МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Парфенов Владимир Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

ШЛИФОВАНИЯ ТОРЦОВЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

РОЛИКОВ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СПОСОБОВ

УСТАНОВКИ И МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

заслуж. изобр. РФ, д.т.н., доцент Прилуцкий В.А.

Самара

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………….... 1. Обзор литературы. Цели и задачи работы……………………………………..... 1.1 Анализ причин образования периодических погрешностей при шлифовании…………………………………………………………………….... 1.2 Влияние периодических погрешностей обработки деталей на эксплуатационные показатели подшипников………………………………….... 1.3 Выбор формы торцов роликов и ее влияние на эксплуатационные показатели подшипников………………………………………………...... 1.4 Влияние периодических погрешностей обработки сферических торцов роликов на эксплуатационные показатели подшипников…….... 1.5 Причины образования периодических погрешностей при шлифовании сферических торцов роликов………………………………….... 1.6 Выводы по п.1………….…………………………………………………... 2. Способы установки, обработки и оборудование для шлифования сферических торцов роликов………………………………………………………….... 2.1 Обзор существующих схем обработки и станков для шлифования сферических торцов роликов……………………………………………... 2.2 Критерии классификации способов установки и шлифования сферических торцов роликов…………………….………….……………. 2.3 Структурный анализ способов базирования и схем их реализации...….. 2.4 Эволюция сферошлифовальных станков……………………………….... 2.5 Разработка методики выбора способа установки заготовки ролика….... 2.6 Тенденции развития способов шлифования сферических торцов……... 2.7 Выводы и результаты по п.2………………………………………………. 3. Механизм образования погрешностей обработки поверхности сферы ролика (по существующему методу)……………………………………………. 3.1 Исследование базовой конической поверхности заготовок роликов..…. 3.2 Анализ динамики процесса шлифования………………………………... 3.3 Механизм образования погрешностей вследствие колебаний шлифовального круга……………………………………………………………..…... 3.4 Исследование влияния базовой конической поверхности на периоди ческие погрешности обработки сферического торца ………………....... 3.5 Исследование процесса изменения припуска при сквозном шлифовании периферией круга в плоскости круговой подачи…….…………. 3.6 Исследование влияния частотных свойств системы ЗИПС на периодические погрешности обработки сферического торца…...……...…... 3.7 Влияние рабочей поверхности дисков шпинделя изделия………….…. 3.8 Влияние износа шлифовального круга на волнистость торца….......…. 3.9 Влияние межправочного периода на волнистость обработанного торца………………………………………………………………………. 3.10 Влияние режимов обработки………………………………………….... 3.11 Выводы по п.3………………………………………………………........ 4. Методика экспериментального исследования и материальная часть предложений………………………………………………………………………….. 4.1 Предмет экспериментов и оборудование……………………………….. 4.2 Абразивный инструмент и СОЖ……………………………………….... 4.3 Методика проведения экспериментов, приборы и измерительная аппаратура……………………………………………………………….... 4.4 Разработка способа шлифования сферических торцов конических роликов с базированием в призмах…………...…………………………. 4.5 Разработка конструкции шпинделя изделия с базированием роликов в дополнительных втулках между торцами дисков…….....……………... 4.6 Разработка конструкции нового инструмента для брусковой абразивной обработки поверхностей вращения……………………………... 4.7 Разработка конструкции шпинделя изделия с приводом посредством дифференциальной конической зубчатой передачи ……………...….... 4.8 Разработка устройства для динамической балансировки комплекта шпинделя шлифовального круга………………………………………... 4.9 Выводы по п.4…………………………………………………………….. 5. Разработка и исследование процесса сквозного шлифования периферией круга с установкой заготовок в призмы (по предлагаемому методу)………. 5.1 Аналитический расчет формы и взаимного расположения базирующих и приводных элементов шпинделя изделия……………..…..…... 5.2 Силовые параметры шлифования заготовки конического ролика с базированием в призме……………………………………………….….. 5.3 Исследование влияния базовой конической поверхности на волнистость торца………..……………………………………………………..... 5.4 Механизм образования погрешностей шлифуемой поверхности вследствие погрешности базовой поверхности…………………….…... 5.5 Влияние диаметра базовой конической поверхности на волнистость обрабатываемого торца…………………………………………………... 5.6 Влияние исходной величины биения торца до обработки на формирование волнистости торца после обработки…………………………... 5.7 Влияние правки шлифовального круга…………………………………. 5.8 Влияние режимов обработки……………………………….……………. 5.9 Выводы по п.5…………………………………………………………….. Общие выводы и рекомендации…………………………………………………... Список литературы……………………………………………………………….... Приложения………………………………………………………………………....

ВВЕДЕНИЕ

машиностроительного производства может состояться только с решением проблемы обеспечения высокого качества изделия. Эта проблема еще в большей степени относится к производству подшипников качения.

