Как известно, усилие деформирования при обкатывании определяется исходя из величины сминаемого деформирующими элементами слоя металла. Однако, во всех известных разработках устройств для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием практически не решен вопрос создания оптимального натяга деформирующих роликов при обкатывании предварительно проточенных поверхностей, т.е. усилие обкатывания не является регулируемым параметром, а определяется размером заготовки, который изменяется при обточке из-за износа режущих элементов, и размером настройки роликов по направляющей части поддерживающего центра. Это приводит к таким негативным результатам, как: а) различия в радиальном усилии обкатывания, а, следовательно, и в осевой силе воздействия на обрабатываемую заготовку вследствие разницы размеров заготовок после обтачивании; б) обкатывающие ролики, действуя как подвижный люнет, исключают радиальные деформации заготовки, а осевое усилие может приводить к изгибам нежесткой заготовки в ее частях, находящихся перед обкатывающими роликами до места закрепления передней части заготовки; в) возможные изгибы заготовки связаны с увеличением биения и ухудшением условий обтачивания резцами устройства для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием, которые будут связаны не только с качеством обработки, но и окажут негативное воздействие на состояние режущих элементов резцов.

В известных устройствах для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием имеет место силовое замыкание воздействующих на заготовку усилий, когда радиальное усилие связано с высокой жесткостью обкатной части устройства, а осевое усилие обеспечивается механизмом продольной подачи станка. Учитывая, что жесткость всех механизмов продольной подачи станка может быть достаточно велика, то основным упругим элементом в системе может оказаться заготовка, продольная жесткость которой будет являться фактором, влияющим на качество ее обработки с использованием устройства для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием.

Таким образом, возникает необходимость в обеспечении обработки поверхностей нежестких цилиндрических заготовок после обтачивания обкатыванием роликами с регламентированным осевым усилием.

Авторами данной статьи была разработана упругая система осевого воздействия деформирующей части устройства на заготовку за счет использования пружины из круглым сечением проволоки или тарельчатых пружин, размещаемых непосредственно за нажимным кольцом устройства для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием. Выбор вида пружины зависит от диаметра обрабатываемой заготовки, например, при обработке заготовок с большими диаметрами требуются большие усилия, которые могут быть обеспечены тарельчатыми пружинами, при обработке же заготовок с малыми диаметрами устройство вполне может быть оснащено пружинами из круглой проволоки. Варианты схемы конструктивного исполнения данного устройства представлены на рисунке 1 а,б [5].

Рисунок 1 – Схемы устройства для комбинированной обработки:

а) с пружиной из круглой проволоки;

б) с тарельчатыми пружинами.

Представленное устройство состоит из корпуса 1 (условно разделенного на 2 части – режущую и деформирующую), с плавающим блоком, в котором установлены резцы 2, осуществляющие срезание металла с заготовки под последующее обкатывание роликами 3. Обкатывающие ролики 3, установленные в сепараторе 4, контактируют своей наружной поверхностью с нажимным кольцом 5, имеющим такой же угол конусности внутренней поверхности, как и у обкатывающих роликов 3. Нажимное кольцо 5 размещено в деформирующей части корпуса 1 за поверхностью, отделяющей нажимное кольцо 5 с обкатывающими роликами 3 от режущей части устройства для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием. Один торец нажимного кольца 5 упирается в расточку корпуса 1, а во второй торец нажимного кольца 5 упирается пружина 6 (с круглым сечением проволоки витка, либо тарельчатая пружина). Пружина 6 сжимается гайкой 7, вворачиваемой в корпус 1. Для заворачивания гайки 7 используются торцевые пазы, выполненные под ключ с торцевыми выступами. Каждый полный оборот гайки 7 будет обеспечивать ее линейное перемещение на величину, равную шагу резьбы. Например, если шаг резьбы равен 2 мм, то за один оборот гайка 7 перемещается на 2 мм. За 0,5 оборота – на 1 мм, и т.д.. Это позволяет обеспечивать различные величины сжатия пружины. При предварительном тарировании пружины устанавливаются величина сжатия данной пружины и осевое усилие сжатия, соответствующее изменению длины пружины. Зная исходную длину пружины, можно обеспечить ее сжатие с достижением необходимых осевых усилий в соответствии с тарировочным графиком. Зная величину шага резьбы гайки, можно определить количество оборотов при завинчивании гайки, необходимых для достижения нужной величины ее сжатия. Для обеспечения осевой подвижности нажимного конуса без его проворачивания, на наружной поверхности кольца данного нажимного конуса формируются продольные пазы, желательно в количестве 3 единиц, в которые через корпус вводятся стопорящие штифты с размером конечной части, немного меньшим ширины паза. Данные стопорящие штифты не упираются в дно паза. В целях обеспечения возможности осевого смещения, нажимной конус устанавливается в корпусе устройства для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием по скользящей посадке.

