CC BY
17
ков перемещения. В противном случае величина зазора между верхним раскатным инструментом и матрицей не будет соответствовать величинам, заданным в управляющей программе.
Экспериментальные и теоретические данные по формоизменению, усилию раскатки, предельной деформируемости, полученные в процессе исследований, стали основой для разработки компьютерной программы по проектированию процессов раскатки фланцев.
Выводы
Проектирование технологических процессов торцевой раскатки по схеме «деталь ^ технология ^ инструмент ^ машина» позволяет разрабатывать конкурентоспособные технологии и оборудование для производства фланцевых деталей. Данные принципы проектирования можно использовать для производства изделий различной номенклатуры.
Литература
1. Крук А. Т., Федоркевич В. Ф. Штамповка поковок фланцев трубопроводов на тяжелых кривошипных го-рячештамповочных прессах // Кузнечно-штамповочное производство. 1999. № 6. С. 35-40.
2. Экономичные методы формообразования деталей / Под ред. К. Н. Богоявленского, В. В. Риса. Л.: Лениз-дат, 1984. 144 с., ил.
3. Авдеев В. М., Аксенов Л. Б., Алиев И. С. и др. Изготовление заготовок и деталей пластическим деформированием / Под ред. К. Н. Богоявленского, В. В. Риса, А. М. Шелестеева. Л.: Политехника, 1991. 351 с.: ил.
4. Агеев Н. П. Технологические возможности объемной штамповки обкатыванием на сферодвижном прес-сователе. Классификация процессов // Металлообработка. 2001. № 5. С. 36-44.
5. Гуринович В. А., Баландин Ю. А., Гурченко П. С. и др. Торцовая раскатка деталей фланцевого типа // Автомобильная промышленность. 2005. № 9. С. 32-33.
6. Сурков В. А., Корякин Н. А., Галимов Э. Р. Штамповка обкатыванием кольцевых и фланцевых заготовок // Заготовительные производства в машиностроении. 2005. № 7. С. 27-29.
7. Сурков В. А., Корякин Н. А. Технологические процессы формообразования заготовок деталей газотурбинного двигателя методом штамповки обкатыванием // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. № 7. С. 21-28.
УДК 621.771.67.
Современные технологии накатывания периодических профилей внутреннего зацепления
В. Н. Востров
Актуальность проблемы формообразования внутренних периодических профилей
Детали внутреннего зацепления широко используются в автомобилестроении (планетарные передачи), станкостроении (зубчатые передачи и шлицевые соединения), средствах автоматизации производства (волновые передачи), двигателях авиационно-космической техники (подшипники Новикова). Процесс формирования внутренних зубьев, шлицев и других периодических профилей методами резания является трудоемким и малопроизводительным. Для его выполнения нужен дорогостоящий инструмент, который имеет
сравнительно низкую стойкость. Переточка инструмента приводит к снижению точности изготавливаемого зубчатого профиля.
Внутренние периодические профили полуоткрытого типа изготавливают зубодолбле-нием. Главными недостатками данной технологии являются малая производительность и низкая точность формируемых зубьев. Зубо-долбление одной детали занимает от нескольких десятков минут (30-40 мин) до нескольких часов (6-8 ч). Из-за низкой производительности оборудования нужен значительный парк станков и большие производственные площади [1].
Одним из радикальных путей интенсификации процессов зубообработки в промыш-
ленности является применение методов объемного пластического формообразования. Получение с их помощью внутренних периодических профилей значительно повышает эффективность процесса за счет увеличения производительности, экономии металла и улучшения качества изделия. Наименее энергоемким методом объемного формообразования периодических профилей является зубонакатыва-ние. В процессах накатывания зубьев используются схемы с радиальной и осевой подачей инструмента или заготовки [2].
В соответствии с радиальным способом накатывания рабочая подача инструмента осуществляется радиальным перемещением к центру заготовки. Недостатками радиального накатывания являются низкая точность формообразованных зубчатых профилей (10-12-я степени) и возможность изготавливать только зубья, допускающие коррекцию.
Во Всероссийском научно-исследовательском институте металлургического машиностроения разработан стан для горячего накатывания крупномодульных зубчатых профилей с радиальной подачей инструмента [3]. Технические данные стана:
• усилие, развиваемое гидроцилиндром подачи заготовки, — 500 кН;
• максимальный крутящий момент привода заготовки — 80 кН • м;
• габариты станка — 3650x2800x3000 мм; масса станка — 215 кН;
• производительность — 20 шт./ч.