Особенно важным является обеспечение высокой точности вращения, долговечности и малошумности подшипников качения. Все служебные, эксплуатационные свойства подшипников качения обусловлены качеством поверхностного слоя и точностью рабочих поверхностей их колец и тел качения. Однако, мало работ посвящено изучению технологии обработки тел качения роликовых подшипников, конических, в особенности. Ролики конических подшипников имеют две рабочие поверхности: коническую образующую и сферический торец. Наименее изучена технология обработки сферической поверхности торца. В то же время, в работающем подшипнике, эта поверхность, имеющая относительно малую протяженность и площадь, передает существенные осевые нагрузки. Слабо изучены вопросы базирования заготовки ролика на операции шлифования сферической поверхности торца и методы ее обработки. Можно предположить, что здесь таятся большие резервы повышения точности и производительности. Таким образом, выбранная тема диссертации является актуальной.

Цель работы. Повышение точности и производительности при шлифовании сферических торцов конических роликов на основе совершенствования способов установки заготовки и методов обработки.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Выполнить анализ известных методов обработки торцовых сферических поверхностей и разработать критерии классификации способов установки при шлифовании сферических торцов роликов.

2. Произвести структурный анализ возможных способов установки и базирования заготовок роликов, схем их реализации и разработать методику выбора рационального способа установки.

3. Выполнить исследование механизма образования погрешностей обработки, вызванных колебаниями шлифовального круга (ШК) и предложить физическую модель формирования волнистости.

4. Провести аналитические и экспериментальные исследования механизма образования погрешности обработки, обусловленной периодическими погрешностями базовой конической поверхности.

5. Выполнить анализ влияния собственных частот элементов технологической системы на периодические погрешности обработки (ППО).

6. Выполнить исследование влияния элементов технологической системы, контактирующих с заготовкой ШК и дисков, режимов обработки, размерных параметров заготовки на ППО сферического торца и выдать обоснованные рекомендации по режимам обработки и величине радиального натяга, обеспечивающим минимальную величину ППО сферического торца.

7. Разработать проект модернизированного шлифовального станка по предложенному способу шлифования с новым способом базирования заготовки, изготовить станок с измененными элементами установки, провести опытно-промышленную проверку в условиях ОАО «СПЗ»

разработанного способа установки и выполнить необходимые исследования по выявлению механизма образования ППО, обусловленных новым предложенным способом установки заготовки;

8. Разработать новый способ обработки сферического торца роликов центробежным хонингованием и устройство динамической балансировки комплекта шпинделя широкого ШК.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является технологическая система в процессе установки и шлифования сферического торца заготовок конических роликов с использованием известных и новых способов установки и методов обработки. Предметом исследования являются механизм и закономерности образования ППО при новых способах установки и методах обработки.

Методы исследования. Теоретические исследования основаны на теории базирования, теории образования ППО, теории колебаний, теории вероятностей и математической статистике. В ходе теоретических и теоретико-экспериментальных исследований процесса формирования ППО (овальности, огранки, волнистости) шлифованной сферической поверхности применялись методы геометрического, кинематического и динамического моделирования, использования дифференциального и интегрального вычисления. Для структурного анализа способов установки заготовок использовался морфологический метод. Для исследования топографии рабочего профиля ШК, рабочих дисков и поверхностей обработанных заготовок применялся метод профилирования; для исследования профиля обработанных поверхностей применялся метод приборного гармонического анализа.

Научная новизна. 1. Разработана система критериев классификации способов установки и шлифования сферических торцовых поверхностей тел качения и выполнено системное описание процессов установки заготовок роликов, позволившие обоснованно подойти к выбору рационального способа установки и метода обработки, обеспечивающих требуемую точность сферических торцов конических роликов по параметрам овальности, огранки, волнистости.

2. Выявлены закономерности образования ППО сферических торцов конических роликов при сквозном бесцентровом шлифовании периферией ШК, обусловленные колебаниями неуравновешенного ШК.

3. Установлены зависимости, определяющие условие работоспособности системы заготовки и диапазон применимости методов сквозного бесцентрового шлифования в зависимости от способа базирования и динамики процесса обработки.

4. Разработана физическая модель формообразования шлифуемой поверхности сферического торца ролика и выявлен механизм образования ППО, обусловленный наличием ППО базового конической поверхности при разных способах базирования.

5. Разработана физическая модель процесса снятия припуска при бесцентровом сквозном способе шлифования периферией широкого ШК, определяющая скорость формообразования торца заготовки и границы зоны выхаживания.

6. Установлено влияние погрешностей элементов технологической системы ШК и приводных дисков, контактирующих с заготовкой, собственной частоты элементов системы «заготовка-инструмент-приспособлениестанок» (ЗИПС) и режимов обработки на ППО сферического торца.

Практическая ценность.

1. Разработаны новые способы бесцентрового сквозного шлифования сферического торца конических роликов: с базированием в призме, с базированием в коническом отверстии шпинделя изделия, с базированием в переходной конической втулке, позволяющие повысить точность поверхности сферы и производительность процесса обработки.

2. Проведена опытно-промышленная проверка способа шлифования с базированием заготовок в призме и выполнено внедрение нового способа на ОАО «СПЗ» для шлифования сферического торца конических роликов 6у.

3. Разработана методика расчета конструкции шпинделя изделия и выбора режима шлифования, обеспечивающие допустимую высоту огранки, волнистости.

