На правах рукописи

Орлов Сергей Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ

ТОРЦОВ КОЛЕЦ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ

ПУТЁМ УПРАВЛЕНИЯ ОСЕВОЙ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ

05.02.07 – «Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград – 2014 2

Работа выполнена на кафедрах «Технология и оборудование машиностроительных производств» и «Механика» Волжского политехнического института (филиала) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

доктор технических наук, профессор

Научный руководитель Носенко Владимир Андреевич.

Официальные оппоненты: Рябцев Сергей Александрович, доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»», кафедра «Высокоэффективные технологии обработки», профессор;

Яхутлов Мартин Мухамедович, доктор технических наук, профессор, «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова», кафедра «Технология автоматизировано производства», заведующий.

ФГБОУ ВПО «Государственный университет

Ведущая организация учебно-научно-производственный комплекс», г. Орёл.

Защита диссертации состоится « 29 » мая 2014 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.06, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В.И. Ленина, д.28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан « » апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Быков Юрий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для подшипниковой промышленности шлифование является одним из основных методов обработки, определяющим геометрическую точность деталей подшипников. Пути повышения геометрической точности шлифования подшипников качения определены в многочисленных российских и зарубежных исследованиях. Однако изготовление крупногабаритных подшипников связанно со значительными трудностями.

Эти трудности обусловлены сложностью достижения геометрической точности колец подшипников, имеющих начальные отклонения от плоскостности торцов в результате термообработки или предшествующих операций механической обработки.

Для обеспечения заданных геометрических параметров торцовые поверхности подвергают шлифованию. Наличие отклонений от плоскостности торцовых поверхностей существенно усложняет процесс шлифования, поскольку под действием магнитного поля стола станка кольцо получает упругую деформацию. После шлифования и снятия магнитного поля упругие деформации возвращают определённую величину отклонения от плоскостности обработанному торцу.

Различные технологические приемы, использующиеся для устранения отклонений от плоскостности торцов колец подшипников, существенно увеличивают время обработки и стоимость операции.

При шлифовании колец крупногабаритных подшипников необходимо учитывать упругие деформации, возникающие от действия магнитного поля стола и силы резания. Управление величиной упругих деформаций позволит уменьшить время и стоимость операции при гарантированном обеспечении геометрической точности детали. Тем не менее, данный вопрос при шлифовании колец крупногабаритных подшипников исследован недостаточно.

В этой связи представляет научную и практическую значимость исследование влияния осевой упругой деформации, возникающей при закреплении и шлифовании колец крупногабаритных подшипников, на обеспечение заданных параметров качества обработанной поверхности.

Цель работы - повышение эффективности процесса плоского шлифования торцов колец крупногабаритных подшипников путем управления осевой упругой деформацией, возникающей при закреплении и обработке заготовки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать влияние осевой деформации при закреплении и шлифовании крупногабаритных колец конических подшипников на отклонение от плоскостности обработанной торцовой поверхности кольца;

- определить условия, обеспечивающие получение заданного допуска плоскостности торцовой поверхности колец подшипников с учетом их осевой упругой деформации при закреплении и шлифовании;

- разработать математические модели осевой упругой деформации, возникающей при закреплении и шлифовании торцовой поверхности колец подшипников;

- исследовать особенности плоского врезного шлифования в различных условиях заготовок из стали ШХ15 в связи с требованиями к качеству обработанной поверхности, разработать математические модели составляющих силы резания и показателей качества обработанной поверхности;

- разработать алгоритм и методику выбора условий шлифования торцов колец крупногабаритных подшипников, учитывающие их осевую упругую деформацию при закреплении и шлифовании;

- апробировать и внедрить в производство результаты исследований на операции шлифования торцовых поверхностей колец крупногабаритных подшипников их стали ШХ15.

Научная новизна Разработаны условия обеспечения заданного допуска плоскостности торцовой поверхности кольца подшипника, учитывающие осевую упругую деформацию при закреплении заготовки магнитным полем станка и шлифовании.

Разработаны математические модели осевой упругой деформации при закреплении и шлифовании колец крупногабаритных конических подшипников, имеющих начальные отклонения от плоскостности.

Разработаны эмпирические математические модели составляющих силы резания плоского врезного шлифования стали ШХ-15, параметра шероховатости обработанной поверхности Ra и коэффициента шлифования с учетом характеристики абразивного инструмента и режимов шлифования.

Разработаны алгоритм и методика выбора условий шлифования торцовой поверхности колец крупногабаритных подшипников, учитывающие осевую упругую деформацию кольца и обеспечивающие заданные требования к качеству обработанной поверхности.

