Формирование шлицев на валах методом накатки

УДК 621.771

ФОРМИРОВАНИЕ ШЛИЦЕВ НА ВАЛАХ МЕТОДОМ НАКАТКИ

Канд. техн. наук, доц. СИДОРЕНКО М. И.

Белорусский национальный технический университет

Технология современного производства деталей машин и механизмов характеризуется снижением удельного веса обработки металлов резанием и все более возрастающим применением различных методов обработки давлением. Это позволяет значительно уменьшить отходы металла в стружку, сократить расход электроэнергии, снизить трудоемкость процессов. Кроме того, детали, изготовленные методом давления, обладают более высокими механическими свойствами, имеют лучшую структуру и более высокие эксплуатационные характеристики, чем детали, полученные резанием.

Данная концепция применима и к деталям, имеющим щлицевые части, таким как разжимные кулаки, шлицевые валы, карданы и т. д. Доля подобных деталей в современном машиностроении весьма существенна. Применение новейших методов получения наружных шлицев на разного рода деталях, к которым относится накатка, имеет широкие перспективы. Из методов накатки эвольвентных шлицев на валах в последние годы получила развитие технология ударного накатывания фирмы Э. Гроб. Однако оборудование для реализации этого процесса сложное и дорогостоящее, поэтому его целесообразно использовать в массовом и крупносерийном производстве. Кроме того, есть определенные технологические трудности в его применении для накатывания прямоугольных шлицев.

В этой связи разработан и используется в промышленности ряд приспособлений, позволяющих как накатывать, так и прикатывать боковые поверхности прямобочных шлицев на гидравлических прессах [1-5]. Одно из таких приспособлений разработано и используется в ОАО «МАЗ».

Устройство (рис. 1) состоит из корпуса 1, в отверстии которого размещены сегменты 2 и дисковые профильные ролики 3 с осями 4, двух стаканов 5 и 6 с торцовыми пазами, установочного кольца 7 и крышки 8 [5, 6]. Сегмен-

Наука и ехника, № 4, 2012

ты 2 выполнены клиновидными с продольными пазами 9. На установленных в корпус 1 сегментах 2 их плоские базовые поверхности 10 расположены под небольшим углом у (1°-2°) относительно центральной оси 11.

Ролики 3 насажены на оси 4 с возможностью вращения и вместе с ними расположены так, что ролики частично входят с зазором (0,2-0,5 мм) в пазы 9 сегментов 2 (рис. 1) и пазы 12 и 13 стаканов 5 и 6, имея возможность перемещения в обе стороны вдоль своих осей, а оси 4 установлены между торцами стаканов 5 и 6 и сопрягаются с базовыми поверхностями 10 сегментов 2.

Б 20 11 10

8 9 5

Б-Б

20

1

5 3

13

6 7 9

А-А А I / 4

3 11

19

Рис. 1. Устройство для накатывания прямобочных шлицев на валах

На осях 4 с целью уменьшения контактного напряжения и исключения возможности вращения опорные поверхности 14 выполнены плоскими, расположенными параллельно их образующим (рис. 2).

На роликах 3 симметрично их рабочему профилю с поверхностями 15 и 16 дополнительно выполнены два ориентирующих конуса 17 и 18 (рис. 2).

У

4

4

3

Б

2

17 15

14 4

11 14

Рис. 2. Конструкция накатных роликов и опорных осей

В рабочем положении, когда линии 19 осей расположены от центральной оси 11 на расстоянии М (рис. 1), конусы 17 и 18 каждого ролика сопряжены и взаимодействуют с такими же конусами двух соседних роликов.

На рабочий размер М все ролики 3 устанавливают одновременно (при снятой крышке 8) путем перемещения роликов 3 с осями 4 вниз вдоль оси 11 до соприкосновения всех роликов ориентирующими конусами 17 и 18, обеспечивая их беззазорное соединение. Это происходит за счет перемещения осей по наклонным поверхностям 10 сегментов 2. Для установки роликов по высоте в одной плоскости под стакан 6 подкладывают соответствующей толщины кольцо 7. После этого закрепляют крышку 8 и прижимают стакан 5 винтами 20 (рис. 1).

В настроенном устройстве рабочие профили роликов образуют правильный замкнутый мно-гошлицевый контур, соответствующий контуру обрабатываемого вала. Конструкция позволяет создание предварительно напряженного много-шлицевого контура. Рабочий размер М определяют расчетным путем исходя из размеров обрабатываемого вала, количества шлицев, диаметра роликов и других параметров.

Углы ф (рис. 2) ориентирующих конусов 17 и 18 и расстояние между их вершинами на роликах 3 определяют по формулам:

, 360° _ _ _ _ ф

ф = 180°--; C = 2Mctg—,

n 2

где п - число роликов в устройстве; М - установочное расстояние от осей роликов до центральной оси устройства.