4. Предложен новый способ шлифования сферического торца роликов торцом ШК одновременно трех зон подачи и вращения заготовок, обеспечивающий рост производительности процесса обработки в три раза.

5. Разработан новый способ обработки сферы абразивными брусками центробежным хонингованием, обеспечивающий повышение производительности процесса обработки в два раза за счет сокращения числа операций.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- VI Международная научно-техническая конференция «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (г. Брянск, Брянский гос. ун-т, 2008г.);

- Региональный научно-технический семинар «Актуальные проблемы трибологии», (г. Самара, 2008г.);

- Всероссийская научно-техническая конференция «Высокие технологии в машиностроении» (г. Самара, 2013г.);

- VI Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, СНЦ РАН, 2014г.).

- Заседание кафедры «Технология машиностроения» СамГТУ (18.12.2013г.);

- Расширенное заседание кафедры «Технология машиностроения» СамГТУ (11.04.2014г.).

- Заседания технического совета ОАО «Самарский подшипниковый завод».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 9 статей - в других журналах и сборниках трудов конференций, 5 патентов на изобретение и положительное решение о выдаче патента.

На защиту выносятся:

1. Системное описание процесса и выбор рационального способа установки заготовки ролика для операции шлифования сферического торца.

2. Закономерности образования ППО сферического торца роликов при сквозном бесцентровом шлифовании периферией ШК, обусловленные колебаниями неуравновешенного ШК.

3. Методика расчета ППО (овальности, огранки, волнистости) шлифуемой поверхности сферического торца ролика, обусловленных погрешностями базовой конической поверхности при установке заготовки ролика между двумя дисками и сепаратором.

4. Способ шлифования сферического торца ролика периферией широкого ШК с установкой заготовки в призму.

5. Методика расчета ППО (овальности, огранки, волнистости) шлифуемой поверхности сферического торца ролика, обусловленных погрешностями базовой конической поверхности при установке заготовки ролика в призме.

6. Зависимости, определяющие условие работоспособности системы заготовки и диапазон применимости методов сквозного бесцентрового шлифования в зависимости от динамики процесса обработки при установке заготовки ролика: между двумя дисками и сепаратором, в призме.

7. Модель процесса снятия припуска при бесцентровом сквозном способе шлифования периферией широкого ШК, определяющая скорость формообразования сферического торца заготовки и границы зоны выхаживания.

8. Способы шлифования сферических торцов: одновременно трех роликов торцом ШК; периферией широкого ШК с установкой заготовки в коническое отверстие шпинделя изделия; периферией широкого ШК с установкой заготовки в коническое отверстие переходной конической втулки.

9. Способы обработки сферического торца ролика одновременно двумя абразивными брусками (способ центробежного хонингования) с динамической балансировкой комплекта шпинделя ШК.

Структура и объем диссертации. Диссертация написана на русском языке, состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, приложения. Объем диссертации составляет 200 страниц, включая рисунка, 18 таблиц. Список литературы содержит 116 наименований. В общее количество листов входят 2 приложения на 3 страницах.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.1 Анализ причин образования периодических погрешностей при В процессе шлифования поверхностный слой деталей приобретает различные геометрические характеристики и физико-механические свойства. К геометрическим параметрам погрешности поверхности относятся отклонения размера, формы, взаимного расположения, волнистости и шероховатости.

Процессы, происходящие в технологической системе при шлифовании, носят периодический характер [75], вызывая образование погрешностей, имеющих периодическую составляющую и кратко названные периодическими. ППО можно представить в виде функции с разложением в ряд Фурье [72]. Члены разложения от первого к последующим представляют собой эксцентриситет, овальность, огранку, волнистость и шероховатость.

Большинство исследований в области ППО посвящено изучению причин образования шероховатости, ее влиянию на эксплуатационные характеристики и способам уменьшения.

Общей причиной образования волнистости является изменение расстояния между линией касания ШК и обрабатываемой деталью вследствие вибрации упругой системы «станок–приспособление- инструмент–деталь»

(СПИД) и неточность формы ШК в поперечном сечении [68].

Основными причинами образования волн [23] на поверхности названы:

неравномерность процесса резания, различный характер пластических деформаций, вибрации в системе СПИД, неравномерность подачи, осыпание ШК.

Факторами, влияющими на образование волнистости при чистовом плоском, круглом наружном, внутреннем шлифовании и выхаживании [77], приняты колебания детали, шлифовальной бабки, абразивного инструмента и его отклонение от круглости,отношение скоростей детали и круга, их размеры, число проходов и сдвиг фаз при последующих проходах.

Образование погрешностей обработки Базров Б.М. [6] считает результатом нарушения заданного закона относительного движения заготовки и инструмента.

Авторы [69] основным источником образования волнистости считают вибрации в системе СПИД. Существенное влияние, по мнению авторов, оказывают: технологическая наследственность, метод обработки, точность установки детали, точность режущего инструмента и режимы обработки.

Формирование волнистости на поверхности детали связывают [114, 113] с изменением режимов резания, свойств СОЖ, жесткости технологической системы «заготовка-инструмент-приспособление-станок» (ЗИПС), износом инструмента.

