НАКАТНАЯ ГОЛОВКА Российский патент 1997 года по МПК B21H3/04 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при накатывании деформирующими роликами одно- и многозаходных спиральных поверхностей с постоянным или переменным шагом спирали на наружной поверхности цилиндрических трубных заготовок для увеличения поверхности теплообмена трубных пучков теплообменников.

Известна накатная головка для накатывания резьб на цилиндрической заготовке, включающая в себя корпус с установленными на размер роликами, поворотными на закрепленных в корпусе осях и повернутых на угол подъема винтовой линии [1]
Недостатком известной накатной головки является отсутствие возможности автоматической радиальной подачи роликов на глубину накатываемого профиля в процессе его формирования и невозможность формирования многозаходных спиральных профилей различного шага и формы профиля.

Целью изобретения является накатывание на наружной цилиндрической поверхности заготовки многозаходных спиральных поверхностей различного профиля с обеспечением автоматической радиальной подачи роликов на глубину формируемого профиля в процессе накатывания.

Поставленная цель достигается тем, что головка для накатывания винтовой резьбовой поверхности, содержащая корпус, накатные ролики, поворотные на осях и повернутые на угол подъема винтовой линии, снабжена механизмом автоматической радиальной подачи роликов на глубину профиля в процессе накатывания, выполненным в виде поворотной относительно корпуса головки обоймы с неуравновешенной инерционной массой Φ, сопряженной с полукорпусом головки посредством подпружиненных шаровых тел, взаимодействующих с выполненной на полукорпусе кольцевой канавкой сферического профиля, располагающей на наружной поверхности неподвижно закрепленным упором, контактирующим с размещенным на полукорпусе регулируемым упором-ограничителем угла поворота обоймы с установленными на ее внутренней стороне тягами, соединенными шарнирно с муфтами, установленными неподвижно на концах валиков с цапфами, оси которых смещены относительно осей валиков, и взаимодействующими с поворотными на них деформирующими роликами, причем опорные концы валиков установлены с возможностью поворота в расточках цилиндрических вставок, размещенных в выборках полукорпусов и закрепленных посредством эксцентриковых винтов, а на полукорпусе, примыкающем к поворотной обойме, нанесена шкала отсчета величины радиальной подачи роликов. Головка снабжена также дополнительным фрикционным приводом механизма автоматической подачи роликов на глубину формируемого профиля в процессе накатывания, выполненным в виде размещенных эквидистантно поверхности трубной заготовки и размещенных в расточке неподвижно закрепленного на поворотной обойме фланца подпружиненных в плоскости разъема фрикционных полуколец, взаимодействующих с подвижными вдоль своих осей нажимными подпружиненными штифтами, контактирующими другими концами с конической поверхностью на внутренней полости гайки, взаимодействующей резьбовой частью с резьбовым концом фланца. Головка снабжена фиксатором кругового положения поворотной обоймы, выполненным в виде размещенного в полости неподвижно закрепленного на поворотной обойме штуцера подпружиненного штока со штифтом-ограничителем, выполненного с возможностью осевого перемещения и взаимодействующего концом конической формы с ответным отверстием, выполненным в регулируемом упоре-ограничителе, причем штифт-ограничитель взаимодействует с радиально расположенным в торцовой части гайки штуцера радиальным пазом, ширина и глубина которого соответствуют диаметру штифта-ограничителя. Головка снабжена устройством автоматического отключения фрикционного механизма автоматической подачи ролика, выполненного в виде закрепленного на гайке фланца ролика, взаимодействующего с установленным вне головки подводным упором.

На фиг. 1 приведена накатная головка, общий вид, вид спереди; на фиг. 2
вид сбоку на фиг. 1; на фиг. 3 вид сверху на фиг. 1 на роликовый узел при частично вскрытой внутренней полости головки; на фиг. 4 вид Г на фиг. 3; на фиг. 5 сечение Е-Е на фиг. 3; на фиг. 6 вид Б на фиг. 2; на фиг. 7 - конструктивное выполнение приводной тяги и муфты механизма автоматической подачи ролика; на фиг. 8 схема к расчету величины подачи ролика на глубину профиля при повороте валика и цапфы на угол a_i; на фиг. 9 схема к расчету перемещений приводной тяги и углов поворота α_i муфты, поворотной обоймы β_i при работе механизма автоматической подачи ролика; на фиг. 10 схема взаимодействия ролика поворота гайки с неподвижным упором (два варианта) при автоматическом выключении дополнительного фрикционного механизма автоматической подачи ролика на глубину профиля.