Устройство работает следующим образом. После установки его на стол гидропресса обрабатываемую заготовку вставляют в отверстие крышки 8 до касания с роликами 3, а затем ее перемещают вдоль оси штоком гидропресса и накатывают шлицы. Процесс накатывания завершается после выхода заготовки из зацепления с роликами.

При накатывании ролики 3 вращаются на осях 4 и каждый из них ориентирующими конусами 17 и 18 обкатывается по таким же конусам соседних роликов. Радиальные усилия накатывания воспринимают сегменты 2, осевые - диск 6, а тангенциальные от каждого ролика -его соседние ролики.

Основное преимущество предлагаемого устройства перед известным и другими аналогичными устройствами заключается в том, что благодаря дополнительным ориентирующим конусам 17 и 18, выполненным на роликах 3, и совместной радиальной установке роликов 3 и осей 4 на наклонные поверхности 10 сегментов 2, при которой каждый ролик своими ориентирующими конусами 17 и 18 сопряжен без зазоров с такими же конусами соседних роликов, в нем обеспечена наиболее высокая точность расположения рабочих профилей роликов относительно центральной оси 11 устройства (оси обрабатываемого вала), так как ориентация каждого ролика осуществляется соседними роликами без каких-либо дополнительных средств. Тангенциальному и угловому смещениям роликов препятствуют ориентирующие конусы соседних роликов, что обеспечивает повышение точности накатывания шлицев.

Кроме того, применение осей 4 роликов с плоскими опорными поверхностями 14, которыми они сопряжены с базовыми поверхностями 10 сегментов 2, упрощает конструкцию и позволяет уменьшить габаритные размеры устройства. Для одного и того же обрабатываемого вала с применением роликов одинакового диаметра при прочих равных условиях диаметр корпуса предлагаемого устройства может быть

Наука ит ехника, № 4, 2012

ф

4

выполнен примерно в два раза меньшим, чем в известных устройствах, у которых ролики установлены в роликодержатели, а для регулировки используются клинья.

Данное устройство является универсальным и может быть использовано для чистовой обработки предварительно нарезанных шлицев и формообразующего накатывания (без предварительного нарезания шлицев), что расширяет его технологические возможности.

При проектировании технологической оснастки и выборе прессового оборудования необходимо знать направление и величину усилий, возникающих в процессе накатки шлицев. На усилие накатки в основном оказывают влияние такие факторы, как степень обжатия вала, диаметр накатного ролика, отношение этого диаметра к диаметру оси ролика и твердость заготовки.

Для определения значения среднего нормального контактного напряжения в очаге пластической деформации на начальном этапе внедрения ролика в тело заготовки процесс будем рассматривать как задачу внедрения пуансона в полупространство [6-8] при отсутствии контактного трения (рис. 3).

' Z

Рис. 3. Возможное поле линий скольжения при начальном этапе внедрения ролика в заготовку

Тогда значение среднего нормального контактного напряжения на поверхности ролика согласно [8] будет определяться по формуле

а,

Ср1= 2к (1 + &АВ ) = ^ (1 + Л

где от - предел текучести материала заготовки.

При внедрении ролика на глубину шлице-вой канавки поле линий скольжения примет

вид, показанный на рис. 4. В этом случае угол раствора центрированного поля будет к - ©.

и

Рис. 4. Возможное поле линий скольжения при внедрении ролика в тело заготовки на полную глубину

Однако, поскольку помимо центрированного поля с углом п - © к переходной зоне поля линий скольжения примыкает поле с углом ©, величина угла поворота линии скольжения АВ станет равной

= л-& + & = л.

В этом случае значение среднего нормального контактного напряжения составит

аСр2 = 2к (1 + &АВ ) = (1 + л).

Учитывая, что по длине I очага деформации глубина внедрения роликов в тело заготовки изменяется от нуля до максимума [1] (рис. 5), с целью упрощения последующих решений, очевидно, можно воспользоваться некоторым осредненным значением величины оср.

Рис. 5. Схема продольной накатки шлицев и сил, действующих на накатные ролики

Наука и ехника, № 4, 2012

На этом основании с учетом выражений (1) и (2) запишем

<^ср1 +^ср2 2ст ( п Л

^ср0 = р2 р =-д ^ 1 + - +1 + ^ = 3,87Ст.

Усилие, действующее на каждый накатный ролик, согласно рис. 5 определим по формуле

P = аСро F,

где F - проекция площади контакта ролика с заготовкой на плоскость перпендикулярно оси самого ролика и заготовки.