При плоском шлифовании наибольшее влияние на образование волнистости [39] оказывают: дисбаланс ШК и шпинделя; дисбаланс узлов станка; вибрации от посторонних источников.

Факторами, оказывающими влияние на волнообразование [101] являются: исходное состояние поверхностного слоя заготовки; биение инструмента и заготовки; геометрия инструмента и кинематика его перемещения относительно заготовки.

Причиной образования волнистости [74] названо рассогласование заданной и действительной относительной траекторий движения заготовки и инструмента вследствие влияния вибросмещений, деформирования системы ЗИПС, и других процессов. Основную роль играют механические колебания системы ЗИПС. Главным источником образования волнистости автор считает неуравновешенность ШК и шпиндельного узла. Следующие по значимости причины: технологическая наследственность, точность установки детали, точность рабочего инструмента, способ и режим обработки.

На образование волнистости [69] влияют метод и режимы обработки, геометрия и качество инструмента, вид СОЖ, способ закрепления заготовки, вибрации в процессе обработки.

В.А. Кудинов [48] указал на наличие обратной связи между ШК и деталью и взаимное влияние волн на ШК и детали при круглом и плоском шлифовании.

Одним из факторов, определяющих уровень вибрации технологической системы (ТС) при шлифовании, принята [18] неуравновешенность ШК.

Доля погрешности, вносимая неуравновешенностью ШК при бесцентровом шлифовании, достигает 70% общей погрешности обработки.

Волнистость образуется при неравномерности процесса резания, вследствие чего возникают колебания станка, детали и ШК [22].

В классификации [38] ППО определяются условиями обработки и состоянием системы ЗИПС. ППО, связанные с условиями обработки:

неоднородность материала заготовки; режимы резания и колебание их величины; погрешность с предыдущей операции; остаточные внутренние напряжения в материале заготовок. Погрешности системы ЗИПС: геометрическая и кинематическая точность станка, приспособления и инструмента;

температурные деформации звеньев системы; размерный износ инструмента; деформации от сил резания; точность установочных баз приспособления и базовых поверхностей заготовки; деформации от усилий зажима;

виброустойчивость системы.

Образование волнистости в направлении движения подачи [21] объясняется неравномерностью подачи при шлифовании, неправильной правкой, засаливанием, осыпанием и неравномерностью изнашивания ШК.

Отклонение формы детали при круглом шлифовании объясняется [54] изменением текущих радиус-векторов сопрягаемых элементов инструмента и детали вследствие: неуравновешенности ШК; отклонения от круглости и эксцентриситета ШК и детали; зазора в опорах, ошибки формы центров;

собственные колебания детали и вынужденные колебания инструмента.

При внутреннем шлифовании колец подшипников образование волнистости поверхности обусловлено [106] вибрационным смещением узлов станка и отклонениями профиля рабочей поверхности ШК.

А.Г. Суслов [100] причиной формирования волнистости поверхности деталей назвал нежелательные взаимные перемещения инструмента и заготовки. Высокочастотные колебания оказывают влияние на шероховатость, средние и низкочастотные частоты приводят к образованию погрешностей формы, в том числе волнистости. На операции шлифования главную роль в образовании динамических погрешностей играют вынужденные колебания.

М.М. Аршанский [4] основной причиной огранки и волнистости считает наличие вибросмещений между заготовкой и инструментом.

Исследованы [94] процессы в зоне контакта ШК и детали, приводящие к образованию периодических погрешностей на поверхности заготовки при плоском, круглом и бесцентровом шлифовании.

При внутреннем шлифовании [49] оказывают влияние дисбалансы:

шпинделя и ШК; шпинделя изделия (ШИ) и самого изделия.

Образование волн при шлифовании происходит в двух взаимно перпендикулярных направлениях [115]. Причиной продольной волнистости считают вибрации ТС ЗИПС. Поперечная волнистость образуется вследствие неравномерной подачи, неправильной заправки и неравномерного износа ШК. По мнению авторов, волнистость не обладает свойством пооперационного копирования, но имеет место так называемая «структурная» технологическая наследственность вследствие изменения микротвердости поверхности детали вдоль направления движения ШК.

Разработана классификация периодических погрешностей [75] в зависимости от соотношения длин волн Lв и обрабатываемой поверхности L. Предлагается семь классов соотношений Lв/L от 3 до 1/300, в которую входят погрешности размера, формы, волнистость и шероховатость.

В работе [72] исследованы закономерности образования ППО на примере волнистости. Разработана модель совершенствования процесса формообразования поверхностей путем уменьшения ППО.

Увеличение волнистости поверхности при внутреннем шлифовании вызвано [44] ростом интенсивности автоколебаний в ТС вследствие увеличении припуска, подачи и уменьшении скорости резания.

Для уменьшения волнистости при шлифовании желоба шарикоподшипника П.И. Ящерицын [111] рекомендует: производить балансировку быстровращающихся деталей (ШК, шкивов, роторов электродвигателей);

увеличивать жесткость ТС и вводить в нее демпфирующие элементы;

увеличивать время выхаживания,частоту вращения детали и ШК.

Наиболее общей причиной появления ППО [73, 75] принята анизотропия свойств системы ЗИПС, поскольку неоднородность свойств (по источнику, времени, количеству, подвижности, статической, кинематической и динамической характеристике и т.д.) присуща всем элементам ТС.

Анализ литературных источников показывает, что причины образования ППО при шлифовании исследованы недостаточно.

1.2 Влияние периодических погрешностей обработки деталей на эксплуатационные показатели подшипников К основным эксплуатационным показателям подшипников относятся показатели назначения и надежности [100]. В показатели назначения входят: динамическая и статическая грузоподъемность, класс точности изготовления, предельная частота вращения, общий уровень вибрации и шума, момент сопротивления проворачиванию. Надежность включает долговечность и сохраняемость.

Повышение требований к качеству подшипников вызвало необходимость разработки методик, отраслевых стандартов и инструкций по контролю уровня шума, вибрации и момента трения подшипников.

Особую остроту проблема снижения шума и вибрации конических подшипников приобрела в связи с ростом выпуска легковых автомобилей.

Основная причина вибрации подшипников - отклонение от идеальной геометрической формы рабочих поверхностей колец и тел качения [84].

На ОАО «СПЗ» разработан руководящий документ [92] по контролю воздушного шума конических радиально-упорных подшипников, поставляемых автозаводам (6-7705У, 6-7707У, 6-7807У). В основе метода лежит сравнение уровня шума испытуемого подшипника с эталонным.

Подшипники считаются годными, если шум не превышает шум эталонного подшипника, зафиксированный постоянным исполнителем, выполняющим контроль на слух. Метод контроля шума на слух является субъективным.

Для обеспечения объективного контроля на основе международных стандартов ИСО 15242, ВНИПП разработал межведомственную инструкцию [56] контроля уровня вибрации, охватившую практически все типы подшипников качения с цилиндрическим отверстием. На основании руководящего документа [88] по данным проверки вибрации, подшипни-кам присваивают вибрационный разряд: Ш, Ш1, Ш2, Ш3, Ш4, Ш5, Ш6, Ш7, Ш8, Ш9 в порядке ужесточения требований к уровню вибрации. Нормы одного вибрационного разряда отличаются от соседнего на 3 дб или в 1, раза при измерении вибрации в абсолютных единицах.

Причины шума и вибрации подшипников качения исследовались многими учеными [1, 4, 13, 15, 19, 26, 28, 46, 84, 96, 103, 107-111 и т.д.].

В исследовании [103] полагают, что шум в шарикоподшипниках образуется вследствие неровностей на поверхностях качения деталей подшипников, вызывающих собственные упругие колебания подшипника.

Одним из основных источников вибрации подшипника [107] является волнистость желоба внутреннего кольца. При вращении тела качения получают вибрационные ускорения в радиальном направлении, передающиеся наружному кольцу.

Термин «волнистость», как погрешность обработки, в Российской Федерации, к сожалению, не оговорен стандартом, а лишь имеется в отраслевых нормирующих документах. Однако этот термин - показатель точности формы - стандартизован в большинстве развитых индустриальных государств [21]. В СССР был разработан проект стандарта на волнистость. В отраслевом документе [70] подшипниковой промышленности под волнистостью понимаются погрешности формы, например, поверхности вращения, имеющие волнообразный характер с числом волн на поверхности более 15.

Если число волн менее 15, такую ППО называют «гранностью».

Экспериментально [13, 28] установлена зависимость уровня вибрации шарикоподшипников от гранности и овальности шариков. Рекомендовано для малошумных подшипников использовать шарики с гранностью и овальностью не более 0,2…0,5мкм. Применение шариков с гранностью 0,5мкм вместо 1,5мкм снижает уровень вибрации подшипников на 8…10 дБ.

Установлена [96] зависимость вибрации шарикоподшипников от волнистости колец. При уменьшении волнистости внутреннего кольца с 2,5 до 0,6 мкм уровень вибрации снижается в среднем на 17 дБ. Для наружных колец уровень вибрации подшипника снижается на 10 дБ при уменьшении высоты волнистости с 3 мкм до 0,35 мкм.

Кубинек М. [46] считал, что подшипник по своей конструкции является возбудителем вибрации. Он состоит из большого числа элементов, имеющих погрешности. Экспериментально установил, что преобладающее влияние на шумность подшипника оказывает волнистость тел качения и дорожек качения колец.

В работе [108] аналитические выводы и экспериментальные исследования показали влияние на вибрацию подшипника гармонических составляющих отклонения от круглости дорожек качения и шариков.

Вибрация радиальных и радиально-упорных подшипников снижается [110] с уменьшением волнистости тел качения.

При уменьшении волнистости желобов наружных колец с 2,0 до 0, мкм уровень вибрации снижается на 14 дБ [15]. Уменьшение волнистости внутренних колец с 2,2 до 0,05 мкм вызывает уменьшение вибрации на дБ. Уменьшение волнистости шариков от 0,2 до 0,05 мкм снижает уровень вибрации на 11 дБ. При увеличении волнистости на шариках с 0,05 до 0, мкм уровень вибрации возрастает на 17 Дб.

Испытания, проведенные во ВНИППе показали, что уменьшение высоты волнистости с 2,5 до 1 мкм повышает контактную выносливость более чем в 3 раза. Уменьшение волнистости с 2,5 до 0,5 мкм увеличивает срок службы подшипника более чем в 2 раза [95].

Получена аналитическая зависимость [109] условной суммарной амплитуды погрешностей в зависимости от заданного уровня вибрации подшипника для каждой октавной полосы частот колебаний. Установлено, что амплитуды погрешностей тел качения в зависимости от номера гармоники воздействуют только на определенную частоту.

Показано, что на уровень вибрации подшипника наибольшее влияние оказывают высокочастотные составляющие спектра волнистости колец и тел качения [16].

Выявлено [1] несколько источников вибрации и шума подшипников, обусловленных: качением шариков или роликов по волнистой поверхности;

упругими деформациями; столкновением неровностей.

Отмечается [74], что уменьшение волнистости беговой дорожки внутреннего кольца подшипника 306 с 2,5 до 0,06мкм снижает уровень вибрации в среднем на 17 дБ. Снижение волнистости дорожки наружного кольца с 3 до 0,25 мкм позволило снизить уровень вибрации на 10 дБ.

На вибрацию и шум конического однорядного подшипника оказывает влияние [20] не только величина волнистости, но и регулярность волн на дорожке качения наружного кольца. Вынужденные колебания в низкочастотной области спектра вибрации и шума возникают при определенных соотношениях количества роликов и числа волн.

Для изготовления малошумных подшипников [11], гранность и овальность шариков не должна превышать 0,2…0,5 мкм в зависимости от размера подшипника.

Для особо точных конических радиально-упорных подшипников, используемых в приборах, кроме шума и вибрации, очень важным эксплуатационным показателем является момент трения. Для обеспечения его контроля ВНИПП разработал методику [57]. Момент трения подшипника, согласно ей, характеризуется моментом вращения и моментом трогания.

Момент трогания [57] - момент, необходимый для обеспечения начала вращения одного из колец подшипника, когда другое неподвижно.

Момент вращения - момент, необходимый для обеспечения удерживания от вращения одного из колец подшипника, когда другое вращается.

Одной из составляющих момента трения [98] является момент, обусловленный отступлениями деталей подшипников от правильной геометрической формы и микрогеометрией контактирующих поверхностей.

Таким образом, исследование причин шума и вибрации в подшипниках качения происходило применительно в основном к шариковым подшипникам. Практически отсутствуют исследования причин образования вибрации, шума и момента трения в конических радиальноупорных подшипниках.

1.3 Выбор формы торцов роликов и ее влияние на эксплуатационные Одной из важнейших эксплуатационных характеристик конических радиально-упорных подшипников является высокая грузоподъемность в радиальном и осевом направлениях. Это отличает их от других типов подшипников качения, имеющих аналогичные габариты и способствовало самому широкому применению в различных отраслях машиностроения.

Недостатком является малая быстроходность по сравнению с шариковыми подшипниками и значительное снижение осевой жесткости в процессе эксплуатации. Причиной является неустранимое скольжение в контакте торцов роликов и опорного борта, что подтверждается экспериментами и наблюдениями при осмотре отработанных подшипников [8].

Выбор наиболее оптимальной формы опорного торца конического ролика и опорного борта внутреннего кольца был выполнен в исследовании Р.В. Кугеля [47]. Предложено четыре варианта совместного контакта: конические торец ролика и борт кольца; плоский торец ролика и конический борт кольца; сферический торец ролика и сферический борт кольца; промежуточный вариант (возможны несколько сочетаний).

Анализ вариантов выявил их преимущества и недостатки. Контакт конического торца и конического борта вызывает перекос оси ролика. При несовпадении угла образующей торца и борта, контакт происходит не по линии, а в одной точке, расположенной в верхней либо нижней части борта.

При этом резко возрастают удельное давление и потери на трение.

Контакт плоского торца с коническим бортом происходит в двух точках в верхней части борта, что предохраняет ролик от перекоса. Но при этом значительно возрастают потери на трение скольжения и износ в месте контакта. Удельное давление имеет большие значения.

Четвертый вариант является сочетанием первых трех и обладает их преимуществами и недостатками.

Показано преимущество сопряжения сферической формы торца ролика и борта кольца: контакт происходит по сегменту сферической поверхности, ограничивая перекос роликов; удельное давление, воспринимаемое большой площадью, незначительное; потери на трение невелики.

Форма торцовых поверхностей обеспечивает требуемое направление при вращении роликов и препятствует перекосу роликов [53]. Прилегание торца ролика к поверхности борта имеет решающее значение (рис.1.1).

Названы условия [53] оптимальной формы торца ролика:

-минимальное удельное давление в месте контакта с бортом, следовательно, максимально возможная площадь контакта;

-наименьшее скольжение на площадке контакта для уменьшения износа торцов роликов и упорного борта;

-форма контакта должна гарантировать от выдавливания смазки;

-устойчивое положение ролика на кольце, предотвращающее перекос;

-форма торца не должна усложнять процесс изготовления.