Корпус 1 устройства для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием устанавливается и жестко закрепляется на платформе 8, в свою очередь установленной на суппорте продольного перемещения станка. Обрабатываемая заготовка 9 устанавливается по фаскам передней и задней её части. Поверхность задней направляющей втулки 10 служит, как и во всех других устройствах, для первичной установки обкатывающих роликов 3. Стопорящие штифты 11 вводятся в паз наружной поверхности кольца нажимного кольца 5 через корпус 1, не упираясь в дно паза.

Величину осевого усилия при обкатывании можно определять исходя из следующих подходов.

Принимаем, что при обкатывании имеем схему, представленную на рисунке 2, на которой указаны следующие параметры:

– радиус заготовки после обтачивания;

- радиус детали после обкатывания деформирующей частью устройства для комбинированной обработки;

- профильный радиус обкатного ролика;

– толщина сминаемого слоя металла заготовки;

– точки, образующие линию контакта обкатывающего ролика с заготовкой. При этом точка соответствует средней части этой линии и можно считать, что усилие обкатывания действует по вектору ;

– горизонтальная проекция дуги контакта обкатывающего ролика с деталью;

- радиальное усилие обкатывания;

- равнодействующая сил обкатывания, проходящая по середине дуги контакта

Рисунок 2 – Схема обкатывания

Радиальное усилие обкатывания рассчитывается по следующей формуле [3, 4]:

где: - радиус обкатного ролика;

- радиус заготовки;

- максимальная длина пластической волны металла, которая рассчитывается по формуле [3]:

где: – подача устройства для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием;

-горизонтальная проекция дуги контакта обкатывающего ролика с деталью, которая, в свою очередь, рассчитывается по формуле [3, 4]:

где: - толщина сминаемого слоя металла заготовки.

- напряжение на площадке контакта, которое рассчитывается по формуле [3, 4]:

где: - напряжение текучести, которое рассчитывается по формуле [3, 4]:

где: - площадь поперечного сечения обкатываемой поверхности в момент действия радиального усилия обкатывания .

Радиальное усилие обкатывания, определяемое по формуле (1), обозначим как . Осевое усилие, необходимое для обкатывания, обозначим как . Угол между отрезками и обозначим и определим его, опустив перпендикуляр из точки на линию . Тогда имеем прямоугольный треугольник со сторонами и , равными и соответственно, где . Тогда . Сформируем прямоугольный треугольник , проведя через точку касательную к дуге контакта , пересекающуюся с горизонтальной линией, проходящей через центр радиуса скругления обкатного ролика. Угол между отрезками и обозначим и определим его как . Угол между отрезками и обозначим и определим как . Теперь рассмотрим прямоугольный треугольник : , следовательно,

    Подставляя значение P_r (1), σ_N (4) и σ_S (5) получим:

    С учетом d (3) окончательно получим:

Таким образом, определена расчетная потребная величина осевого усилия для обкатывания. Для выявления данной величины, обеспечивающей наилучшие условия обкатывания, целесообразно осуществить пробные проходы обработки с установкой расчетной величины осевого усилия.

    Например, с помощью устройства для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием производится обработка нежесткой цилиндрической заготовки с параметрами:

• материал заготовки – сталь 40Х;
  
• радиус заготовки – 20 мм;
  
• твердость обрабатываемого материала – 190 НВ;
  
• профильный радиус ролика – 3 мм;
  
• подача устройства для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием – 0,2 мм/об
  
• толщина сминаемого слоя материала заготовки – 0,5 мм
  
• угол α – 10º.
  

  Рассчитаем по предложенной формуле (6) осевое усилие, возникающее в результате обработки:
  

  
  

  
  

Для обкатывания с расчетным усилием необходимо обеспечивать предварительное сжатие пружины до расчетной величины, ориентируясь на величину ее сжатия в соответствии с тарировочным графиком.

В результате обработки с использованием устройства для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием с регламентированной величиной осевого усилия будет обеспечиваться получение заданной точности и шероховатости обрабатываемых поверхностей вне зависимости от размера под обкатывание обрабатываемых заготовок.

Технический результат, получаемый от использования данной конструкции устройства для комбинированной обработки, заключается в обеспечении шероховатости в пределах мкм, стабильного упрочнения поверхностного слоя и обеспечения точности при обработке устройством для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием нежестких заготовок.

