Совершенствование процесса поверхностного пластического деформирования головок шаровых пальцев планетарной обкаткой с целью повышения качества изделий

В настоящее время суммарный годовой выпуск шаровых шарниров передней подвески только, например, для автомобилей ВАЗ составляет на более чем 20-ти отечественных предприятиях-изготовителях данного вида продукции свыше 10 млн. шт. В связи с этим актуальной задачей является повышение качества комплектующих изделий, входящих в конструкцию шарового шарнира, с целью повышения эксплуатационного ресурса узла. Основной деталью шарового шарнира является шаровой палец, неполная сферическая часть (головка) которого находится внутри корпуса и охватывается вкладышем, изготовленным из полимерного материала. Поэтому с целью снижения износа последнего к качеству поверхности головки шарового пальца предъявляются повышенные требования (в зависимости от модели автомобиля параметр шероховатости Ra составляет 0,20 — 0,45 мкм). Наиболее распространенным способом поверхностного пластического деформирования головок шаровых пальцев у отечественных производителей является планетарная обкатка. Однако данный способ обладает таким недостатком, как неравномерность обработки участков поверхности головки. В частности, кратность (повторяемость) прохождения деформирующих тел на околополюсных участках превышает кратность обработки экваториальной зоны в 300−400 раз. При этом исходные перед поверхностным пластическим деформированием значения высотных параметров шероховатости, напротив, максимальны на экваторе и в 2,0 — 3,5 раз больше, чем на полюсе и участках, прилегающих к торцевому срезу головки. Данное несоответствие является причиной как снижения качества обрабатываемых изделий, так и уменьшения производительности процесса планетарной обкатки. В связи с этим совершенствование технологии поверхностного пластического деформирования головок шаровых пальцев с целью повышения качества изделий и увеличения производительности обработки является актуальным.

Целью работы является совершенствование процесса поверхностного пластического деформирования головок шаровых пальцев автомобилей планетарной обкаткой для повышения качества изделий и увеличения производительности.

Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи: исследование закономерностей распределения значений высотных параметров шероховатости на поверхности головки шарового пальца: исходного и получаемого после традиционной планетарной обкаткиразработка нового способа поверхностного пластического деформирования головок шаровых пальцев планетарной обкаткой, позволяющего повысить качество обработки поверхности путем изменения распределения высотных параметров шероховатости, а также увеличить производительность процессаматематическое моделирование нового способа поверхностного пластического деформирования планетарной обкаткой, аналитическое и экспериментальное исследование влияния основных технологических параметров процесса обкатки на качество обработки поверхности головок шаровых пальцев;

— разработка вариантов реализации новой технологии поверхностного пластического деформирования головок шаровых пальцев планетарной обкаткой и их промышленное внедрение.

1. Обработка неполных сферических головок шаровых пальцев обкаткой. Технологические решения и проблемы.

Одними из наиболее ответственных и жизненно важных деталей подвески большинства легковых автомобилей как отечественного, так и зарубежного производства являются шаровые шарниры. Данные узлы служат шарнирным соединением рычагов передних подвесок с поворотными кулаками и обеспечивают передачу от колес к кузову всех видов нагрузок, возникающих при движении автомобиля с одновременным поворотом и вертикальными ходами управляемых колес [1].

Среди многообразия конструкций шаровых шарниров, применяемых в качестве шаровых пальцев передней подвески, можно выделить два наиболее распространенных вида: а) шарниры, в которых в качестве уплотнителя используется полимерный заливочный материал (так называемые «заливные») (рис. 1.1) — б) шарниры, в которых уплотнение составных частей при сборке происходит за счет завальцовывания специальной обоймы (так называемые «закатные») (рис. 1.2).

Рис. 1.1. Шаровой шарнир «заливной» конструкции: 1 — шаровой палец- 2 — вкладыш- 3 — верхний корпус- 4 — нижний корпус- 5 — заливочный материал.

