Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 7076
(13) U
(46) 2011.02.28
(51) МПК (2009)
B 23B 27/00
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ С ОБКАТЫВАНИЕМ
(21) Номер заявки: u 20100672
(22) 2010.07.29
(71) Заявитель: Государственное учреж-
дение высшего профессионального
образования "Белорусско-Российский
университет" (BY)
(72) Авторы: Жолобов Александр Алексее-
вич; Шатуров Денис Геннадьевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
учреждение высшего профессиональ-
ного образования "Белорусско-Россий-
ский университет" (BY)
(57)
Устройство для обработки резанием с обкатыванием, содержащее деформирующий
элемент, например ролик, установленный относительно детали оппозитно резцу на оси в
торце державки, размещенной в отверстии корпуса с возможностью осевого перемещения,
и пружины, установленной на хвостовике державки с упором с одной стороны в ее торце-
вой уступ, а с другой - в гайку корпуса, отличающееся тем, что соосно с пружиной в от-
верстии корпуса размещена вторая пружина с упором в торцевой уступ державки и
опорой на фигурную шайбу наружной гайки корпуса, при этом жесткость первой пружи-
ны равна разнице жесткостей передней и задней бабок станка, а жесткость второй пружи-
ны равна разнице жесткостей передней бабки станка и заготовки в месте ее наибольшего
прогиба.
(56)
1. Чистосердов П.С. Комбинированные инструменты для отделочно-упрочняющей об-
работки. - Минск: Беларусь, 1977. - С. 63.
2. Шнейдер Ю.Г. Инструмент для чистовой обработки металлов давлением. - Л.: Ма-
шиностроение, 1970. - С. 102.
Фиг. 1
BY7076U2011.02.28

2. BY 7076 U 2011.02.28
2
Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к металлообра-
ботке заготовок на металлорежущих станках.
Известно устройство для совмещенной обработки резанием с обкатыванием деформи-
рующим элементом [1], содержащее резец и обкатывающий ролик одностороннего дейст-
вия.
Однако увеличенная сила резания от действия резца и ролика увеличивает упругие
деформации элементов технологической системы, что уменьшает точность обработки.
Известно устройство для совмещенной обработки резанием с одновременным обкаты-
ванием, содержащее деформирующий элемент - шарик, упруго действующий на обраба-
тываемую поверхность заготовки посредством пружины и установленный относительно
вала оппозитно резцу [2].
Однако устройство не обеспечивает равенство радиальной силы резания и оптималь-
ной величины силы давления деформирующего элемента на обрабатываемую поверх-
ность. Это приводит к нестабильной шероховатости на всей длине обработки.
Кроме того, устройство не учитывает изменение жесткости элементов (опор вала и
самого вала) технологической системы (TC) при перемещении резца вдоль оси вала при
обработке. Поскольку существует разница в величинах радиальной силы резания и опти-
мальной силы давления шарика, обеспечивающего наименьшую шероховатость обраба-
тываемой поверхности, то, в силу изменения жесткости элементов технологической
системы при продольном перемещении резца, происходит изменение упругой деформа-
ции оси вала относительно вершины резца. Это приводит к изменению диаметра вала в
процессе обработки, что уменьшает точность.
Задачей настоящей полезной модели является повышение точности обработки.
Указанная задача достигается тем, что в устройстве для обработки резанием с обкаты-
ванием, содержащем деформирующий элемент, например ролик, установленный относи-
тельно детали оппозитно резцу на оси в торце державки, размещенной в отверстии
корпуса с возможностью осевого перемещения, и пружины, установленной на хвостовике
державки с упором с одной стороны в ее торцевой уступ, а с другой - в гайку корпуса, со-
гласно полезной модели, соосно с пружиной в отверстии корпуса размещена вторая пру-
жина с упором в торцевой уступ державки и опорой на фигурную шайбу наружной гайки
корпуса, при этом жесткость первой пружины равна разнице жесткостей передней и зад-
ней бабок станка, а жесткость второй пружины равна разнице жесткостей передней бабки
станка и заготовки в месте ее наибольшего прогиба.