Выводы: использование разработанного устройства для комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием с регламентированным усилием обкатывания роликами [5] при обработке нежестких цилиндрических деталей создает условия для обеспечения требуемой величины шероховатости поверхности, стабильного упрочнения поверхностного слоя обработанной детали и повышения точности обработки.

При разработке технологического процесса обработки деталей режуще-деформирующим методом требуется знать влияние как технологических, так и конструктивных факторов инструмента на параметры качества обработанной поверхности и точность обработки детали. Качество обработанной поверхности характеризуется двумя основными признаками: физико-механическими свойствами поверхностного слоя материала и степенью шероховатости поверхности. Качество поверхностного слоя материала обуславливается свойствами материала и методами механической обработки.

На основании ряда проведенных исследований [4] было выдвинуто утверждение, что метод комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием нежестких деталей типа полый цилиндр обеспечивает выигрыш в производительности, высокие показатели точности обработки (8 – 9 квалитет) и хорошую шероховатость обработанной поверхности (R_a=0.08…0.32 мкм).

Рассмотрим процесс формирования поверхностного слоя нежесткой детали типа полый цилиндр в процессе комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием. Учитывая, что при обработке специальным устройством для комбинированной режуще-деформирующей обработки деформирующий элемент идет следом за режущим, примем допущение, что процесс поверхностного пластического деформирования протекает самостоятельно и свободно.

При обработке деталей, в частности, нежестких полых цилиндров, поверхностным пластическим деформированием образуется новая поверхность с шероховатостью, зависящей от основных параметров обработки.
Не совсем корректным является положение о том, что микропрофиль поверхности – это след задней поверхности инструмента, поскольку от места контакта инструмента с деталью возникает течение металла, что вызывает искажения.
Пластическое течение металла происходит как в направлении подачи с образованием волны, перемещающейся вместе с инструментом, так и в направлении, противоположном направлению подачи искажая ранее образованный соседний микропрофиль [1].

В начале процесса обработки за первый оборот детали деформирующим инструментом происходит образование канавки с волнами по обеим сторонам.
При втором обороте детали инструмент, который переместился на величину подачи за оборот S, формирует вторую канавку, глубина которой больше глубины первой, поскольку из-за перекрытия траектории движения инструмента по поверхности детали уменьшается контактная площадь и возрастает контактное давление.
Далее все происходит по описанной выше схеме, однако, по прошествии некоторого времени процесс стабилизируется, т.е. уже не будет происходить относительного углубления следов инструмента, но вместе с этим образование вторичного (микро)профиля поверхности не прекратится.
В [4] указывается, что пластическое течение металла происходит в области, ограниченной смежной впадиной.
Однако при обработке с большими давлениями и малыми подачами эта область может захватывать несколько соседних микронеровностей, что приведет к повторному искажению.

На рисунке 1 представлена схема взаимодействия деформирующего ролика и обрабатываемой поверхности. Как видно из данной схемы, в точке С, являющейся центром впадины, металл получает наибольшую деформацию, а в точке В деформация минимальна [4]. Отсюда можно сделать вывод, что после упругого восстановления материала детали высота микронеровностей будет отличаться от рассчитанной теоретически на величину разности величин упругой деформации в точках В и С:

Рисунок 1 – Схема взаимодействия деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью

 (1)

где:

S – подача за оборот детали,

R – радиус рабочей части деформирующего элемента,

ω_C, ω_B – значения упругой деформации в точках В и С [4].

Если в процессе обработки к перемещающемуся по поверхности деформирующему элементу приложить радиальные усилия, постепенно увеличивая их, то по мере возрастания данных усилий можно наблюдать 3 характерных этапа процесса образования новой микрогеометрии обработанной поверхности. Стадии деформирования микронеровностей обточенной поверхности представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Стадии формирования микронеровностей обточенной поверхности

Первый этап [6] образования новой микрогеометрии обрабатываемой поверхности представляет собой процесс сглаживания исходных микронеровностей до определенного заполнения микровпадин. В ходе этого этапа вершины микронеровностей осаживаются и притупляются, образуя площадки контакта, при этом их опорная поверхность существенно увеличивает свою площадь. Одновременно с этим впадины микронеровностей приподнимаются, что является следствием перераспределения металла микронеровностей и смыкаются. Указанные явления приводят к упрочнению поверхностного слоя металла и к возникновению в нем начальных сжимающих напряжений, что значительно повышает эксплуатационные характеристики обработанной детали. В идеале впадины полностью смыкаются, при этом поверхность обладает равномерностью сжимающих напряжений.