Головка содержит два полукорпуса 1 и 2, неподвижно соединенных между собой призонными винтами 3, поворотную обойму 4 с неуравновешенной инерционной массoй Φ, взаимодействующую с полукорпусом 2 посредством подпружиненных пружинами 5 шаровых тел 6, взаимодействующих с выполненной на полукорпусе 2 кольцевой канавкой сферического профиля, винтов 7 в отверстиях обоймы 4, накатных роликов 8, повернутых на угол подъема спирали w, бронзовых шайб 9, распорных втулок 10 и 11, пружинных колец 12. Ролики 8 выполнены с возможностью вращения на цапфах 13 валиков 14, причем оси цапф 13 смещены относительно осей валиков 14 на величину эксцентриситета е, концы валиков 14 размещены с возможностью вращения в расточках цилиндрических вкладышей 15 и 16, размещенных в выборках полукорпусов 1 и 2, и закрепленных эксцентриковыми винтами 17. На концах валиков 14 со стороны поворотной обоймы выполнены квадраты 18, взаимодействующие с ответными отверстиями в муфтах 19, в отверстиях которых на расстоянии r_м относительно осей валиков 14 установлены с возможностью вращения штифты 20, подвижно соединенные с приводными тягами 21, на другом конце которых подвижно закреплены штифты 22, выполненные с возможностью вращения в отверстиях поворотной обоймы 4, причем штифты 22 зафиксированы в осевом направлении шайбами 23 и шплинтами 24. На цилиндрической поверхности бурта 25 поворотной обоймы 4 в пазу Ж винтами 26 закреплен упор-ограничитель 27 угла поворота b_i обоймы 4, взаимодействующий с регулируемым упором 28, выполненным с возможностью перемещения в круговом пазу полукорпуса 2 и закрепляемого двумя винтами 29.

Шкала отсчета Ш величины радиальной подачи ΔR деформирующих роликов 8 на глубину формируемого профиля h_пр. нанесена на наружной поверхности полукорпуса 2.

В резьбовом отверстии кольцевого бурта 25 поворотной обоймы 4 закреплен штуцер 30 с гайкой 31. В полости штуцера 30 размещен подпружиненный пружиной 32 шток 33, выполненный с возможностью осевого перемещения и взаимодействующий коническим наконечником К с ответным отверстием, выполненным в регулируемом упоре 28. В отверстии штока 33 перпендикулярно его оси запрессован штифт-ограничитель 34, взаимодействующий с радиальным пазом в гайке 31, ширина и глубина которого соответствует диаметру штифта 34. На резьбовом конце штуцера закреплена кнопка 35. К поворотной обойме 4 винтами 36 неподвижно прикреплен фланец 37 дополнительного привода механизма автоматической подачи роликов на глубину формируемого профиля. В полости фланца 37 размещены эквидистантно наружной поверхности заготовки подпружиненные пружинами 38 фрикционные полукольца 39, взаимодействующие с подвижными вдоль своих осей подпружиненных пружинами 40 штифтами 41, контактирующие другими концами с конической поверхностью, выполненной на внутренней полости гайки 42, взаимодействующей резьбовой частью с резьбовым концом фланца 37. В осевом направлении полукольца 39 зафиксированы подпружиненными пружинами 43 втулками 44 и 45, при этом втулка 44 контактирует с внутренним торцом гайки 42. К полукорпусу 1 болтами 46 прикреплен фланец 47 с хвостовиком, посредством которого накатную головку крепят в патроне станка или на суппорте. В хвостовике фланца 47 запрессована центрирующая втулка 48, обеспечивающая центрирование трубной заготовки. На гайке 42 закреплен ролик 50 автоматического выключения фрикционного механизма автоматической радиальной подачи роликов, взаимодействующий с установленным вне головки неподвижным упором 51 (фиг. 10).