Практическая ценность и реализация результатов работы Разработан способ получения заданного допуска плоскостности торцов колец шлифованием, новизна которого подтверждена патентом 2370354 РФ, МПК В 24 В 7/04.

Разработаны алгоритм и методика выбора оптимальных условий шлифования торцовой поверхности колец крупногабаритных конических подшипников.

Разработаны и внедрены в производство в Волжском филиале ОАО «ЕПК Самара» рекомендации по определению условий, обеспечивающих возможность устранения отклонений от плоскостности торцов колец крупногабаритных подшипников шлифованием, и методика выбора оптимальных условий шлифования торцовых поверхностей колец крупногабаритных конических подшипников.

Результаты работы внедрены в учебный процесс по направлению «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительного производства»

при преподавании дисциплин «Технология абразивной обработки» и «Моделирование процессов абразивной обработки» в Волжском политехническом институте (филиале) ВолгГТУ.

Апробация работы Основные положения работы докладывались и обсуждались на Междунар.

науч.-техн. конф. «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (г. Волжский, 2006 г.); ХХ Междунар. науч.-техн. конф. «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-20» (г. Ярославль, 2007 г.);

XVIII междунар. науч.-техн. конф. «Машиностроение и техносфера XXI века» (г.

Севастополь, Украина, 2011 г.); XIV междунар. науч.-техн. конф. «Технология – 2011» (г. Орел, 2011 г.); XV междунар. науч.-техн. конференции «Технология – 2012» (г. Орел, 2012 г.); III Междунар. науч.-техн. конф. (Резниковские чтения) «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» (г. Тольятти, 2011 г.); V-ой Междунар. науч. студенч. конф. «Научный потенциал студенчества в XXI веке» (г. Ставрополь г.); IV, V, VI, VII Всерос. конф. «Инновационные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2006, 2008, 2009, 2010 г.); V Межрег. науч.-практ. конф.

«Взаимодействие вузов и промышленных предприятий для эффективного развития инновационной деятельности» (г. Волжский, 2009 г.); XI Регион. конф. молодых исследователей Волгоградской обл. (г. Волгоград, 2006 г.); XII Межвуз. науч.- практ. конф. молодых уч. и студ. г. Волжского, (г. Волжский, 2006 г.); VI, VII, VIII, IX, X, XII науч.- практич. конф. ВПИ (филиал) ВолгГТУ (г. Волжский, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2013 г.), расширенном межкафедр. науч. семинаре автомеханического факультета ВПИ (филиала) ВолгГТУ (2013 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 23 печатные работы, в том числе: 1 монография; 4 статьи в научных журналах, входящих в список изданий, рекомендуемых ВАК РФ; 1 статья переиздана в зарубежном журнале на англ.; получен 1 патент на изобретение РФ; 11 работ в сборниках трудов международных и республиканских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 123 наименования, приложений. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 22 таблицы.

На защиту выносятся:

- условия обеспечения заданного допуска плоскостности торцовой поверхности кольца подшипника, учитывающие упругую деформацию кольца при закреплении заготовки магнитным полем стола станка и шлифовании;

- математические модели осевой упругой деформации при закреплении и шлифовании колец крупногабаритных подшипников с начальным отклонением от плоскостности торцов после термообработки;

- математические модели составляющих силы резания, шероховатости обработанной поверхности и коэффициента шлифования при плоском врезном шлифовании стали ШХ-15 с учетом зернистости и твердости абразивного инструмента, глубины шлифования, скорости подачи стола и наработки;

- алгоритм и методика выбора условий плоского врезного шлифования колец крупногабаритных подшипников, обеспечивающие заданные требования к качеству обработанной поверхности при максимальной производительности процесса.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дается общая характеристика работы, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе приводится литературный обзор по теме диссертации. Рассмотрены особенности механической обработки колец крупногабаритных подшипников, имеющих начальное отклонение от плоскостности торцов после термообработки.

Показано, что максимальная величина отклонения от плоскостности торцов колец, например, после операции термической обработки зависит от отношения наружного диаметра D к ширине кольца C, характеризующего жёсткость колец.

При увеличении отношения D/C максимальное отклонение от плоскостности возрастает.

Проанализированы основные причины возникающих деформаций и способы их уменьшения. Отмечено, что полностью исключить начальные отклонения от плоскостности торцов колец после закалки не удается.

Наличие отклонений от плоскостности торцовой поверхности существенно усложняет процесс шлифования, поскольку под действием магнитного поля стола станка кольца получают упругую деформацию. После шлифования и снятия магнитного поля упругие деформации возвращают определённую величину отклонения от плоскостности обработанному торцу.