Типовой накатываемый зубчатый венец
имеет следующие характеристики: модуль — 4 мм, количество зубьев — 69, ширина венца — 36 мм. Колебание длины общей нормали зубьев — до 0,35 мм; разнотолщинность зубьев — до 0,22 мм; эллипсность — до 0,4 мм. Припуск на окончательную механическую обработку составляет 0,5 мм на сторону зуба. Экономия металла на одном изделии — 2,9 кг при массе заготовки под механическую обработку — 10,0 кг. Недостатками стана являются недостаточная жесткость вследствие консольного расположения накатника и сложная кинематическая цепь синхронизации вращения инструмента и заготовки, отрицательно влияющая на величину накопленной погрешности шага изготавливаемого зубчатого венца.
Для синхронизации вращения заготовки и инструмента при осевом накатывании внутренних периодических профилей используется эталонная шестерня, которая обеспечивает более высокую точность шага зацеп-
ления по сравнению с радиальным накатыванием. Точность профилей, накатанных осевым способом, соответствует 8-9-й степени. Станок для накатывания внутренних зубьев с осевой подачей заготовки (Reed Rolled Tread Die Company, США) опубликован в работе [4].
Станок имеет относительно высокую жесткость конструкции, что благоприятно влияет на точность изготовленного зубчатого венца. Однако сложная кинематическая цепь вращения накатников увеличивает накопленную погрешность шага зацепления.
На кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета разработаны способы накатывания периодических профилей внутреннего зацепления, расширяющие технологические возможности данного процесса.
Планетарно-осевое накатывание периодических профилей
Особенностью способа планетарно-осево-го накатывания периодических профилей (рис. 1) является расположение накатников 5 в кольцевом зазоре между внешней 8 и внутренней 7 эталонными шестернями, обеспечивающими синхронизацию положения накатников в радиальном и тангенциальном направлениях. Заготовки 1 и 2 располагаются соосно эталонным шестерням. Зубчатый профиль накатывают, вращая либо ось 3 с закрепленной на ней заготов-
Рис. 1. Планетарно-осевое накатывание зубчатых венцов кинематической пары [5, 6]
Рис. 2. Подшипник Новикова с накатанными рабочими профилями. Наружный диаметр — 80 мм [5]
кой 2 и внутренней эталонной шестерней 7, либо матрицу 4 с установленными в ней заготовкой 1 и внешней эталонной шестерней 8. В процессе работы накатники 5 совершают планетарное движение, опора 6 перемещает их в осевом направлении.
Способ наиболее эффективен при изготовлении рабочих профилей подшипника Новикова [5] и зубьев жесткого колеса волновой передачи [6]. Подшипник Новикова с накатанными рабочими профилями показан на рис. 2. Накатная головка для формообразования планетарно-осевым методом внутренних зубчатых профилей волновых передач представлена на рис. 3.
Однако способ планетарно-осевого накатывания не обеспечивает возможность управления глубиной внедрения инструмента в заготовку. Создать оптимальные условия деформирования заготовки за счет разделения на части общей глубины внедрения инструмента в заготовку позволил метод многопроходного накатывания внутренних зубьев.
Рис. 3. Накатная головка для формообразования пла-нетарно-осевым методом внутренних зубчатых профилей волновых передач [6]. Высота зуба — 1,5 мм
Многопроходное накатывание внутренних зубчатых профилей
Схема многопроходного накатывания внутренних зубчатых профилей осевым методом показана на рис. 4 [7]. Заготовка 1 помещается в матрицу 7 и зажимается эталонной шестерней 6. Накатник 5 установлен с возможностью вращения на каретке 8, расположенной в пазу опорной оси 3. Радиальное положение накатника 5 регулируется клином 4. Опорная ось 3 закреплена в шпинделе станка. Шпиндель станка приводится во вращение. Накатник совершает планетарное движение и, перемещаясь в осевом направлении, накатывает зубчатый профиль на заготовке 1. После дого прохода накатник 5 удаляется из заготовки 1 и его радиальное положение изменяется клином 4.
Многопроходным накатыванием в холодном состоянии изготавливают зубья с модулем до 2,0 мм и шлицы с модулем до 3,5 мм. На рис. 5 представлены эвольвентные зубчатые и шлицевые профили внутреннего зацепления из стали 20ХН с модулями 1,5 и 3,0 мм соответственно, для которых использовалось формообразование холодным многопроходным накатыванием [7].
