Организация технологического процесса восстановления вторичного вала КПП КамАЗ-5320

4 Конструкторская часть

4.1 Обоснование конструкторской разработки

Накатное полирование и упрочняющее накатывание успешно применяются в металлообработке в течение десятилетий. Основы метода научно изучены, а эффективность проверена многолетним опытом. За прошедшие годы опубликовано много статей и сделано много докладов по теоретическим основам и по конкретным условиям применения.

Постоянное стремление к сокращению затрат на обработку, а также увеличение доли станков с ЧПУ привело в недавнем прошлом к дальнейшему развитию этого способа обработки и к повышению его эффективности. Сегодня, благодаря постоянному развитию инструментов, эти способы обработки эффективно применяются на обычных станках даже в условиях мелко- и среднесерийного производства. Это единственные процессы финишной обработки, при которых происходит деформация граничного слоя материала без снятия стружки.

Значительный резерв сокращения затрат лежит в сокращении основного времени. На рисунке 4.1 показана зависимость доли затрат, связанных с основным временем, от получаемой шероховатости поверхности.

Рисунок 4.1 - Затраты на обработку в зависимости от шероховатости

Поверхности с высокой шероховатостью можно получить токарной обработкой при относительно невысоких затратах. Получение поверхности с более низкой шероховатость шлифованием или тонким точением сопряжено с более высокими затратами. В этой области обработки затраты напрямую связаны с качеством обработки.

Скорости и подачи при накатном полировании инструментом с одним роликом находятся примерно на том же уровне, что и при чистовой токарной обработке. Для инструментов с несколькими роликами подача увеличивается пропорционально количеству роликов. Соответственно снижается время обработки и связанные с ним затраты, что и показано на рисунке 4.1.

Полученная экономия позволяет говорить об окупаемости приобретаемого инструмента всего за несколько месяцев.

Таким образом, сокращение затрат при применении накатного полирования возможно за счет:

- сокращения основного времени, как рассмотрено выше;

- сокращения вспомогательного времени за счет комплексной обработки – поскольку накатное полирование может осуществляться практически на любом станке, на котором выполняется предварительная обработка, часто из технологического процесса можно исключить один или несколько станков для финишной обработки с соответствующим сокращением расходов на их наладку, персонал и обслуживание;

- сокращения затрат на наладку, установку-снятие и закрепление-открепление деталей, внутриоперационного и особенно межоперационного транспорта при комплексной обработке;

- сокращения общей трудоемкости детали;

- сокращения оборотных средств;

- быстрой амортизации вложений в инструмент;

- отсутствия затрат на утилизацию отходов – процесс происходит без удаления материала и нет необходимости в утилизации стружки или шлифовального шлама;

- отсутствия специальных мероприятий по безопасности и охране труда – процесс практически бесшумный и не выделяет пыли, газов и паров;

- низких затрат на энергию.

Кроме того, существует экономия за счет имеющего места при накатном полировании упрочнения (наклёпа) материала:

- увеличение срока службы детали;

- повышение надежности работы;

- снижение веса;

- снижение расхода материала;

- исключение из технологического процесса термической обработки;

- сокращение транспортных потоков;

- сокращение общей трудоемкости;

- снижение оборотных средств.

Кроме указанного сокращения основного времени, обработанная методом накатного полирования деталь обладает во всем диапазоне Rz < 10 мкм всеми ранее упомянутыми технологическими преимуществами:

- сокращение веса детали;

- экономия материала;

- исключение термической обработки;

- исключение межоперационного транспорта;

- сокращение трудоемкости;

- сокращение оборотных средств;

- более низкие инвестиции;

- более низкое энергопотребление;

- более низкие потребности в площадях под оборудование.

Экономические преимущества упрочняющего накатывания определяются степенью улучшения свойств материала. Указанные пути сокращения затрат одновременно ведут к повышению качества продукта, что требует отдельной оценки. При этом надо учитывать, что такие понятия как репутация и восприимчивость рынком не подлежат количественной оценке.

Защита окружающей среды с каждым днем приобретает все большее значение. Накатное полирование может быть без всяких ограничений отнесено к экологически чистым процессам. Это объяснятся тем, что при накатном полировании

- не производится удаления материала;

- отсутствует пыль или шлифовальный шлам;

- расходуется небольшое количество энергии;

- расходуется небольшое количество СОЖ;

- невысокий уровень шума.

Все это свидетельствует о том, что накатное полирование имеет хорошие перспективы с точки зрения экологии, как технология будущего. Это способ обработки, при котором виброустойчивость детали повышается при минимальном потреблении энергии. Одновременно повышается долговечность, что в свою очередь оказывает благоприятное воздействие на экологию (утилизация детали наступает позже), причем двойное – сокращается потребление материала и энергии на его производство и затрат на утилизацию.

4.2 Обзор аналогов существующих конструкций

Важнейшим критерием является твердость заготовки. При применении обычных инструментов (в которых усилие на роликах создается механическим способом) граница применения находится на уровне 42 – 45 HRC. Материал более высокой твердости может быть обработан с применением гидростатического «шарикового» инструмента.

4.2.1 Инструменты для обработки поверхностей твердостью до 45 HRC

Наибольшее распространение получили инструменты для обработки отверстий диаметром от 4 до 400 мм. На рисунке 4.2 (а) показан подобный многороликовый инструмент фирмы ECOROLL тип G, установленный на токарном станке с ЧПУ. Инструмент с роликами с фасками, расположенными в сепараторе, предназначен для обработки сквозных отверстий. Аналогичный инструмент с роликами, доходящими до торцевой поверхности инструмента, применяется для обработки глухих отверстий.