На основе сделанного литературного анализа сформулированы цель и основные задачи работы.

Во второй главе рассматривается методика проведения экспериментальных исследований. Приводится описание оборудования, приборов, материалов, методик проведения экспериментов и обработки данных.

Отклонение от плоскостности торцов колец подшипников измеряли на трехкоординатной измерительной машине Millennium и приспособлении СИ503.

Образцы из стали ШХ15 для исследований процесса шлифования в лабораторных условиях изготовлены на ОАО «Волжский подшипниковый завод» с термообработкой в соответствии с технологией производства колец подшипников.

Исследования выполняли методом полного факторного эксперимента на плоскошлифовальном станке. Измеряли составляющие силы резания, износ круга, определяли наличие прижогов и шероховатость обработанной поверхности. Шероховатость поверхности измеряли непосредственно на столе станка профилографомпрофилометром «Сейтроник ПШ8-4 С.С.». Прижоги определяли методом травления согласно инструкции ВНИПП.

В качестве абразивного инструмента использовали шлифовальные круги производства ОАО «Волжский абразивный завод».

Регистрацию и обработку экспериментальных данных, построение графиков и эмпирических моделей производили с использованием программного обеспечения (Power Graph, Excel, МаthCAD, собственных программ).

Третья глава посвящена определению условий обеспечения заданного допуска плоскостности торцовой поверхности кольца подшипника, учитывающих осевую упругую деформацию кольца при закреплении заготовки магнитным полем станка и шлифовании, разработке математических моделей осевой упругой деформации при шлифовании колец крупногабаритных подшипников с начальными отклонениями от плоскостности торцов.

Как показали исследования, основным фактором, определяющим начальное отклонение от плоскостности торцовой поверхности кольца, является деформация заготовки кольца в процессе её термообработки в штампах. В связи с этим заготовка получает изогнутость торцовой поверхности с шестью выраженными волнами макроотклонений.

При моделировании деформаций выступы макроотклонений (изогнутость) представляли в виде цилиндрической поверхности, радиус которой принимали равным среднему значению радиуса выступа макроотклонений. С целью приближения к реальной цилиндрическая поверхность имеет определенную продольную и поперечную волнистость, продольную и поперечную шероховатость. Значения параметров волнистости и шероховатости поверхности определяли экспериментально.

Максимальная осевая деформация при закреплении заготовки кольца магнитным полем стола будет равна:

где wm, wqmax – максимальная осевая упругая деформация кольца при изгибе, соответственно под действием массы заготовки и магнитного поля стола; wqk - контактная деформация торцовой поверхности кольца с плоскостью стола.

При шлифовании торца к осевой деформации добавляется максимальная осевая упругая деформация кольца при изгибе wpmax под действием радиальной составляющей силы резания, приложенной в центре пролёта между опорами, и контактная деформация торцовой поверхности кольца с плоскостью стола wpk:

Для исследования осевых деформаций, возникающих при закреплении и шлифовании торцовой поверхности, выбраны два типа наружных колец конических роликовых подшипников, изготавливаемых на ОАО «ЕПК Самара» (рисунок Рисунок 1 - Исследуемое кольцо (а) и поперечное сечение кольца (б) 1а). Некоторые геометрические размеры колец приведены в таблице 1, где : D, D1, С – соответственно наружный, внутренний диаметры и ширина кольца; - угол конусности; r = D0/2 – соответственно радиус и диаметр центральной оси кольца, проходящей через центр тяжести поперечного сечения; Izс, Iус и Iz, Iу осевые моменты инерции относительно центральных осей zc, уc поперечного сечения кольца и главные центральные моменты инерции (рисунок 1б); 1, 2 – коэффициенты для оценки применимости теории стержней малой кривизны.

Таблица Кольцо В результате измерения отклонений от плоскостности торцовых поверхностей заготовок трех партий колец с объемом выборки 15 колец в каждой партии определена плотность распределения вершин макроотклонений. В качестве примера на рисунке 2 показана диаграмма отклонений одного из колец 1077756.01.

Рисунок 2 - Форма отклонений от плоскостности торцов кольца после закалки (кольцо конического однорядного роликоподшипника 1077756.01) Осевые деформации определяли из условия трёх опорного первоначального контакта заготовки кольца с плоскостью стола станка (рисунок 3а).

wmax Рисунок 3 - Расчетные схемы для определения максимальной осевой деформации кольца wmax при трёх (а) и шести (б) опорном контакте со столом В результате осевой деформации кольца под действием нагрузки число опорных контактов может увеличиваться до шести, что определяется шестью волнами макроотклонений (рисунок 3б).