Работа с применением накатной головки осуществляется следующим образом. Накатная головка крепится хвостовиком в патроне станка, настроенном на накатывание многозаходной спиральной поверхности с шагом спирали Р _сп.и определяемой профилем ролика глубиной профиля. В накатную головку (через шпиндель станка) вводится трубная заготовка и передним концом крепится в суппорте станка (не показан). По шкале Ш отсчета величины радиальной подачи роликов на полукорпусе 2 посредством перемещения подвижного упора 28 устанавливают требуемую величину радиальной подачи роликов ΔR для формирования профиля глубиной h_пр..

При накатывании спиральных поверхностей на пластичных материалах с малыми величинами усилий для формирования профиля привод механизма автоматической радиальной подачи роликов ΔR осуществляют за счет использования неуравновешенной инерционной массы Φ поворотной обоймы 4. Включают левое вращение h_г головки шпинделя станка и одновременно включают перемещение суппорта по шагу спирали Р_сп. (на один оборот шпинделя). Трубную заготовку 49 при этом перемещают без вращения в осевом направлении с помощью суппорта. При вращении накатной головки поворотная обойма 4 затормаживается и получает поворот относительно корпуса головки в обратном направлении на угол b_i (фиг. 9). При этом шарнирно закрепленные в поворотной обойке приводные тяги 21 (фиг. 7 и 9), перемещаясь в направлении, противоположном направлению вращения корпуса головки, поворачивают посредством шарнирно связанного с муфтой 19 штифта 20 муфты 19, при этом поворачиваются неподвижно закрепленные в отверстиях муфт (сопряжение квадратного сечения) валики 14 соответственно на угол α_i (фиг. 8 и 9). При вращении валиков 14 осуществляется поворот на этот же угол α_i цапф 13, взаимодействующих с роликами 8, при этом вследствие того, что оси цапф 13 смещены относительно осей валиков 14 на величину эксцентриситета е (фиг. 5 и 8) ролики 8 получают перемещение к центру (к оси заготовки) на величину сответствующую заданной глубине формируемого профиля h_пр. (фиг. 5 и 8). Величина угла относительного поворота β_i поворотной обоймы 4 ограничивается положением регулируемого упора 28 (фиг. 6), взаимодействующего с закрепленным на поворотной обойме 4 упором-ограничителем 27. При этом фиксатор кругового положения поворотной обоймы коническим участком подвижного штока 33 входит в ответное отверстие подвижного упора, и положение поворотной обоймы фиксируется. Дальнейшее относительное вращение обоймы 4 прекращается, и она получает рабочее вращение совместно с корпусом накатной головки.

В процессе автоматической подачи роликов на глубину профиля h_пр.i при повороте обоймы 4 относительно корпуса головки на угол β_i приводная тяга 21 (фиг.7 и 9) перемещается влево (против часовой стрелки) в плоскости фиг. 7 и 9 соответственно из положения dл в положение d'л', при этом половина угла β_i определяется из соотношения

где β_i текущий угол поворота обоймы, град
α_i текущий угол поворота муфты вокруг оси валика ролика, град.

r_об.м радиус траектории поворота центра шарнира тягамуфта вокруг оси валика ролика, мм
R радиус окружности траектории перемещения центра шарнира тяга-обойма относительно оси накатной головки, мм.

Обусловленный поворотом тяги на угол β_i поворот муфты 19 на угол α_i определяет поворот на этот же угол α_i валика 14 с цапфой 13 и, соответственно, радиальное смещение ролика. При этом благодаря смещению оси валика 14 относительно оси цапфы 13 на величину эксцентриситета е центр ролика О₁ (фиг. 8) перемещается по траектории окружности радиусом r_e смещаясь радиально в сторону заготовки на глубину формируемого профиля h_прi. При этом величина радиальной подачи на глубину h_прi и величина угла α_i определяются зависимостями


где величина перемещения центра ролика по траектории перемещения оси цапфы на угле поворота α_i, мм
r_e радиус окружности траектории перемещения оси цапфы относительно оси валика, мм
h_пр.i глубина формируемого профиля, мм
α_i текущий угол поворота центра цапфы по траектории окружности с радиусом r_e.

При вращении накатной головки и согласованном с ее числом оборотов осевым перемещением трубной заготовки на поверхности трубной заготовки накатывают четырехзаходную спиральную поверхность заданного деформирующим роликом профиля.

