CC BY
134
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
(1)
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).
(2)
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. (3)
Усилие, действующее на каждый накатный ролик, согласно рис. 5 определим по формуле
P = аСро F,
(4)
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
(5)
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(DH - Dв)
Dn
(6)
Далее, решая полученное выражение совместно с (5), найдем
l =JD(D. -Dв).
Учитывая, что F = lA, можно записать
F =
(7)
%
2 n
(D + Dв) - b
D
р(— -Dв). (8)
Решая совместно (3), (4) и (8), найдем значение усилия, действующего в каждом ролике:
P = 3,87ст
— (— + Dв) - b
2 n
D(Dн - Dв). (9)
Усилие проталкивания заготовки, приходящееся на один ролик, согласно рис. 5 будет
(10)
PY = P sin|p + ||.
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
(11)
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(- - -в)
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
(12)
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 + |
(13)
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,
(14)
где / - коэффициент контактного трения между валками и заготовкой.
При проталкивании заготовки (вала) через неприводные ролики условие вращения последних запишется как
tg(a + в) <fi,
(15)
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(D - Д )
Dp
< arctgf - arcsin
( D ^
г ^о
D Dp
■ (16)
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
(17)
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
(18)
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