Устройство для совмещенной обработки резанием с обкатыванием роликом преду-
сматривает компенсацию радиальной силы резания на продольный изгиб вала и деформа-
цию его опор, не осуществляя при этом поверхностного пластического деформирования
обработанной резцом поверхности.
Для получения точности диаметральных размеров валы после токарной обработки
обычно шлифуют. Совмещенная обработка валов резанием с одновременным поверхност-
ным пластическим деформированием, например, роликом обработанной резцом поверх-
ности не обеспечивает ни точности размеров, ни одинаковой шероховатости в продольном
сечении вала. Поэтому разработка устройств для обработки нежестких валов точением с
управлением упругих деформаций для получения необходимой точности после токарной
обработки с последующим финишным обкатыванием, исключающим процесс шлифова-
ния и тем самым шаржирование обработанной поверхности абразивом, является актуаль-
ной задачей машиностроения.
При нахождении резца и ролика в начале обработки, т.е. у задней бабки станка, можно
составить уравнение сил, действующих на вал (фиг. 3):
Py = P1 + P2,
где Py - радиальная составляющая силы резания;
P1 - усилие, воспринимающееся задней бабкой станка - опорой вала;

3. BY 7076 U 2011.02.28
3
P2 - усилие, воспринимающееся пружиной устройства (например, пружиной меньшего
диаметра).
P1 = у0Сзб; P2 = у0СР1.
Тогда
Py = Сзб⋅у0 + СР1⋅у0 = у0(Сзб + CP1),
где Сзб - жесткость задней бабки станка в месте крепления вала, н/мкм;
CP1 - жесткость пружины меньшего диаметра, н/мкм;
у0 - упругое перемещение оси вала от суммарного действия сил в начале обработки.
При нахождении резца и ролика в конце обработки, т.е. у более жесткой передней баб-
ки станка - передней опоры вала, P2 = 0. Пружина меньшего диаметра находится в сво-
бодном состоянии, т.е. она не испытывает нагрузки, поэтому P2 = 0.
Тогда
Py = P01 = у01⋅Спб,
где у01 - упругое перемещение оси вала в конце обработки;
Спб - жесткость передней бабки станка в месте крепления вала, н/мкм.
Для исключения конусности при обработке необходимо соблюдение условия у0 = у01.
Тогда при неизменности силы Ру имеем
Сзб + СP1 = Спб.
Откуда
CР1 = Спб – Сзб.
Таким образом, для исключения конусности жесткость, например, пружины меньшего
диаметра (фиг. 1) должна быть равна разнице жесткостей передней (более жесткой) и зад-
ней (менее жесткой) опор вала.
Для исключения бочкообразности в конструкции предусмотрена вторая пружина, ко-
торая в начале обработки (х = 0) находится в свободном состоянии, т.е. не испытывает на-
грузок. При обработке нежестких валов, когда l/d > 12, где 1 - длина вала, d - диаметр
вала, при перемещении резца вдоль оси вала возникает упругая деформация его оси,
большая, чем значение у01. В этом случае вторая пружина, например, большего диаметра
(фиг. 1) начинает сжиматься, тем больше, чем больше упругая деформация оси вала. В ре-
зультате возникает сила P3 пружины, противодействующая силе Ру. Максимальное значе-
ние силы P3 будет в месте наибольшего прогиба вала, т.е. в его середине, когда x = e/2
(фиг. 3).
При нахождении резца в середине вала имеем
Py = P3 + P4,
где P3 - усилие, возникающее в результате упругой деформации оси вала;
P4 - усилие, возникающее в результате деформации пружины большего диаметра.
Py = у2Св + у2СР2 = у2(Св + CP2),
где у2 - упругое перемещение оси вала в его середине;
Св - жесткость оси вала при нахождении резца в его середине;
CP2 - жесткость второй пружины.
Для исключения бочкообразности необходимо выполнить условие (фиг. 3) у01 = у2.
.
СС
Р
С
Р
2Рв
у
пб
у
+
=
Тогда
Спб = Св + СР2.