Для обработки цилиндрических наружных поверхностей предназначен инструмент типа RA (рисунок 4.2 б), работающий по аналогичному принципу.

а)                                                       б)

Рисунок 4.2 - Инструменты для обработки внутренних (а) и наружных (б) цилиндрических поверхностей

Особый интерес при обработке отверстий представляет инструмент типа RDZ-RETRAC (рисунок 4.3), реализующий комбинацию выглаживающего точения и накатного полирования. С помощью такого инструмента могут быть изготовлены точные цилиндрические отверстия в деталях типа «труба».

Рисунок 4.3 - Инструмент для токарного выглаживания и накатного полирования

Инструменты с одним роликом, представленные на рисунке 4.4 , могут быть использованы для обработки широкого диапазона диаметров, как при наружной обработке цилиндрических и конических поверхностей, при обработке плоскостей и, в определенной степени, при обработке отверстий. Типичным представителем является инструмент для накатного полирования типа EG14.

Хотя эти инструменты были разработаны для применения на токарных станках с ЧПУ, они без проблем могут применяться на токарных станках с ручным управлением. Особенностями этих инструментов является эластичное соединение накатной головки с большим запасом по усилию накатывания, наличие интегрированного хвостовика VDI (по запросу может быть изготовлен инструмент с прямоугольным хвостовиком), компактные размеры, высокая скорость обработки, простота эксплуатации и встроенная система измерения усилия накатывания.

Рисунок 4.4 - Инструменты с одним роликом

Благодаря модульному принципу конструирования  возможно создание инструмента для практически любого случая обработки, например, накатного полирования любого контура или уплотняющих пазов в отверстии.

4.3.2 Инструменты для твердого накатного полирования (твердость заготовки до 65 HRC)

Для применения на обычных ручных станках или обычных станках с ЧПУ, а также на современных станках с ЧПУ без приводных инструментов выпускается инструмент типа HG6-9 с квадратным хвостовиком (рисунок 1.17).

4.3 Описание устройства и принципа работы проектируемой конструкции

Гидростатический «шариковый» инструмент для накатного полирования использует новый принцип действия (рисунок 1.17). Микродеформирование поверхности заготовки осуществляется шариком из твердого материала со специально обработанной поверхностью. Шарик прижимается к поверхности заготовки давлением жидкости, одновременно плавая в ней и имея возможность вращаться в любом направлении. Инструмент, в котором установлен шарик, обеспечивает автоматическое постоянное восполнение жидкости и ее подачу под определенным давлением, в результате чего при любых условиях обработки поддерживается оптимальный зазор между шариком и гнездом. Ход системы восполнения компенсирует не только допуски заготовки и ошибки позиционирования, но даже и имеющие место в направлении подачи отклонения контура заготовки. При этом благодаря системе восполнения усилие накатывания остается неизменным.

Усилие накатывания зависит от давления. Путем выбора оптимального давления можно простым способом влиять на шероховатость поверхности. В качестве жидкости может быть использована практически любая из имеющихся на производстве СОЖ. Давление жидкости должно находится в диапазоне 100 – 400 бар.

Благодаря четкой зависимости усилия накатывания от давления данный инструмент может быть использован для упрочняющего накатывания. В этом случае давление должно быть от 50 до 250 бар.

Значения получены для закаленных осей дифференциальной передачи. Распределение собственных сжимающих напряжений существенно лучше, чем при шлифовании и обработке дробью. В граничной области наблюдалось повышение твердости с 600HV до 680…730HV.

Накатное полирование и упрочняющее накатывание до недавнего времени применялись только для деталей типа тел вращения. С появлением гидростатических «шариковых» инструментов стало возможным обрабатывать прямые и изогнутые поверхности, так называемые формообразующие поверхности. В этом случае инструмент совершает движение по меандровой кривой, как показано на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 - Обработка поверхностей

Всесторонняя подвижность гидростатически замкнутого шарика позволяет менять направление движения при полном контакте инструмента с заготовкой. Система подачи жидкости обеспечивает выравнивание отклонений между запрограммированной траекторией и истинным контуром заготовки. При этом усилие накатывания остается постоянны и зависит только от давления жидкости.

4.4 Расчет элементов предлагаемой конструкции

Для изготовления приспособления упрочняющего накатывания используются как стандартные детали, так и оригинальные изделия. Для выбора материала и надежного конструктивного исполнения при оптимальных материальных затратах необходимо определить и проверить физико-механические свойства конструктивных элементов. Основными несущими элементами являются полое основание, в нутрии которого находится диск с пазов для пружины и отверстиями для пропуска жидкости, также пружина прижимающая шарик, насадка с шариком.

Коэффициент запаса k определяют как произведение семи частных коэффициентов:

,                                                        (4.1)

где  k0 = 1.5 - гарантированный коэффициент запаса;

k1 - коэффициент, учитывающий неровности обрабатываемой поверхности;

k2 - коэффициент, учитывающий затупление режущего инструмента;

k3 - коэффициент, учитывающий прерывистую обработку;

k4 - коэффициент, учитывающий постоянство силы, развиваемой зажимным механизмом;

k5 - коэффициент, учитывающий неудобство расположения рукоятки и угла ее поворота более 900;

k6 - коэффициент, учитывающий наличие крутящих моментов, стремящихся повернуть заготовку, и вид опор.

Давление в устройстве для упрочняющего накатывания составляет 50-250 бар. Шарик диаметром 1,9 мм продавливает площадь 0,25 мм2 в связи с этим можно определить силу:

                                                                                    (4.2)

где p – давление в установке, p = 2500 Н/см2;

S – площадь продавливания, S = 0,0025 см2.

Составим уравнение равновесия сил: