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.