Из таблицы 1 следует, что для рассматриваемых колец 1 = 2r/C > 10, 2 = 0,5(D – D1)/r < 0,2. Выполнение данного условия позволяет использовать для определения максимальных упругих деформаций при изгибе кольца wpmax и wqmax теорию стержней малой кривизны.

Кольцо представляем как замкнутую балку, нагруженную равномерно распределенной по центральной оси нагрузкой интенсивностью q= qc+ qm (от действия магнитного поля стола qc и массы заготовки qm) и сосредоточенной силой Рy (радиальной составляющей силы резания), приложенной в середине пролёта между опорами (точка А) (см. рисунок 3).

Контактную деформацию гладкой поверхности стола и шероховатой волнистой торцовой поверхности заготовки кольца определяли методом Н. Б. Дёмкина.

Проведённая оценка величины контактных деформаций позволяет сделать вывод, что её величина для исследуемых колец при наибольших нагрузках не превышает трёх процентов допуска плоскостности. В связи с этим в дальнейших расчетах влияние контактных деформаций не учитывали. Экспериментальные исследования осевых деформаций колец под действием магнитного поля стола подтверждают это предположение.

Управление осевыми упругими деформациями, возникающими при закреплении и шлифовании заготовок колец, осуществляется из условия обеспечения допустимого значения осевой упругой деформации [].

Для расчета допустимой осевой упругой деформации кольца предложена следующая формула:

где - коэффициент запаса точности; - допуск плоскостности торцовой поверхности на операции шлифования; т – допуск плоскостности при шлифовании жёсткой заготовки, определяемый из справочной литературы.

Применимость магнитного поля стола для закрепления заготовки кольца определяется условием:

При wq > [] кольцо на столе станка закрепляется с помощью упоров.

С учетом изменения количества опор при закреплении кольца магнитным полем станка осевая упругая деформация будет равна:

где yi – уровень (мкм), соответствующих i - му количеству опор (y3 принимаем равным нулю); wqi – осевая деформация при i опорах, 3 i 6. Алгоритм вычисления максимальной осевой упругой деформации кольца под действием магнитного поля стола и массы кольца по (2) приведён на рисунке 4.

Как показывает практика, получение требуемой шероховатости торцовой поверхности кольца подшипника возможно без использования выхаживания. Выхаживание применяют для обеспечения допуска плоскостности. Основное время обработки возрастает при этом в среднем на 40%.

Рисунок 4 - алгоритм вычисления максимальной осевой упругой деформации кольца При закреплении заготовки кольца магнитным полем стола возможность шлифования без выхаживания определена неравенством:

При шлифовании заготовки кольца без закрепления магнитным полем допустимое значение допуска плоскостности обеспечивается при выполнении неравенства:

Допустимое значение радиальной составляющей силы резания, при котором заданное значение допуска плоскостности обеспечивается шлифованием без выхаживания при закреплении заготовки кольца магнитным полем стола определяется из условия (3), без закрепления магнитным полем стола – из условия (4).

Четвёртая глава посвящена исследованию влияния режима обработки и характеристики абразивного инструмента на показатели процесса шлифования.

Здесь же методом полного факторного эксперимента разработаны математические модели приведённых к ширине образца составляющих силы резания (py, pz), коэффициента шлифования (Кш) и шероховатости обработанной поверхности (параметр Ra).

В качестве входных факторов при моделировании процесса шлифования выбраны следующие параметры характеристики абразивного инструмента и режима шлифования: F – зернистость, меш. (ГОСТ Р 52381); с1 (х1) – твёрдость шлифовального круга, определяли звуковым методом по приведенной скорости распространения акустических волн, м/с (ГОСТ Р 52710); t (х2) – глубина шлифования, мм/ход; vs (х3) – скорость подачи стола, м/мин. В скобках дано условное обозначение кодированных значений фактора.

С учётом производственного опыта были выбраны следующие диапазоны варьирования входных факторов: F – от F60 до F46; с1 – от 4504 м/с (K) до м/с (L); t – от 0,01 до 0,02 мм/ход; vs – от 10 до 20 м/мин.

В результате сравнения дисперсий выходных факторов процесса по критерию Кохрена было установлено, что в рассматриваемом диапазоне варьирования дисперсии выходных факторов неоднородны, то есть не выполняется обязательное условие математического моделирования с использованием методики рационального планирования эксперимента. Снижение различия дисперсий достигается уменьшением интервала варьирования факторов.

Наибольшие дисперсии выходных параметров наблюдаются при шлифовании кругами различной зернистости. Исходя из этого, математические модели выходных параметров процесса шлифования разрабатывали в отдельности для каждой зернистости. Дисперсии составляющих силы резания для кругов одной зернистости в данном случае можно считать однородными.