Кроме этого указано [53], что сферическая форма уменьшает влияние погрешности установки и изготовления.

Определены условия невыхода пятна контакта на кромки опорного борта и торцов роликов [8] в случае контакта сферического торца ролика с коническим и сферическим опорным бортом. При разработке подшипников со сферическим опорным бортом внутреннего кольца, радиус сферы торца ролика должен быть меньше длины образующей конуса ролика.

Показано [64], что момент трения подшипника имеет линейную обратную зависимость от площади прилегания сферического торца ролика к упорному борту внутреннего кольца (рис.1.1,д). При полном прилегании момент трения принимает наименьшее устойчивое значение.

Форма контактирующих поверхностей ролика и борта внутреннего кольца существенно влияет на условия их трения и контакта, а следовательно, на качество и долговечность подшипника в целом [30]. Форма торца ролика в виде сферы [43] обеспечила помимо увеличения несущей способности и долговечности подшипника, улучшение его технологичности.

Характер контакта торца ролика с опорным бортом влияет на момент трения [9] и во многом определяет осевую жесткость подшипника.

Отмечается, что износ торцов роликов и бортов колец на несколько порядков выше, чем образующей роликов и дорожек качения колец [8]. При кромочном контакте между торцом ролика и бортом возникают большие потери на трение, увеличенный износ, значительное тепловыделение. Для его исключения необходимым условием является: Rсф3° окружная сила Ft уменьшается до 0,37…0,43Ру, что приводит к проскальзыванию заготовок по поверхности дисков и неустойчивому положению заготовки.

Рис.3.11 График зависимости удельных тяги qFt, силы трения на дисках qF1,, qF2, сепараторе qFс, реакции qNс от угла для f =0,05; rm=4,5 мм при fск =0,1; 0, Из вышесказанного следует, что существующий способ обладает значительными недостатками и ограниченным диапазоном применения 3° 1°30' в зависимости от геометрии заготовки.

3.3 Механизм образования погрешностей вследствие колебаний При шлифовании сферического торца конического ролика можно назвать особенности этой операции по сравнению с обычным круглым шлифованием.

Первая особенность: беспрерывное изменение положения оси ролика относительно оси вращения ШК за счет ее поворота на величину ~ 80.

Этим имитируют продольную подачу заготовки относительно ШК (по сравнению с классической схемой круглого шлифования при установке заготовки в центрах).

Рис.3.12. Схема образования волнистости на сферической поверхности заготовки ролика, вследствие вынужденных колебаний ШК (np=1860 об/мин; nшк=1410об/мин; np/nшк=1,32;

принимают для простоты построения np/nшк=1,333) при классическом круглом шлифовании. Применен принцип обращения движения Вторая особенность: ШК составлен из трех соосных кругов с разной характеристикой (бакелитовый для черновой обработки; вулканитовый для чистовой и графитовый для «тонкой» обработки), соосно закрепленных, как одно целое. В итоге общая длина такого сборного ШК H=176 мм.

Такой круг существенно больше по массе по сравнению с кругами диаметром 500мм, применяемыми на центровых круглошлифовальных станках аналогичного типоразмера. Следовательно, он обладает неуровновешенностями, значительно большими, чем аналогичные ШК круглошлифовальных центровых станков, что следует из формул Николаева С.В.[76]. Исходная неуравновешенность круга:

Установочная неуравновешенность:

где D,d,H – размеры круга; e – эксцентричность; H - отклонение от параллельности торцов; - плотность круга г/см; K - коэффициент, учитывающий неравномерность структуры круг; K - коэффициент, учитывающий действительное расположение погрешностей формы круга.

Прикидочный расчет показывает, что неуравновешенность круга в рассматриваемой операции будет ~ в 3 раза больше. Следовательно, больше будут и силы, возмущающие вынужденные колебания ШК.

Рассматривают механизм образования волнистости на последних нескольких оборотах заготовки ролика при контакте с графитовой частью ШК. На этих последних оборотах подача на врезание настолько мала, что ею можно пренебречь. Следовательно, шлифование происходит в режиме выхаживания. Заготовка наклонена под углом ~40 в момент выхода из контакта.

Рис.3.13. Развертки поверхности заготовки ролика после шлифования на последних оборотах (Wz – высота окончательно сформировавшейся волнистости) при np/nшк=1, Для облегчения решения этой задачи рассматривают сначала решение более простой задачи: формообразование сферического торца шлифованием на центровом круглошлифовальном станке. Принимают отношение частот вращения то, что действительно в цехе на станке сквозного шлифования, а Такое отношение является уникальным, т.е. довольно редким по значению. Это отношение частот вращения означает, что полное колебание ШК совершает, когда заготовка ролика совершит более одного оборота, т.е.

1,32 оборота. Для наружного шлифования в центрах такой случай практически невозможен. Тем ценнее рассмотрение механизма образования волнистости для указанного случая. Для его рассмотрения принимают следующие допущения:

1) технологическая система абсолютно жесткая, т.е. отсутствует подача на врезание;

2) вращение заготовки и ШК - равномерное;

3) вынужденные колебания ШК происходят вследствие его неуравновешенности, и траектория относительно заготовки по синусоидальному закону;

4) для упрощения задачи принимают отношение частот вращения nр/nшк=1,333. Применив принцип обращения движения (рис.3.12) (принимают заготовку неподвижной, а ось ШК совершает вращение вокруг заготовки), легко проследить образование шлифуемой поверхности за 1, оборота оси ШК вокруг заготовки - точки 1,2,3,4,5,6.