Эта проекция представляет собой трапецию, малое и большое основания которой являются соответственно шириной впадины по внутреннему и наружному диаметрам шлицев. Длина трапеции равна протяженности очага деформации в направлении прокатки

/ - • l = —- sin а,

2

где а - угол контакта ролика с заготовкой; Dp -диаметр ролика.

Площадь данной проекции эквивалентна

площади прямоугольника длиной l и шириной %

А = — (— + Д ) - b, измеренной по средней 2n

линии профиля впадин шлицев в поперечном сечении вала. Здесь Dн - наружный диаметр шлицев; Dв - внутренний диаметр шлицев (диаметр впадин); n - количество шлицев; b -ширина шлица.

Согласно рис. 5 можно записать (— - D)/D> =

= 1 - cos а. Отсюда cos а = 1 - —н—. Посколь-

Dp

ку sin2 а + cos2 а = 1, с учетом предыдущего

выражения получим sin а = ,

1 -

1 -

D - DB

D

р J

Пренебрегая бесконечно малыми параметрами второго порядка, после преобразования придем к выражению

sin а =

V

2

Dn

Далее, решая полученное выражение совместно с (5), найдем

l =JD(D. -Dв).

Учитывая, что F = lA, можно записать

F =

%

2 n

(D + Dв) - b

D

р

Решая совместно (3), (4) и (8), найдем значение усилия, действующего в каждом ролике:

P = 3,87ст

— (— + Dв) - b

2 n

D

Усилие проталкивания заготовки, приходящееся на один ролик, согласно рис. 5 будет

Точку приложения равнодействующей силы Р на каждом ролике с некоторым приближением задаем на середине дуги контакта, отвечающей углу а. В результате действия сил трения между роликом и осью, на которую он посажен, равнодействующая сила Р отклонена от центра ролика в сторону выхода из очага деформации на величину, определяемую кругом трения (рис. 5), а точнее на угол в, который можно определить как

sin р = fD, Dp

где / - коэффициент контактного трения между роликом и осью; Бо - диаметр оси.

В свою очередь р = arcsin

Г D ^

г —о

D

, Dp J

а а =

= arcsin

2

Dp

которые после подстанов-

ки в (10) с учетом (9) позволяют рассчитать значение Ру.

Усилие проталкивания вала через роликовую головку запишется в виде

P = Pn

С учетом выражений (9) и (10) окончательно придем к уравнению

Pr[p = 3,87стт [1,57(-н + —) - nb] х

Наука ит ехника, № 4, 2012

2

JD (D - D)sin fp + |

Далее определим условие, при котором возможно вращение накатных роликов вокруг своих осей при пластическом накатывании шлицев. В случае прокатки полосы в приводных валках условие захвата заготовки валками определяется соотношением [9]

tga < fi,

где / - коэффициент контактного трения между валками и заготовкой.

При проталкивании заготовки (вала) через неприводные ролики условие вращения последних запишется как

tg(a + в) <fi,

Из графиков видно, что с увеличением глубины шлицев возрастает и диаметр накатного ролика. При этом более интенсивно этот рост наблюдается при меньших значениях коэффициента контактного трения между роликом и заготовкой.

Dp, мм 330 300 270 240 210 180 150 120 90

0,20

0,25

f = 0,30

3

6 (Dh - DB), мм

Рис. 6. Расчетная зависимость диаметра накатного ролика Др от глубины накатываемых шлицев

поскольку в этом случае существенную роль играют силы трения в паре ролик - ось, отклоняющие вектор результирующего усилия Р от оси ролика на угол в (рис. 5).

Преобразуем предыдущее выражение к виду

а + в < аС/.

Отсюда можно легко найти величину

а < агС;/ - в,

которая с учетом значения в = агс8т(/До/Др) запишется в виде

а < агС;/ - агс8т(/До/Др).

Приняв во внимание соотношение (6), окончательно запишем

arcsin

V

2

Dp

< arctgf - arcsin

( D ^

г ^о

D Dp

Анализ данного выражения показывает, что искомую величину Др с его помощью можно найти лишь численным методом. В результате расчетов по полученным данным построены графики зависимости диаметра ролика Др от глубины накатываемых шлицев (от полуразности диаметров (Д - Д)/2) для разных коэффициентов контактного трения / между заготовкой и роликом (рис. 6) при значении коэффициента трения в паре ролик - ось / = 0,1.

Известно [7, 10], что при холодной пластической деформации, к которой относится холодная накатка шлицев, происходит упрочнение металла. Учесть этот фактор можно с помощью уравнения, предложенного С. И. Губкиным [10], которое записывается в виде

(

\

1 -щ

(

ОвЩш

ш у

щ

1-Щш [°в-От (1-Щш )]

чЩш у

где - напряжение текучести; ов - временное сопротивление металла разрушению; у - относительное сужение площади поперечного сечения образца при растяжении; - та же величина в момент начала образования шейки в образце.

