков на заборном конусе роликов упрочнение профиля накатанной резьбы снижается. Однако при накатывании крупных

резьб для увеличения заборного конуса потребуется увеличить ширину роликов, переделать головку под ролики большей ширины. Это приведет к снижению жесткости головки, опасности заклинивания роликов и поломке силовых крышек. Кроме этого, значительно усложняется схема деформации. Точка перекрещивания осей роликов и заготовки находится приблизительно на расстоянии 1/3 ширины ролика от внутреннего торца передней крышки. Калибрующие витки при накатывании должны находиться близко от этой точки. При накатывании крупных резьб роликами с удлиненной заборной частью потребуется коррекция профиля витков и формы калибрующей и заборной частей резьбы. Это неизбежно приведет к существенному снижению универсальности головки.

Кроме того, уменьшение упрочнения профиля резьбы за счет увеличения числа витков на заборном конусе с 3 до 4 составляет, приблизительно 5 %, что недостаточно для существенного повышения стойкости.

Существенного повышения стойкости за счет изменения формы заборного конуса роликов не полу-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

чится, так как было установлено, что материал заготовки на последних стадиях резьбообразования достигает максимального упрочнения, а изменение формы заборного конуса не существенно изменяет условия деформирования.

Другой возможный путь повышения стойкости — это изготовление роликов из сталей и сплавов более твердых и прочных, чем Х12М и 6Х6ВЗМФС. Однако это приведет к резкому удорожанию роликов, а опасность поломки головки из-за очень больших сил, действующих при накатывании крупных резьб, не уменьшится. Этот путь не может быть рекомендован для широкого внедрения.

Существенного повышения стойкости можно ожидать при переходе на многопроходное накатывание. Это позволит существенно уменьшить величины единичных обжатий и, следовательно, величины контактных давлений и сил, действующих на ролики. Переход на многопроходное накатывание приведет к увеличению времени обработки и изменению конструкции резьбонакатной головки. Однако увеличение времени обработки в 3 — 4 раза не приведет к существенному увеличению себестоимости операции по сравнению с другими видами обработки резьб.

Попытки осуществить многопроходное накатывание крупных резьб комплектами роликов традиционной конструкции окончилось неудачей. Для реализации многопроходного накатывания осевыми головками необходимо изучить основные закономерности этого процесса и разработать работоспособные конструкции роликов и механизма головки.

Таким образом, для осуществления процесса многопроходного резьбонакатывания необходимо решить три основные задачи:

— исследовать и устранить причины смятия резьбы, накатанной на предыдущих проходах, и поломок роликов;

— разработать оптимальную схему деформации;

— разработать конструкцию головки, обеспечивающую быструю и точную настройку на проходы.

Кроме того, для определения пригодности этого инструмента для промышленного внедрения, необходимо определить ожидаемую стойкость роликов. Эта проблема может быть решена только экспериментальными исследованиями, для чего была изготовлена резьбонакатная головка с независимой настройкой, проведены накатывания резьб с шагами 8 и 16 мм и определена их микротвердость.

При конструировании роликов осевых головок основное внимание уделялось точности и чистоте поверхностей накатываемых резьб и минимизации сил накатывания и захвата заготовки. Анализа конструкций и схем деформирования с позиций стойкости не проводилось. Проведенные исследования, литературные и промышленные данные позволяют провести такой анализ, приняв за критерий величину контактных напряжений на последних профилирующих и первых калибрующих витках.

В экспериментах по исследованию напряженного состояния стальной цилиндрической заготовки при вдавливании в нее пуансонов различной формы, напряжения определялись методом муаровых полос. Вдавливались пуансоны, имеющие вид острого клина, клина с закруглениями и прямоугольника. Исследования показали:

1. Распределение деформаций вдоль линий контакта существенно отличается при вдавливании разных профилей пуансов; для случая острого клина максимум деформаций и наклепа сосредоточен на образующей профиля в верхней части отпечатка;

при вдавливании тупого клина с закруглением — во впадине отпечатка, при прямоугольном профиле характерны образования жесткого клина на горизонтальном участке отпечатка и максимального наклепа в углах профиля.

2. Глубина очага деформации при переходе от острого клина к тупому и прямоугольному пуансону при одинаковой глубине отпечатка растет пропорционально удельной нагрузке.

Таким образом, применительно к резьбонакаты-ванию можно сделать выводы:

1. При накатыванию метрических резьб наиболее предпочтительна профильная схема деформирования, то есть когда витки на профилирующей части имеют форму резьбы, но смещены по высоте.

2. При накатывании трапецеидальных резьб основную работу по деформированию должны выполнять витки закругленной формы. Здесь наиболее предпочтительна комбинированная схема деформирования и цилиндрическая схема профилирующей части.