Откуда
СР2 = Спб – Св,
где
,
l
EI48
C 3в −=

4. BY 7076 U 2011.02.28
4
где E - модуль упругости обрабатываемого материала для стали, E = 2⋅107
н/см2
;
I - момент инерции сечения, I = 0,05d4
;
d - диаметр вала;
l - длина вала.
Жесткость CP пружины равна
;
nR64
Gd
C 3
4
P = ,
)1(2
E
G
µ+
=
где d - диаметр проволки;
R - средний диаметр витков;
n - число рабочих витков;
G - модуль сдвига;
E - модуль упругости;
µ - коэффициент Пуассона.
Таким образом, для исключения бочкообразности необходимо, чтобы жесткость вто-
рой пружины наибольшего диаметра была равна разнице жесткостей передней бабки стан-
ка и заготовки (вала) в месте ее наибольшего прогиба.
В настоящее время авторам неизвестны технические решения, в которых были бы от-
ражены указанные отличия, достаточные для получения эффекта, указанного в цели по-
лезной модели.
На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого устройства для совмещенной обра-
ботки; на фиг. 2 изображен ролик вместе с осью; на фиг. 3 изображена схема упругих де-
формаций задней, передней бабок станка и вала при обработке.
Устройство содержит ролик 1, жестко установленный на оси 2 в торце державки 3,
размещенной в отверстии корпуса 4 с возможностью осевого перемещения. На хвостовике
5 державки 3 установлена первая пружина 6 меньшего диаметра с опорой с одной стороны
на уступ 7 державки 3, а с другой стороны - на шайбу 8 и внутреннюю гайку 9 корпуса 4.
В отверстии корпуса соосно с первой пружиной 6 установлена вторая пружина 10 больше-
го диаметра с опорой с одной стороны на уступ 7 державки 3, а с другой стороны - на фи-
гурную крестообразную шайбу 11 и наружную гайку 12 корпуса 4. Крестообразная шайба
11 установлена в отверстие корпуса 4, а четырьмя выступами в пазы 13 корпуса 4. Дер-
жавка 3 в угловом и в осевом положениях фиксируется винтом 14, входящим в полуот-
крытый паз 15. Величина усилия пружин регулируется внутренней гайкой 9 и наружной
гайкой 12. Отметим, что корпус устройства может быть выполнен и закреплен на суппор-
те станка (фиг. 1), а может быть выполнен вместе с держателем резца и закреплен в резце-
держателе станка.
Настройка и работа устройства происходит следующим образом.
При отсутствии контакта ролика 1 с заготовкой 16 резцом 17 (фиг. 1) на выбранных
режимах обработки обрабатывают конец заготовки вблизи передней более жесткой опо-
ры. Фиксируют диаметр обработанной поверхности. После чего на выбранных (тех же)
режимах обработки обрабатывают конец заготовки вблизи задней менее жесткой опоры (у
задней бабки станка). При неравенстве диаметров поверхностей обработанных концов за-
готовки с помощью гайки 9 за счет сжатия пружины 6 при контакте ролика 1 с заготовкой
16 создается усилие Pz до получения диаметра обработанной поверхности, равного диа-
метру поверхности, полученной после проточки у передней опоры вала. Настройка на от-
сутствие погрешности по конусности осуществлена. После этого вторая пружина 10
гайкой 12 в начале обработки подводится до соприкосновения с уступом 7 с минималь-
ным ее сжатием. При этом ролик 1 находится в контакте с поверхностью обработанной
заготовки. Жесткость второй пружины рассчитана по формуле:
.
l
EI48
СCCC 3пбвпб2P −=−=

5. BY 7076 U 2011.02.28
5
При обработке заготовки ролик 1, контактируя с обработанной резцом поверхностью
(фиг. 2), вращаясь вместе с осью 2 в отверстиях державки 3, создает необходимое усилие
на заготовку, минимизируя погрешность обработки.
После полной обработки вала осуществляют проверку настроек путем измерения диа-
метров детали в начале, в конце и в середине детали. Если необходимо, то производится
корректировка деформации второй пружины 10 путем перемещения гайки 12.
Обработка валов с использованием предлагаемого устройства автоматически обеспе-
чивает отсутствие или минимизацию погрешностей обработки.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.