На втором этапе происходит увеличение глубины и поверхностной твердости упрочненного слоя, возрастают сжимающие напряжения и увеличивается плотность дислокаций в поверхностном слое материала детали.

Третий этап образования новой микрогеометрии обрабатываемой поверхности характеризуется увеличением глубины микронеровностей поверхности вследствие перенаклепа пластически деформированных верхних слоев металла детали.

В работе [7] представлена аналогичная картина образования новой поверхности детали после поверхностного пластического деформирования. В этой работе отмечено, что очаг деформации (далее ОЧД) обладает небольшими относительно объема обрабатываемой заготовки размерами, а граничные условия для напряжений и скоростей могут определяться в том числе и внеконтактной зоной ОЧД в виде волн вокруг инструмента.

В данной работе [7] автор различает следующие виды ОЧД и связанные с их возникновением явления. В результате образования ОЧД первого вида происходит незначительное сглаживание начальной шероховатости при осаживании выступов и подъема впадин микронеровностей поверхности.
ОЧД второго вида образуется в результате увеличения силы обработки и приводит к возникновению перед инструментом пластической волны металла с высотой, не превышающей линию выступов шероховатости обрабатываемой поверхности.
ОЧД третьего вида сопровождается пластической волной металла, превышающей линию выступов шероховатости поверхности. Также возможен вариант третьего вида ОЧД при обработке на режимах, вызывающих разрушение поверхностного слоя, с большим объемом волны островершинного профиля,
имеющей наклон в направлении подачи.
В указанной работе [7] автором были сформулированы технологические условия образования ОЧД всех видов, теория формирования поверхностного слоя основана на ОЧД третьего вида.

Таким образом, на основании всего вышесказанного можно сделать заключение, что процесс формирования шероховатости обработанной поверхности делится на три основные стадии, а на ее величину после обработки поверхностным пластически деформированием влияют форма и размер деформирующих элементов инструмента, величина осевой подачи рабочего элемента деформирующего инструмента, радиальное усилие (а точнее, удельное давление в зоне контакта деформирующего элемента с деталью), число циклов нагружения, физико-механические свойства обрабатываемого материала и пр., что и подтверждается исследованиями ряда авторов в работах [4, 5, 7].

Выводы: процесс формирования шероховатости поверхностного слоя нежестких деталей типа полый цилиндр в процессе комбинированной режуще-деформирующей обработки происходит в три основные стадии, а на величину шероховатости влияют множество факторов, такие как форма и размер деформирующих элементов, величина осевой подачи, радиальное усилие, число циклов нагружения, физико-механические свойства обрабатываемого материала и т.д.

На данном рисунке 1 изображено сечение заготовки с уже имеющимися погрешностями в поперечном сечении – эксцентриситетом, концентричностью и разнотолщинностью. Цифрой 1 обозначен наружный контур идеальной заготовки, цифрой 2 – контур внутреннего отверстия заготовки, цифрой 3 – наружный контур готовой детали и цифрой 4 обозначен наружный контур реальной заготовки с уже имеющимися погрешностями в поперечном сечении. Переменными и  обозначена толщина стенок заготовки, при этом величина допуска на толщину стенки , - радиус идеальной заготовки с контуром 1,  - угол поворота заготовки в процессе обработки.
Поскольку базирование рассматриваемой детали происходит по поверхностям, формируемым относительно наружной поверхности, и обработка ведется тоже по наружной поверхности (схема комбинированной обработки представлена в [1]), то погрешность разнотолщинности  в известной мере не оказывает влияния на изменение глубины резания, а влияет только лишь на колебания поперечного сечения детали в процессе обработки. Поэтому далее будем рассматривать только наружный эллипс.
Полуоси наружного эллипса -  и , причем . Ось  – линия центров станка, ось  - ось внутреннего эллипса, ось  - ось наружного эллипса, является осью обрабатываемой детали. - величина отклонения от концентричности наружного и внутреннего эллипсов,  - величина эксцентриситета. . 
Примем  – заданная глубина резания.
Однако из-за наличия погрешностей в форме заготовки, величины угла поворота заготовки , величины отклонения от концентричности и величины эксцентриситета  реальная глубина резания или текущая глубина резания  будет отличаться от заданной глубины резания .
Текущая глубина резания будет определяться выражением 1:

(1)

где ;
 - угловая скорость вращения заготовки;
 - время обработки;
;
.
С учетом вышеизложенного выражение 1 примет вид:

(2)