В обеих конструкциях шаровых шарниров основной деталью является шаровой палец, неполная сферическая головка которого находится в корпусе шарнира с возможностью свободного вращения и качания внутри полимерного вкладыша. В процессе эксплуатации шарового шарнира в качестве части системы подвески автомобиля движение сферы шарового пальца внутри корпуса, как реакция на действие рулевого управления либо рельеф дорожного полотна, является причиной абразивного износа охватывающего ее вкладыша. Данный износ в свою очередь ведет к появлению люфта внутри корпуса шарового шарнира, что сказывается на увеличении динамических нагрузок на него со стороны шарового пальца, являющихся причиной ускоренного выхода узла из строя.

Рис. 1.2. Шаровой шарнир «закатной» конструкции: 1 — шаровой палец;

2 — обойма вкладыша- 3 — подшипник- 4 — вкладыш- 5 — корпус;

6 — шайба дистанционная.

Шаровые пальцы, применяемые в шаровых шарнирах передней подвески, изготавливаются, главным образом, холодной высадкой либо поперечно-клиновой прокаткой [2−6]. После формообразующих операций головка шарового пальца подвергается фрезерной обработке. Целью данной операции является придание ей диаметра, заложенного в конструкторской документации шарового.

2 6 шарнира. Головка, прошедшая точение, имеет поверхность с регулярным микрорельефом, параметры которого зависят от кинематики данного процесса, геометрических размеров сферы, резцов и других. Как правило, параметр шероховатости Ra поверхности головки после данной операции составляет 1,2.2,0 мкм. Поверхность данного качества является неудовлетворительной для головок шаровых пальцев, используемых при сборке шаровых шарниров.

В связи с тем, что главным фактором, влияющим на интенсивность износа вкладыша, является качество поверхности головки шарового пальца, технические условия большинства предприятий автомобилестроения нормируют требования к шероховатости ее поверхности значением параметра Ла =0,20. 0,45 мкм. Это явилось одной из причин создания разнообразных способов чистовой обработки неполных сфер шаровых пальцев, при которых достигается шероховатость поверхности требуемого уровня.

Из различных видов чистовой обработки, применительно к поверхностям неполных сферических головок шаровых пальцев, наибольшее распространение получили виброгалтовка, алмазное выглаживание, шлифование, а также обкатка.

Обкатка получила наибольшее распространение среди производителей шаровых шарниров в качестве операции чистовой обработки неполной сферы шарового пальца. При использовании данного вида обработки под действием твердых металлических тел качения микронеровности на поверхности обрабатываемого изделия пластически деформируются — сминаются, при этом повышается чистота поверхности [7−9].

Распространение обкатки объясняется ее технологическими достоинствами: высокой производительностью при обработке поверхностей, достаточно высокой стойкостью и надежностью обкатного инструмента, а также компактностью применяемого оборудования [9].

В работе [10] была сделана попытка классифицировать способы обкатки сферических поверхностей в зависимости от сложности их реализации. По предложенной классификации все схемы подразделяются на центровые и бесцентровые.

Различие между центровыми и бесцентровыми способами заключается в том, что у первых обрабатываемая деталь фиксируется (центрируется) в пространстве, тогда как при осуществлении бесцентровых способов деталь во время процесса совершает сложное движение как в пространстве, так и относительно обрабатывающего инструмента.

Выводы по главе.

Представлены варианты реализации поверхностного пластического деформирования головок шаровых пальцев планетарно-поворотной обкаткой:

— планетарно-поворотная обкатка с дискретным дополнительным поворотом шарового пальца, осуществляемым после каждого его полного оборота вокруг своей оси. Использование данного способа позволяет влиять на распределение значений относительной кратности обработки поверхности за счет изменения угловой скорости вращения шарового пальца вокруг своей оси.