Технологические возможности процессов холодного объемного формообразования периодических профилей в значительной степени
Рис. 4. Многопроходное накатывание внутренних зубчатых профилей [7]
ЙпЛОО РАБОТН
б)
Рис. 5. Эвольвентные профили из стали 20ХН внутреннего зацепления, формообразованные холодным многопроходным накатыванием [7]
ограничены упрочнением металла. В наибольшей мере последним качеством обладает поверхностный слой накатанных профилей, который распространяется на глубину 25-30 мкм. Его твердость составляет 3,754,20 кН/мм2, что превышает твердость основного металла на 80-100 %. Процессы разупрочнения материала заготовки методами термообработки трудоемки и малоэффективны. Для удаления упрочненного поверхностного слоя накатанных профилей предлагается использовать химически активные составы в качестве технологической среды.
Накатывание зубьев в химически
активной технологической среде
Способ накатывания зубьев в химически активной технологической среде осуществляется следующим образом [8]. Перед накатыванием зубьев поверхность заготовки 2 покрывается тонким слоем кислотоупорного мягкого покрытия 1 (рис. 6, а). Рабочая часть накатника 3 выдавливает мягкое покрытие 1 из впадин на вершины зубьев накатываемого колеса (рис. 6, б). Химически активная технологическая среда 4 проникает во впадины и вытравливает незащищенный приповерхностный слой особо упрочненного металла на дне впадины и боковые поверхности профиля, не воздействуя на вершины зубьев. Давление и температура активизируют процессы травления. Температура нагрева заготовки в процессе холодного накатывания может достигать 200 °С. На дне впадины, где выполняется основная деформационная работа и образуется наиболее упрочненный слой, травление будет протекать с наибольшей интенсивностью, затухая по профилю
Рис. 6. Накатывание зубчатых профилей в активной технологической среде [8]
к вершине (показано штриховой линией на рис. 6, б, в). Способ обеспечивает возможность изготовления накатыванием зубьев с модулем 2,0-2,5 мм и шлицев с модулем 3,0-4,0 мм с требуемым качеством.
Накатывание внутренних зубьев
на порошковых заготовках
Зубчатые колеса и шестерни, для которых применялось формообразование методами порошковой металлургии, широко используются в приборостроении, робототехнике, машиностроении и других отраслях промышленности, где требуется повышенная износостойкость, существуют ограничения по массе изделия и вибрационным характеристикам. Уровень развития технологии изготовления порошковых зубчатых колес позволяет получать детали, по ряду специальных свойств превосходящие изделия из компактных материалов. Например, зубья порошковой шестерни съемника рабочего аппарата хлопкоуборочных машин из материала РМ225Н с пористостью 18 %, работающей в условиях пульси-
Рис. 7. Накатывание внутренних зубчатых профилей на порошковых заготовках [10]:
— наружный диаметр заготовки; Ле — внутренний диаметр заготовки; 3 — угол наклона формообразующего участка; < — технологический припуск; I^ — калибрующий участок накатника; — формообразующий участок накатника
рующих нагрузок при воздействии абразивной среды, имеют скорость износа 28 х 10"5 мм/ч, в то время как скорость износа зубьев шестерни из компактного материала сталь 40Х равняется 36 х 10"5 мм/ч [9].
Использование пористой заготовки под накатку периодического профиля потребовало разработки новой схемы формообразования (рис. 7) [10]. Спеченную порошковую заготовку 4 устанавливают в матрицу 1 и закрепляют вместе с двумя эталонными шестернями 2 и 6 прижимом 7. Накатники 5, установленные с возможностью вращения в обойме 3, вводят в зацепление с эталонной шестерней 6, приводят во вращение и одновременно перемещают в осевом направлении. Калибрующий участок заходной части накатника 5 деформирует внутреннюю поверхность заготовки 4 на величину относительного технологического припуска 1/т = 0,25 ± 1,00, где t — технологический припуск; т — модуль зацепления. По мере осевого перемещения накатника на откалиброванной до диаметра вершины эталонного зуба 4а поверхности заготовки накатывается зубчатый профиль с помощью формообразующего участка ¿2 накатника. По окончании процесса накатывания зубьев обойма 3 удаляет накатники 5 из зоны обработки, и готовую деталь извлекают из матрицы 1.
Предварительное калибрование исходной заготовки коническим участком накатника обеспечивает получение зубьев с плотностью, превышающей плотность зубьев, накатанных без предварительного калибрования, данный факт способствует повышению их
эксплуатационных характеристик (прочности и износостойкости). Одновременное и непрерывное калибрование и накатывание зубчатого профиля заготовки повышают его точность и улучшает качество поверхности зубьев. Повышается производительность процесса, так как операции калибровки цилиндрической заготовки и формообразования зубьев осуществляются непрерывно, без переналадки инструмента. Способ предназначен для формообразования порошковых прямозубых и косозубых колес внутреннего зацепления с модулем в пределах от 0,4 до 2,5 мм.
Биметаллические порошковые зубчатые колеса обладают уникальными техническими характеристиками: они сочетают сравнительно дешевые материалы основы (и, соответственно, низкие требования к эксплуатационным характеристикам) с высокой прочностью и износостойкостью плакирующего слоя. Накатывание внутренних зубчатых профилей на пористой биметаллической заготовке обеспечивает расширение технологических возможностей процессов объемной штамповки зубчатых венцов и повышение их качества за счет использования локальных нагрузок и сдвиговых деформаций.
Спеченную порошковую биметаллическую заготовку 2-3 устанавливают в матрицу 4 (рис. 8) [11]. Заготовка 2-3 состоит из двух слоев: рабочего 2 и основного 3. Рабочий слой 2 выполнен из материала, который обеспечивает необходимые эксплуатационные харак-
3
2
3 '4
Рис. 8. Накатывание внутренних зубчатых профилей на биметаллических порошковых заготовках [11]: йр — толщина рабочего слоя биметаллической порошковой заготовки
теристики зубчатого венца. Основной слой изготавливается из более дешевого материала. Зубчатый профиль в рабочем слое 2 формируется накатником 1, который совершает планетарное и осевое перемещения. По окончании процесса накатывания зубьев готовую деталь извлекают из матрицы 4.
Рациональная относительная толщина рабочего слоя Нр/Н = 2,0 + 3,0, где Н — высота формообразуемого зуба. При величине Нр/Н до 0,5 значение растягивающих напряжений в рабочем слое равно 70 % от максимальных. При Нр/Н = 2,0 эти значения равны 30 % от максимальных, а затем асимптотически приближаются к 0. Таким образом, при Нр/Н = = 2,0 мы получаем запас прочности, равный 3,0, достаточный для инженерных расчетов. При значениях Нр/Н >3,0 себестоимость изделия возрастает.
На спеченных пористых биметаллических заготовках накатыванием изготовлены внутренние зубчатые и шлицевые профили с модулем зацепления от 0,5 до 2,0 мм. В качестве материалов рабочего слоя заготовок использовались порошки легированной стали РМ225Н (0,7 % С, 1,1 % Си, 2,0 % N1, 0,35 % Мо) и бронзовые порошки Д010 (90,0 % Си, 10,0 % вп), Д05Н5 (90,0 % Си, 5,0 % вп, 5,0% N1). Основой деталей служил порошок низколегированной стали АНС100.29 (0,024 % С). Порошок РМ225Н обладает механическими свойствами, удовлетворяющими требованиям, предъявляемым к зубчатым колесам со средней степенью нагружения. Бронзовые порошки обладают не только удовлетворительными прочностными свойствами,
Рис. 9. Микроструктура поверхности соединения биметаллического порошкового эвольвентного зубчатого венца модуля 2,0 мм. х50 [11]: рабочий слой — бронзовый порошок Бр010; основной слой — стальной порошок АНС100.29
но и высокой износостойкостью. Зубчатые колеса с рабочим слоем из Д010 и Д05Н5 целесообразно использовать в малонагружен-ных передачах, работающих в условиях отсутствия смазки, например в пищевой и текстильной промышленностях. Применение порошка АНС 100.29 в качестве основы представляет интерес в связи с относительно низкой стоимостью.
Микроструктура поверхности соединения биметаллического порошкового эвольвентного зубчатого венца с модулем 2,0 мм показана на рис. 9. Рабочим слоем является бронзовый порошок Бр010. Основной слой — стальной порошок АНС100.29 [11]. Новая технология улучшила эксплуатационные характеристики изделий: относительная плотность зубчатого венца выросла по сравнению с заготовкой на 10-15 % и достигла 0,90-0,95; прочность зубьев и износостойкость увеличились в 1,5-2,0 раза; масса зубчатых колес уменьшилась в 1,3-1,7 раза; уровень шумов снизился на 20-30 %.