Исследования сил накатывания [2] позволили определить, что при накатывании метрических резьб роликами с конической схемой заборного конуса силы накатывания в среднем на 14 % ниже, чем при накатывании роликами с цилиндрической схемой заборного конуса.

При накатывании трапецеидальных резьб коническая схема заборного конуса не может быть признана оптимальной, так как деформация трапецеидальным профилем связана с неравномерным упрочнением, а это, в свою очередь, вызывает концентрацию напряжений в уголках профиля, что подтверждается исследованиями микротвердости. При накатывании трапецеидальных резьб наиболее предпочтительна схема деформации, представлена на рис. 1.

Плавное приближение от закругленной формы профиля к трапецеидальной обеспечивает более ровное упрочнение по впадине резьбы, чем другие схемы деформации.

Правильность схемы деформирования можно оценить по распределению упрочнения по профилю резьбы. Анализ картины распределения твердости по сечению накатанной резьбы при однопроходном накатывании показал, что упрочнение по впадине неравномерное, особенно при накатывании трапецеидальных резьб. Причина этого заключается в особенности деформирования подобных профилей в условиях большого трения на контактирующих поверхностях. Образуется так называемая мертвая зона. Металл, находящийся в этой зоне, под действием сил трения и всестороннего (гидростатического) сжатия не деформируется, т.е. не упрочняется, а сама зона деформирует прилегающие к ней слои металла. Из-за действия этой зоны происходит растрескивание витков роликов. Уменьшить неблагоприятное влияние мертвой зоны можно, изменив схему деформации. Переход от закругленных витков к трапецевидным необходимо делать более плавно. Это уменьшает неравномерность упрочнения по впадине. Многопроходное накатывание позволяет сделать этот переход более плавным за счет уменьшения единичных обжатий.

Схема деформирования при многопроходном накатывании определяется условиями деформирования на последнем проходе, где напряжения максимальные и где происходит разрушение роликов. По мере резьбообразования увеличивается упрочнение и напряжения. Если не уменьшать площадь сечения деформирования, то последние витки на заборной ча-сти роликов будут перегружены, а первые —

%

Рис. 1. Предпочтительная схема деформации при накатывании трапецеидальных резьб

3 проход

2 проход

1 проход

теоретически продольный профиль технологически целесоодразный профиль

Рис. 3. Схема деформирования, разработанная для выравнивания упрочнения по впадине резьбы

недогружены. Это приведет к быстрому выходу их строя последних витков при неиспользованном ресурсе первых. Необходимо добиваться равномерного нагружения витков роликов для более равномерного выхода из строя, накатывание витками с седловиной не рекомендуется, так как это может привести к образованию складок на профиле резьбы и отслоению металла с поверхности, что существенно снижает работоспособность изделия.

С учетом этих особенностей была разработана схема деформирования для многопроходного накатывания трапецеидальных резьб (рис. 2). Особенностью этой схемы является плавный переход от закругленной к трапецеидальной форме с деформацией только по уголкам. Центр впадины на последних стадиях не деформируется, таким образом давление мертвой зоны на витки роликов меньше, как меньше и ее размеры. Причина сохранения неравномерности упрочнения заключается в том, что деформация при переходе от закругленного профиля к трапецеидальному происходит в направлении уголков, где и происходит максимальное упрочнение.

Представленная схема накатывания приводит к существенному упрочнению в уголках впадин и перегрузки витков резьбы роликов. Вопрос выравнивания напряжений на вершинах витков роликов может решиться за счет замены плоского участка вершины на радиусный, в пределах допускаемых величин (рис. 3).

Таким образом, схеме, принятой нами для многопроходного накатывания, присуще неравномерное упрочнение до впадины резьбы, но в меньшей степени, чем при схеме, принятой для однопроходного накатывания.

Пробное накатывание резьбы трап.46х8 показало, что растрескивание витков, характерного для одно-

Рис. 2. Схема деформирования для многопроходного накатывания трапецеидальных резьб

проходного накатывания подобных резьб при трехпроходном накатывании не происходит, что говорит о значительно меньшем уровне контактных давлений, чем при однопроходном накатывании.

Кроме того, сравнивая глубину деформации, степень упрочнения ресурс роликов для метрической и трапецеидальной резьбы можно сделать вывод о значительном влиянии на эти параметры и величины наличия выпуклой, радиусной части, позволяющей снизить напряжения, ориентировочно на 30 %.

Значительное влияние на величину напряжений имеет протяженность зоны контакта вдоль образующей стержня. Уменьшение площади контакта приводит к снижению максимальных напряжений. Это подтверждается классической задачей о вдавливании шарика в плоское тело.

Определить точное значение снижения напряжений весьма сложно, но по результатам измерения мощности, затрачиваемой на процесс накатывания — при многопроходном накатывании при сокращении величины обжатия — возможно.