В результате анализа экспериментальных данных установлено, что в рассмотренном интервале варьирования составляющие силы резания на некоторых режимах шлифования значимо зависят от наработки. В связи с этим наработка V (х4) была введена в математические модели в качестве четвертого входного фактора. Исследования выполняли методом полного факторного эксперимента типа 2k, где k – число факторов.

С учетом парных взаимодействий математические модели выходных факторов процесса шлифования искали в следующем общем виде:

y = b0+ b1x1 + b2x2 + b3x3 +…+ b12x1x2+ b23x2x3 +…+ b123x1x2x3+… + b1234x1x2x3x4, где y – выходной фактор; х – кодированное значение входного фактора; b – коэффициенты полинома.

Для составляющих силы резания, приведенных к единице ширины обрабатываемой поверхности, py и pz число факторов k = 4, для коэффициента шлифования Kш и Ra – k = 3.

В результате обработки экспериментальных данных и проверки на значимость коэффициентов полиномов получены математические модели выходных факторов при шлифовании кругами зернистостью F46 и F60 (таблица 2).

Для проверки адекватности полученных математических моделей были проведены дополнительные эксперименты. Сравнение полученных по результатам экспериментов дисперсий адекватности с ранее найденными дисперсиями воспроизводимости по критерию Фишера при 5%-ном уровне значимости показало их однородность, что свидетельствует об адекватности разработанных математических моделей.

Таблица py(F46), py = 19,9 + 5,45x1 + 3,43x2 + 0,99x3 + 3,67x4 + 1,02 x1x2 – 2,40x1x3 +2,6 x1x4 + 0,69x2x3 – Н/мм py(F60), py = 31,42+0,91x1–3,21x2–1,02x4+1,78x1x2–3,44x2x3+0,77x3x4+ +1,93x1x2x3x4+ 2,06x1x2x Н/мм pz(F46), pz = 6,21 + 0,82x1 + 0,9x2 + 0,82x3 + 0,49x4 – 0,54x1x3 + 0,23 x1x Н/мм pz(F60), pz = 9,18+1,86 x1+ 0,67x3 – 0,27x4+ 0,32x1x3 – 0,38x2x3+ 0,37x3x4+0,37x1x2x3x4 +,72x1x2x Н/мм Кш(F46) Кш = 44,77 – 5,06x2 – 13,51x3 + 6,15x1x Кш(F60) Кш = 22,75 – 1,97x1 – 5,83x2 – 1,68x3 – 2,61x1x2 + 1,71x1x3 – 4,77x2x Ra(F46), Ra = 1,81– 0,22x1+ 0,46x3 – 0,22x1x Ra(F60), Ra = 1,92+ 0,27x1 + 0,2x2 + 0,29x1x2+ 0,3x1x3+ 0,26x1x2x В пятой главе рассматривается методика определения оптимальных параметров шлифования колец крупногабаритных подшипников, обеспечивающая выполнение требований к качеству обработанной поверхности (отсутствие шлифовочных прижогов, заданные значения Ra и допуска плоскостности ) при максимальной производительности процесса.

На первом этапе при выборе оптимальных условий шлифования заготовку рассматривают как абсолютно жёсткую и оптимизацию параметров осуществляют из условия выполнение первых двух требований, т.е. обеспечения бесприжоговой обработки и заданного значения Ra.

С использованием математических моделей (таблица 2) определяют области существования параметров оптимизации, обеспечивающих выполнение требований к данным параметрам качества.

Параметр Ra задан в технологическом процессе. Образование шлифовочных прижогов на обработанной поверхности заготовки определяется касательной составляющей силы резания Pz. В результате проведенных исследований установлено, что шлифовочные прижоги появляются при значениях pz > 6 Н/мм.

С использованием математических моделей Ra и pz определены области допустимых значений параметров оптимизации.

Дальнейшая оптимизация параметров в области допустимых значений осуществляется из условия обеспечения максимальной производительности процесса (рисунок 5).

Второй этап оптимизации при шлифовании колец подшипников заключается в необходимости учета упругих деформаций при закреплении заготовки. Возможность использования магнитного поля стола станка для закрепления заготовки кольца реализуется при выполнении неравенства (1), шлифование без выхаживания – неравенствами (3) и (4). Если неравенства (3) и (4) не выполняются, заготовки кольца шлифуют с выхаживанием, что приводит к увеличению основного времени шлифования.

В таком случае в области ранее определенных допустимых значений параметров процесса целесообразно найти такие условия шлифования, при которых возможно выполнение следующих условий: