Tangential oscillations with combination of cutting and surface plastic deformation of flexible shafts

Abstract

The article describes the stages of combined devices for cutting-deformed processing design of non-rigid shafts.

Full Text

Большое значение в технологическом процессе изготовления деталей и узлов машин при повышении требований к их качеству приобретают финишные операции. Для достижения заданных параметров точности размера и шероховатости в качестве финишной обработки могут быть использованы операции шлифования, суперфиниширования, хонингования или поверхностного пластического деформирования (ППД). К деталям – гладким валам из сталей, цветных металлов и сплавов, эффективно изготавливаемых по технологии КРДО – предъявляются высокие требования к точности IT7…IT9 и качеству поверхности Ra<0,1 мкм. Комбинированная обработка предназначена для эффективной замены абразивных методов обработки, что предопределено производительностью процесса и объемом снимаемой стружки в единицу времени. При этом для стабильного обеспечения параметров качества при применении ППД требуется, помимо точности статической настройки, обеспечение равномерного натяга деформирования, что часто не достигается из-за переустановки заготовки и невысокой точности предварительной, как правило, токарной, обработки [3]. Одним из способов достижения равномерного натяга деформирования и уменьшения погрешности статической настройки – погрешности установки – является применение комбинированного режуще-деформирующего инструмента. В этом случае процесс резания и ППД происходят единовременно, а обработка ведется от одних баз, без переустановки заготовки. Комбинированный инструмент (рисунок 1) включает режущий и люнетно-деформирующий модули, расположенные в жестком корпусе. Режущий модуль состоит из плавающего в направлении размерообразования резцового блока 4 и направляющих колодок. Размерная настройка резцового блока осуществляется вне станка смещением двух резцов относительно друг друга и фиксацией их в настроенном положении. Люнетно-деформирующий модуль инструмента 2 выполнен в виде многороликовой накатной головки, имеющей в качестве рабочих тел ролики, установленные в пазы сепаратора и обкатывающиеся по конической поверхности нажимного конуса. Деформирующие ролики настраиваются на размер по опорной втулке 1 путем перемещения сепаратора в осевом направлении с помощью гайки. Привод детали 6 осуществляется от переднего ведущего центра 5, осевая подача S осуществляется продольным суппортом станка. Люнетно-деформирующий модуль выполняет задачи подвижного люнета, в процессе ППД производит выглаживание микронеровностей, обеспечивает стабильное пространственное положение оси вращения изделия, тем самым снижая влияние звеньев размерной цепи системы СПИД на точность обработки детали. Исследованиями [1] было показано, что точность комбинированной режуще-деформирующей обработки (КРДО) поверхностей вращения валов зависит от выполнения заданных функций режущим и люнетно-деформирующим модулем. Рисунок 1 – Комбинированный режуще-деформирующий инструмент для обработки нежестких валов Назначение режущего модуля – удаление минимально необходимого припуска металла, обеспечение требуемых точностных параметров, размеров и формы изделия, а также формы и высоты микронеровностей для последующего поверхностного пластического деформирования (ППД). В результате ППД микронеровностей резцовой обработки достигается только снижением высоты микронеровностей и упрочнением поверхностного слоя металла. Для анализа конструкции и условий работы инструмента была смоделирована его конструкция (рисунок 2) путем проектирования всех деталей, входящих в состав сборки, с последующей сборкой и наложением связей и ограничений, и разработана электронная модель резцового блока (в среде Unigraphics NX). Рисунок 2 – Модель комбинированного инструмента Затем было проведен компьютерный инженерный анализ (CAE) проектируемого изделия методом конечных элементов, для чего был выбран вид расчета, задана масса всех тел, тела включены в конечностно-элементный анализ и разбиты на сетку конечных элементов (рисунок 3), сымитировано закрепление инструмента на станке, к режущему модулю приложены действующие силы [2]: , (1) где: – приращение глубины резания в сечении с координатой в момент времени, вызванное погрешностью статической настройки устройства для комбинированной режуще-деформирующей обработки и установки детали. Постоянная и динамическая составляющая сил резания имеют вид: , (2) . (3) Рисунок 3 – Добавление тела в расчет и разбиение на сетку конечных элементов Рисунок 4 - Результаты расчета перемещений Рисунок 5 – Результаты расчета деформации Анализ полученных результатов (рисунок 4) показал, что размерообразующий резцовый модуль должен находиться под воздействием одной или нескольких сил резания в плоскости размерообразования таким образом, чтобы результирующая этих сил стремилась к минимальной величине, например, к нулевому значению. Таким условиям удовлетворяют двух-четырехрезцовые "плавающие" блоки с оппозитным расположением резцов с одной степенью свободы в плоскости размерообразования [4]. Из анализа результатов расчета деформации (рисунок 5) следует, что «плавание» резцового блока целесообразно обеспечить в тангенциальном направлении, при этом на резцах стабилизируется сила резания, а деформации как всего инструмента, так и режущего модуля будут минимизированы. Выполненные расчеты показали, что режущий модуль технологически устойчив при обработке на скоростях 80-150 м/мин при подаче 1,0-1,5 мм/об. Наибольшие значения деформации, перемещения и напряжения имеют в месте приложения сил резания и составляют: деформации - 6,12 мкм/м, перемещение – 6,12 мкм, напряжение 1,42 Мпа, что позволяет достигать заданных параметров качества обработки.