Изменение глубины резания происходит также и вследствие изогнутости оси обрабатываемой нежесткой заготовки, вызванной изгибными колебаниями, причем изменение глубины резания на резцах равно по величине и противоположно по знаку [1], а также вследствие деформации поперечного сечения заготовки под воздействием перерезывающей силы. Обрабатываемая заготовка вращается с угловой скоростью, ось детали, как указано выше, отклонена от оси ОХ в сечении Х на величину поперечного перемещения, вызванного поперечными или изгибными колебаниями – величину прогиба, которую обозначим как .
Пусть первоначальная (исходная) деформация поперечного сечения заготовки под воздействием перерезывающей силы будет обозначена  (мм), тогда величина деформации поперечного сечениязаготовки, вращающейся со скоростью , может быть описана выражением 3:

(3)

где  - начальный угол поворота поперечного сечения нежесткой заготовки; 
 - дельта-функция по координате.
Рассмотрим первоначальную деформацию поперечного сечения заготовки под воздействием перерезывающей силы - . В начальный момент времени  в точке  имеют место лишь собственные свободные колебания поперечного сечения. 
Задача решается 2 раза при следующих граничных условиях: в начальный момент времени  в точке  первоначальная деформация  равна 0; и в начальный момент времени  в точке первоначальная деформация  максимальна и составляет . Граничные условия в начальный момент времени тогда можно записать в виде (4):

(4)

Величину  можно найти из задачи свободных колебаний поперечного сечения [4]. Примем следующие допущения. Во-первых, поперечное сечение заготовки будет представлено в виде кругового кольца постоянного поперечного сечения в предположении, что размеры поперечных сечений данного кольца малы в сравнении с радиусом осевой окружности, и что каждое поперечное сечение имеет ось симметрии, расположенную в плоскости кольца. Во-вторых, величина прогиба зависит только от толщины стенки заготовки, и радиусом рассматриваемого кольца мы будем считать усредненную линию между максимальной и минимальной толщиной стенки (или же усредненную линию от минимальной толщины стенки, ведь только там будет происходить максимальная деформация в начальный момент времени). В данном случае нас интересуют радиальные колебания поперечного сечения заготовки. В этом случае осевая линия кольца представляет окружность с периодически изменяющимся радиусом, как показано на рисунке 2, и все поперечные сечения движутся в радиальных направлениях без поворотов.
На рисунке 2 приняты следующие обозначения: - радиус осевой линии недеформированного кольца, - радиальное перемещение, принятое положительным по направлению к центру и одинаковое для всех поперечных сечений, - площадь поперечного сечения кольца. - деформация кольца по оси ,  - деформация кольца по оси . Тогда относительное удлинение кольца в окружном направлении будет обозначено как .

Рисунок 2 – Колебания кругового кольца

Потенциальная энергия деформации, состоящая в нашем случае из энергии простого растяжения, определяется выражением:

(5)

где: - модуль упругости материала обрабатываемой заготовки.
Кинетическая энергия колебаний равна:

(6)

где:  - ускорение силы тяжести;
 - вес единицы объема материала обрабатываемой заготовки.
Из выражений 5 и 6 получаем:

(7)

Откуда далее можно получить гармоническое (колебательное) движение кольца:

(8)

где: ;
 - произвольные постоянные интегрирования, для определения которых нужно рассмотреть начальные условия. В начальный момент времени . 
Подставим  в выражение 8, откуда получим:

(9)

Далее продифференцируем выражение 8 по времени и подставим  в выражение производной, получаем:

(10)

В начальный момент времени деформация кольца по оси  -  нас не интересует, поскольку в начальный момент времени резцы резцового блока устройства для комбинированной обработки [1] расположены по оси . Поэтому ограничимся рассмотрением величины - деформации кольца по оси . Это и будет величина . Эту величину можно представить в виде:

(11)

Итак, изменение глубины резания, вызванное изогнутостью оси обрабатываемой заготовки, т.е. изгибными колебаниями, а также деформацией поперечного сечения заготовки, можно описать выражением 12:

(12)

Таким образом, просуммировав указанные выше изменения глубины резания и учитывая, что реальная глубина резания может быть описана выражением:

(13)

где:  – текущая глубина резания;
 - погрешность, вносимая передним центром устройства для комбинированной обработки;
На основании выражения 13 можно получить выражение 14, по которому будет определяться реальная глубина резания:

(14)

где:  – частота вращения заготовки.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что глубина резания в процессе обработки зависит от погрешностей геометрии поперечного сечения нежестких деталей класса «полые цилиндры». При изменении глубины резания изменяется и сила резания, что негативным образом влияет на параметры точности комбинированной обработки деталей данного класса.