При накатывании многозаходных спиральных поверхностей на заготовках с пониженной пластичностью и повышенным сопротивлением деформированию используют наряду с инерционным дополнительно фрикционный привод автоматической подачи роликов на глубину формируемого профиля (фиг. 1). При этом вращением гайки 42, взаимодействующей резьбовой частью с резьбовым концом фланца 37, перемещают в осевом направлении коническую поверхность, размещенную в полости гайки 42, при этом коническая поверхность воздействует на подпружиненные штифты 41, которые, перемещаясь радиально, сжимают пружины 40, и концы штифтов 41 воздействуют радиально на фрикционные полукольца 39. При этом внутренние поверхности полуколец входят во взаимодействие с наружной поверхностью трубной заготовки. Возникающий при вращении головки на поверхностях контакта фрикционных полуколец и трубной заготовки момент трения суммируется моментом сил, обусловленных действием неуравновешенной инерционной массы Φ поворотной обоймы 4, благодаря чему возрастают тяговые усилия на шарнирно соединенных с поворотной обоймой 4 приводных тягах 21, что обеспечивает срабатывание механизма автоматической радиальной подачи на глубину формируемого профиля при накатывании спиральных поверхностей на материалах с пониженной пластичностью.

При использовании дополнительного фрикционного привода механизма автоматической подачи роликов после завершения цикла радиальной подачи роликов с фиксацией положения поворотной обоймы посредством фиксатора К в действие вступает устройство выключения фрикционного привода, включающее закрепленный на гайке 42 поворотный ролик 50, взаимодействующий с неподвижно закрепленным вне головки упором 51 (фиг. 10).

После срабатывания фиксатора радиальной подачи роликов обойма 4 получает вращение совместно с корпусом головки, при этом закрепленный на гайке 42 ролик 50 набегает на наклонную поверхность упора 51, вращение гайки 42 затормаживается, и она получает обратное вращение S_кр. по резьбе на фланце 37 относительно направления вращения корпуса головки. При этом гайка 42 вместе с роликом 50 получает осевое перемещение S_г по шагу резьбы в сторону от головки и при достижении величины перемещения, равного S_г = Δl = (0,5-0,7), (Р
шаг резьбы гайки) относительное вращение гайки прекращается, ролик выходит из контакта с упором, и гайка получает вращение вместе с корпусом головки. В процессе выключения за счет освобождения пружин 40 снимается давление штифтов 41 на фрикционные полукольца, и действие фрикционного эффекта взаимодействия поверхностей полуколец и наружной поверхности трубной заготовки прекращается, и механизм фрикционного привода отключается. При схеме по варианту 11 (фиг. 10) отключение механизма автоматической подачи роликов осуществляется аналогично варианту 1.

После завершения накатывания профиля по всей длине трубной заготовки вращение накатной головки и осевое перемещение заготовки прекращают, с помощью кнопки 35 выдвигают шток 33 со штифтом 34 из радиального паза гайки 31, освобождая фиксатор, после чего поворачивают шток на 90^o, фиксируя положение отключения фиксатора. Поворотную обойму приводят в исходное положение, заготовку выводят из головки, поворотом штока 33 на 90^o фиксатор приводят в исходное состояние и головка приведена в исходное для работы положение.

Накатная головка обеспечивает путем последовательного кругового поворота заготовки соответственно на 45^o, 22^o30', 11^o15' последовательное накатывание многозаходных спиральных поверхностей с числом заходов соответственно 8,12,16, благодаря чему обеспечивается приращение суммарной поверхности теплопередачи в широких пределах.

За счет конструктивного выполнения установки валиков деформирующих роликов в цилиндрических вставках 15 (фиг.4 вид по стрелке Г изнутри на центральную часть полукорпуса при снятых валиках роликов) обеспечивается возможность установки в одном корпусе роликов различного диаметра с различными углами их установки соответственно углам подъема накатываемых спиральных поверхностей различного профиля.

Накатная головка может найти широкое применение в производстве объектов тепловой энергетики, а также в других отраслях машиностроения.