Выводы
Одним из радикальных путей интенсификации процессов зубообработки является применение в промышленности технологий объемного формообразования периодических профилей наружного и внутреннего зацепления, обеспечивающих повышение производительности процесса, экономию металла и улучшение качества изделия. Способы формообразования периодических профилей внутреннего зацепления, разработанные на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, расширили технологические возможности процессов за счет одновременного накатывания наружного и внутреннего профилей деталей планетарного механизма, разделения на части общей глубины внедрения инструмента в заготовку, применения в качестве технологической среды химически активных составов и использования композиционных порошковых материалов.
Литература
1. Производство зубчатых колес / Под ред. Б. А. Тай-ца. М.: Машиностроение, 1975. 708 с.
2. Лапин В. В., Писаревский М. И., Самсонов В. В.
и др. Накатывание червяков, шлицев и зубьев. Л.: Машиностроение, 1986. 228 с.
3. Востров В. Н., Баран А. Д. Станки для накатывания зубчатых профилей внутреннего зацепления // Металлообработка. 2002. № 1. С. 46-53.
4. Pat. 3735618 United States. В21Н5/02. Method and apparatus for internal gear rolling / E. S. Zook. Assignee: Reed Rolled Thread Die Company. N 05/151743, filing date: 10.06.1971, publ. date: 29.05.1973.
5. Востров В. Н., Атрошенко А. П., Любимов В. П. и др. Накатывание рабочих профилей нового подшипника повышенной грузоподъемности // Кузнечно-штам-повочное производство. 1989. № 5. С. 20-21.
6. Востров В. Н., Ли В. А. Оптимальное проектирование процесса накатывания внутренних волновых зубьев // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2002. № 1. С. 30-35.
7. Шекерджиев Э. Р., Востров В. Н. Многопроходное накатывание внутренних эвольвентных профилей // Кузнечно-штамповочное производство. 1995. № 1. С.23-25.
8. Востров В. Н., Атрошенко С. А., Шлемин Е. В.
Физико-механическое состояние поверхности деталей холоднодеформированных ротационным способом в условиях химически активной среды // Поверхность. 1999. № 10. С. 56-61.
9. Аваков А. А., Попов Э. Н., Рухадзе С. С. и др. Применение спеченных конструкционных деталей в транспортном и сельскохозяйственном машиностроении // Порошковая металлургия. 1974. № 2. С. 5-8.
10. Востров В. Н., Кузнецов П. А., Новиков А. В. и др. Накатывание внутренних зубчатых профилей на пористых заготовках // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2002. № 5. С.10-19.
11. Востров В. Н., Кузнецов П. А., Каран А. Д. и др.
Напряженное и деформированное состояния зубчатых колес, изготовленных накатыванием на биметаллических порошковых заготовках // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2006. № 2. С. 102-109.
УДК 621.73.043: 621.365.511
Деформирование,
совмещенное с контактным нагревом
В. В. Громов
Введение
Изотермическое деформирование имеет ряд преимуществ перед традиционными способами горячей штамповки с помощью штам-пового инструмента, имеющего температуру ниже температуры пластической деформации заготовки. Изотермическое деформирование позволяет повысить точность получаемых поковок, в том числе поковок сложной формы, с тонкими полотнами и ребрами, выступами и полостями, резкими перепадами сечений и другими элементами, для которых характерно большое отношение площади поверхности к объему и которые трудно или невозможно получить обычными методами формоизменения. При штамповке точных поковок обеспечиваются жесткие допуски, минимальные радиусы закруглений и штамповочные уклоны, и в результате коэффициент использования материала равен 0,8 и более (у поковок обычной точности он составляет в среднем 0,2-0,5), что особенно важно при производстве изделий из дорого-
стоящих материалов [1]. Использование изотермической штамповки для деталей с развитой конфигурацией поверхности дает возможность увеличить количество необрабатываемых поверхностей с 5-20 (при грубой штамповке) до 50-80 % [1]. Данная технология позволяет осуществлять деформацию легированных сталей и сплавов, имеющих узкий температурный диапазон штамповки, что оказывается невозможным при других способах деформации.
Несмотря на все вышеизложенные достоинства, изотермическая штамповка не получила широкого распространения. Основной причиной этого является несовершенство существующих способов изотермического деформирования. В настоящее время для нагрева и поддержания высоких температур штампового инструмента в дальнейшем используются либо индукторы, либо устройства, передающие тепловую энергию от элементов резисторного сопротивления. Опорные плиты приходится охлаждать водой. Все это ведет к большим затратам электрической энер-