— планетарно-поворотная обкатка с увеличением угловой скорости вращения деформирующих тел качения по мере совершения шаровым пальцем дополнительного поворота. Использование данного способа позволяет увеличить значение относительной кратности обработки на экваториальных участках поверхности головки при одновременном их снижении на периферийных участках.

Разработана конструкция сепараторной многошариковой обкатной головки, применение которой позволит улучшить качество обрабатываемых изделий и повысить стойкость инструмента.

Разработано техническое задание на реконструкцию станков для обкатки головок шаровых пальцев, используемых в ЗАО НПО «БелМаг», с целью производственной реализации новой технологии планетарно-поворотной обкатки. Принятая к промышленному использованию технология ППО позволит уменьшить значения высотных параметров шероховатости на поверхности головок шаровых пальцев на 8−10%, а также увеличить производительность процесса на 5−7%. Ожидаемый экономический эффект от внедрения данного способа составляет 260 тыс. руб./год.

Заключение

.

В настоящей работе рассмотрены вопросы совершенствования технологии поверхностного пластического деформирования головок шаровых пальцев планетарной обкаткой. Проведенные теоретические и производственные исследования позволили сделать нижеследующие выводы.

Экспериментально установлено, что перед поверхностным пластическим деформированием планетарной обкаткой значения высотных параметров шероховатости поверхности на экваторе головки шарового пальца в 2,0−3,5 раз превышают значения соответствующих параметров на полюсе и у торцевого среза.

На основании экспериментальных исследований получены статистические зависимости параметра шероховатости RmM от осевого усилия обкатки, времени обкатки, исходного значения параметра RmM и относительной кратности обработки при планетарной обкатке головок шаровых пальцев телами качения.

На базе вариационного метода в дискретной постановке разработана математическая модель процесса смятия микронеровности на сферической поверхности при планетарной обкатке. Модель позволяет определять рациональные параметры технологического процесса планетарной обкатки головок шаровых пальцев и реализующего его оборудования. Отклонение результатов, полученных с использованием модели, от экспериментальных данных не превысило 15%.

Определены зависимости нормального усилия планетарной обкатки головок шаровых пальцев от требуемой величины смятия микронеровности при различной ее исходной высоте. Значения усилий составляют от 180 до 350 Н при величинах смятия от 4 до 10 мкм и при исходной высоте от 8 до 20 мкм.

Разработан новый способ поверхностного пластического деформирования головок шаровых пальцев — планетарно-поворотная обкатка (ППО), применение которого позволит увеличить относительную кратность обработки экваториальных участков поверхности на 25−30%, что обеспечивает повышение качества изделий и сокращение времени обработки. Помимо этого разработаны два варианта его реализации: с ускорением вращения обкатного инструмента и с дискретным дополнительным поворотом обрабатываемой детали.

Установлены закономерности кинематики способа ППО, позволяющие определить его технологические параметры в зависимости от распределения исходных перед поверхностным пластическим деформированием значений высотных параметров шероховатости по поверхности головки шарового пальца.

Разработанные рациональные режимы традиционной планетарной обкатки головок шаровых пальцев промышленно опробованы в ЗАО «МАРС» ОАО «ММК» и внедрены в ЗАО НПО «БелМаг», что позволило обеспечить повышение качества обработки за счет снижения значений высотных параметров шероховатости на 7. 8%.

Предложена конструкция сепараторной многошариковой обкатной головки, применение которой позволит улучшить качество обрабатываемых изделий и повысить стойкость инструмента.

Разработано техническое задание и выполнен проект реконструкции станков для обкатки головок шаровых пальцев, используемых в ЗАО НПО «БелМаг», с целью производственной реализации новой технологии ППО. Принятая к промышленному использованию технология ППО позволит уменьшить значения высотных параметров шероховатости на поверхности головок шаровых пальцев на 8. 10%, а также увеличить производительность процесса на 5.7%. Ожидаемый экономический эффект от внедрения данного способа составляет 260 тыс. руб./год.