Пример расчета параметров накатной головки для накатывания 4-х заходной спиральной поверхности сферического профиля глубиной h_пр. 0,5 мм. Исходные данные: R_р 17,5 мм, r_м 12 мм, е 3 мм, r_e 3 м, R_об. 54 мм, Р_сп. 60 мм, ω=48^°20′

α=33^°40′

β=10^°20′е

Использование: накатная головка предназначена для накатывания многозаходных спиральных поверхностей различного профиля на цилиндрических заготовках. Головка снабжена механизмом автоматической подачи роликов на глубину формуемого профиля. Дополнительно она содержит фрикционный механизм автоматической подачи роликов, фиксатор напора подачи, устройство для автоматического отключения фрикционного механизма автоматической подачи роликов после завершения набора размера подачи на глубину формуемого профиля. Корпус головки выполнен составным из двух жестко связанных частей с плоскостью разъема, перпендикулярной продольной оси головки. Механизм автоматической подачи роликов выполнен в виде поворотной относительно корпуса головки обоймы с неуравновешенной инерционной массой, оснащенной системой шарнирно связанных приводных тяг с муфтами поворота, эксцентрично расположенными на цапфах роликов. В головке предусмотрен фиксатор углового положения обоймы после набора размера подачи. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Накатная головка для накатывания винтовых поверхностей на цилиндрической заготовке, содержащая установленные в корпусе под углом подъема винтовой линии с возможностью радиального перемещения накатные ролики, смонтированные на эксцентриковых осях с возможностью вращения, отличающаяся тем, что корпус головки выполнен составным из двух жестко связанных между собой частей с плоскостью разъема, перпендикулярной продольной оси головки, а головка снабжена механизмом автоматической радиальной подачи роликов на глубину формуемого профиля, выполненным в виде смонтированной с возможностью поворота относительно корпуса обоймы с неуравновешенной инерционной массой, сопряженной с одной из частей корпуса посредством подпружиненных в направлении к оси головки шаровых тел, установленных с возможностью взаимодействия с поверхностью, ограничивающей кольцевую канавку сферического профиля, выполненную на упомянутой части корпуса, а также с размещенным в канавке неподвижным упором, установленным с возможностью взаимодействия с расположенным на упомянутой части корпуса регулируемым упором-ограничителем угла поворота обоймы, несущей шарнирно закрепленные одним концом на ее внутренней поверхности тяги, вторые концы которых шарнирно соединены с муфтами, неподвижно установленными на концах несущих накатные ролики осей, выполненных в виде валиков с цапфами, оси которых смещены относительно осей валиков на величину эксцентриситета, при этом опорные концы валиков установлены с возможностью поворота в расточках цилиндрических вставок, размещенных в выполненных в составных частях корпуса выборках, и закреплены в них посредством эксцентриковых винтов, а на прилегающей к обойме части корпуса нанесена шкала величин радиальной подачи роликов. 2. Головка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным фрикционным приводом механизма автоматической радиальной подачи ролика на глубину формуемого профиля, выполненым в виде жестко соединенного с обоймой и установленного соосно с ней с ее внутренней стороны фланца, в плоскость которого размещены эквидистантно относительно обрабатываемой поверхности заготовки подпружиненные в плоскости разъема фрикционные полукольца, смонтированные с возможностью взаимодействия с одним концом подпружиненных в осевом направлении штифтов, другие концы которых установлены с возможностью взаимодействия с конической поверхностью, выполненной на внутренней поверхности гайки, охватывающей часть фланца и связанной своей резьбовой поверхностью с резьбовой поверхностью, выполненной на охватываемой части фланца. 3. Головка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена фиксатором углового положения обоймы, выполненным в виде неподвижно закрепленного на поверхности обоймы штуцера с гайкой, в полости которого установлен с возможностью осевого перемещения подпружиненный шток со штифтом-ограничителем, смонтированный с возможностью взаимодействия своим коническим концом с ограничивающей поверхностью ответного отверстия, выполненного в регулируемом упоре-ограничителе угла поворота обоймы, причем штифт-ограничитель установлен с возможностью взаимодействия с поверхностью выполненного в гайке радиального паза, ширина и глубина которого соответствуют диаметру штифта. 4. Головка по пп.2 и 3, отличающаяся тем, что она снабжена устройством автоматического отключения фрикционного привода механизма автоматической радиальной подачи роликов, выполненным в виде неподвижно закрепленного на охватывающей фланец гайке поворотного ролика, смонтированного с возможностью совместного с гайкой осевого перемещения в направлении от корпуса головки и передачи на гайку вращающего момента, тормозящего последнюю.