В свою очередь, можно представить, что

Т7 — Т7

*исх ^ кон т?

-, где Дсх - исходная площадь

щ=

F

-L ИС

поперечного сечения вала, подвергаемого накатке; Дон - конечная площадь поперечного сечения вала после накатки без учета площадей самих шлицев (площадь вала по внутреннему диаметру шлицев).

Следовательно:

F = 1

F„cx 2

Тогда

-D2 + (D h-Db )bn

F =

кон

я02

^Я Наука

и ехника, № 4, 2012

4

5

= От +

'D2 + (D H-DB )bn

%Di

-Di + (D H-Db )bn

Поскольку на входе в очаг деформации металл находится в исходном состоянии с пределом текучести стт, а на выходе из него имеет характеристику аЛ то в уравнении (13) вместо от целесообразно использовать некоторую

* от +

осредненную величину от =-

2

Тогда

уравнение (13) запишется в виде

Рпр = 3,87сТ [1,57( DH + DB) - nb]x

D(üi - д )sin (в+а ]. (19>

С помощью выражения (19) получены данные, представленные в виде графиков на рис. 7.

Рпр, кН 1500 1300 1100 900 700 500

5 (Dh - Db)/2, мм

Рис. 7. Зависимость усилия проталкивания заготовки от глубины шлицев при различных коэффициентах контактного трения Л и диаметрах накатных роликов Бр

Расчеты проведены для случая накатки шлицев на валах из стали 40Х с механическими характеристиками [11]: от = 340 МПа; ов = 580 МПа;

= 0,22. Накатку производили в условиях комнатной температуры без нагрева заготовки. Во всех случаях в соответствии с ГОСТ 1139-58 количество накатываемых шлицев было п = 8. Соотношение внутреннего и внешнего диаметров шлицев ОвхОн составляло: 42x48 мм; 52x60 мм; 62x72 мм при ширине выступов Ь соответственно 8; 10; 12 мм. Из графиков видно, что с увеличением глубины шлицевых канавок практически линейно возрастает усилие

проталкивания при разных коэффициентах контактного трения между роликом и заготовкой. Наиболее существенно этот рост наблюдается при глубине канавок более 5 мм.

В Ы В О Д

Представленные в настоящей статье теоретические основы накатки прямобочных шлицев с помощью роликовых головок без нагрева деформируемого тела позволяют рассчитывать минимальные значения диаметров накатных роликов Dp, а также усилия проталкивания заготовки при разных коэффициентах контактного трения f для различных геометрических параметров шлицевых поверхностей.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Анализ конструкции шлиценакатных роликовых головок / В. П. Северденко [и др.] // Пластическая деформация и обработка металлов давлением. - Минск: Наука и техника, 1969. - С. 201-214.

2. Барбарич, М. В. Накатывание цилиндрических зубчатых колес / М. В. Барбарич, М. В. Хоруженко. - М.: Машиностроение, 1970. - 220 с.

3. Сучков, А. Е. Экономия металла в машиностроении при обработке давлением / А. Е. Сучков. - Минск: Наука и техника, 1971. - 128 с.

4. Парфиянович, В. С. Руководство по проектированию процессов чистового накатывания поверхностей / В. С. Парфиянович. - Минск: Полымя, 1981. - 87 с.

5. Устройство для накатывания шлицев на валах: а. с. № 1459796 СССР. В21Н5/02 / В. С. Парфиянович, М. И. Сидоренко // Официальный бюл. - 1989. - № 7.

6. Томсон, Э. Механика пластической деформации / Э. Томсон, Ч. Янг, Ш. Кабаяши. - М.: Машиностроение, 1969. - 417 с.

7. Строжев, М. В. Теория обкатки металлов давлением / М. В. Строжев, Е. А. Попов. - М.: Машиностроение, 1977. - 417 с.

8. Хилл, Р. Математическая теория пластичности / Р. Хилл. - М.: ГИТТЛ, 1956. - 407 с.

9. Целиков, А. И. Теория продольной прокатки /

A. И. Целиков, Г. С. Никитин, Е. Е. Рокотян. - М.: Металлургия, 1980. - 320 с.

10. Губкин, С. И. Пластическая деформация металлов / С. И. Губкин. - М.: Изд-во АН СССР, 1960. - Т. 2. -416 с.

11. Третьяков, А. В. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением / А. В. Третьяков,

B. И. Зюзин. - М.: Металлургия, 1973. - 224 с.

Поступила 12.12.2011

3

4

12 ^И Наука

итехника, № 4, 2012