При многопроходном накатывании максимальные силы и напряжении возникают на последнем проходе. На первых проходах силы и давления существенно ниже. Это объясняется меньшим упрочнением резьбы и тем, что на первых проходах резьба не полная и угол поворота линий скольжения значительно меньше. Таким образом, при определении стойкости роликов для многопроходного накатывания контактное давление следует определять на последнем проходе. Снижение ресурса стойкости роликов на первых проходах упрочнение резьбы не достигает максимального значения для данных условий, то есть при деформации материал продолжает упрочняться.

Исследования микротвердости во впадине резьбы трап. 48x8, накатанной за три прохода, из стали 45, показали, что в зоне максимального упрочнения (по уголкам впадины) материал упрочняется в два раза по отношению к исходной твердости заготовки, то есть коэффициент упрочнения к = 2. Таким образом, при накатывании трапецеидальных резьб с шагом 8 мм за три прохода можно ожидать стойкость до 1 км накатанной резьбы, как и при накатывании резьб с

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

шагом 6 мм за один проход, что вполне приемлемо, особенно при накатывании резьб на заготовках из нержавеющих сталей. Это значит, что многопроходное накатывание обеспечивает расширение области применения осевых резьбонакатных головок за счет существенного повышения стойкости роликов.

По результатам измерения микротвёрдости накатанной за 10 проходов резьбы можно сделать вывод, что величина упрочнения зависит не от величины шага, что справедливо для однопроходного резь-бонакатывания, а от величины внедрения витков роликов. При однопроходном накатывании конструкция заборной части пропорционально увеличивается с увеличением шага резьбы, поэтому шаг и глубина внедрения показатели идентичные. При многопроходном накатывании можно варьировать глубину внедрения роликов, т.е. получать необходимую глубину внедрения. Можно определить оптимальное количество проходов. Критериями оптимизации яв-

ляются производительность (чем меньше проходов, тем выше производительность) и контактные напряжения (чем больше проходов, тем ниже напряжения).

Библиографический список

1. Боровик, Л. И. Причины выхода из строя валков холодной прокатки / Л. И. Боровик, А. Ф. Пименов // Сталь. — 1961. — № 8. — С. 716 — 719.

2. Султанов, Т. А. Резьбонакатные головки / Т. А. Султанов. — М. : Машиностроение, 1966. — 135 с.

КОЧУРА Николай Николаевич, аспирант кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» Омского государственного технического университета. Адрес для переписки: e-mail: mansur855@mail.ru

Статья поступила в редакцию 30.05.2011 г.

© Н. Н. Кочура

УДК 621.95 : 669.295 Д. — . МАКАШИН

Омский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ ВИДА ПОДТОЧКИ ПОПЕРЕЧНОЙ РЕЖУЩЕЙ КРОМКИ НА ОТКЛОНЕНИЕ ОТ ЦИЛИНДРИЧНОСТИ ПРИ СВЕРЛЕНИИ ТИТАНОВОГО СПЛАВА

Приведен анализ влияния веда подточки поперечной режущей кромки на отклонение от цилиндричности при сверлении титанового сплава. Показано влияние геометрии подточки на процесс стружкообразования. Представленные результаты позволяют выбрать способ подтачивания поперечной режущей кромки для повышения качества отверстия после сверления титановых сплавов. Ключевые слова: сверление, титановые сплавы, подточка сверла.

Отверстия деталей для топливно-регулирующей аппаратуры из титанового сплава после сверления имеют отклонения от цилиндричности, превышающие допуск. Для определения геометрии подточки поперечной режущей кромки сверла, при сверлении которым наблюдается меньшее отклонение от цилиндричности, был собран экспериментальный материал, для анализа которого применен однофакторный дисперсионный метод. Для сверления использовались сверла с углом со, равным 12°, углом 2j, равным 115°, длиной поперечной режущей кромки 0,08d мм, шириной ленточки сверла 0,14d, диаметром 5 мм и биением режущий части относительно хвостовика 0,01 мм. В эксперименте менялся вид подточки, остальные геометрические параметры сверла оставались фиксированными. Сверла цельные, изготовлены из твердого сплава 7075 фирмы Guhring. Материал обрабатываемой детали — титановый сплав Вт3-1. Все эксперименты проводились с подачей СОЖ напорной струей. Сверление отверстий проводилось на станке Mazak, режущая часть сверл изготовлена на станке Walter Mini Power, контроль полученных

Таблица 1

Сверло, № Вид подточки Отклонение от цилиндричности, мкм

1 Форма А 12,1

2 Форма А 13,4

3 Форма В 12,2

4 Форма В 13,8

5 Форма С 13,3

6 Форма С 14,1

7 Круговая подточка 8,7

8 Круговая подточка 9,3