Рис.3.14 Развертки поверхности заготовки ролика после шлифования методом напроход.

(Wz – высота окончательно сформировавшейся волнистости). I, II, III, IV…X – вершины соответствующих волн. (1, 2, 3, …10), (1', 2', 3'…21') – траектории точек касания ШК с заготовкой в первой и второй половинах окружности Продолжают рассмотрение образования профиля шлифуемой поверхности (рис.3.13) на примере построения разверток поверхности заготовки ролика. Как было сказано, на первом обороте образуется синусоидальный профиль (т. 1, 2, 3, 4). На втором обороте заготовки ШК продолжает перемещение по синусоиде 4, 5, 6, 7, 8, 9. Легко заметить, что круг срезает профиль, образовавшийся на первом обороте, в зонах 4-5, а потом 8-9. При этом ШК «пролетает» по воздуху — точки 5, 6, 7, 8.

На третьем обороте, продолжая перемещение по относительной траектории, ШК срезает профиль, образовавшийся после второго оборота в зонах 9, 2 и 8, 9, тем самым уменьшая высоту волнистости и ее шаг. На четвертом обороте заготовки процесс образования волнистости завершается - ШК срезает предыдущий профиль в точках 13, 15, перемещаясь по относительной траектории - синусоиде 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18. Образуются окончательно три волны высотой Wz.

Высота волнистости после первого оборота равна: Wz1=2A, второго оборота: Wz2=1,707A, третьего: Wz3=1,0A, четвертого Wz4=0,2929A (3.29).

Однако при сквозном шлифовании механизм образования волнистости будет отличен от рассмотренного при шлифовании врезанием на центровом круглошлифовальном станке.

Расчет кратных долей длины волны, описываемой ШК при np/nшк=1, 118,8° 237,6° 356,4° 475,2° 594,0° 712,8° 831,6° 950,4° 1069,2° 1188° Отличие заключается в том, что ШК имеет длину контакта с заготовкой вдвое больше. Это объясняется тем, что он контактирует одновременно в двух противоположных зонах от оси вращения заготовки. Этот механизм образования волнистости изображен на рис.3.14. На первом обороте ШК начинает контактировать одновременно по одной дуге (т.1) и второй дуге (т.1'). Следовательно, съем металла начинается одновременно в этих дугах, чему соответствуют траектории 1, 2, 3, 4 и 1', 2', 3'. На втором обороте эти траектории одновременно продолжаются: 4, 5, 6 и 7; 3', 4', 5', 6', 7'.

Шлифовальный круг, срезая одновременно слой заготовки в двух зонах, образует волнистость: 3', 4', I, 3, III, 7 с двумя вершинами II и III.

Сравнивая со вторым оборотом заготовки при шлифовании врезанием на круглошли-фовальном станке, легко заметить, что во втором способе образуется волнистость в 2,76 раза меньше: Wz2=0,6173A. На третьем и четвертом оборотах заготовки продолжается более интенсивный съем металла, заканчивающийся, как и при первом методе, образованием на четвертом обороте окончательной волнистости, высота которой будет Wz4=0,07612A, что в 3,85 раза меньше. А число волн, наоборот, вдвое больше.

Рассматривают образование волнистости при фактическом отношении np/nшк=1,32=132/100=56/50=33/25. Это означает, что через 25 оборотов на поверхности останется 33 волны (рис.3.15). Длина волны, которую описывает ШК относительно торца заготовки: Lв=360°*1,32=475,2°. На первом обороте, как для предыдущего случая сквозного шлифования при np/nшк=1,333, ШК начинает контакт с заготовкой одновременно в двух точках: (т.1) и (т.1'), соответствующих двум дугам I и II траектории ШК соответственно. На втором обороте образуются три волны с высотой волнистости Wz2=0,6173A, одинаковой с предыдущим случаем. Начиная с 3го оборота, характер образования волн отличен. Образуется 4-е волны с вершинами 12, 10-1', 12', 10 и несколько меньшей высотой волнистости Wz3=0,2768A.

Рис.3.15 Развертки поверхности заготовки пооборотно после сквозного шлифования (на первых четырех оборотах), с образованием на ней волнистости при np/nшк=1, На 4-м обороте происходит интенсивный съем металла, волнистость снижается меньше в сравнении с (np/nшк=1,333) - Wz4=0,08987A, число волн увеличивается до шести. Особенность заключается в том, что на первой половине профиля заготовки ролика, соответствующей углу в 0°…180°, вершины волн образованы только первой дугой I (т.12, 17, 19), на второй половине – только второй дугой II (т. 12', 17', 19').

Начиная с 4-го оборота в отличии от первых трех, волнистость уменьшается не равномерно на каждом обороте, а ступенчато через несколько оборотов. На 5-м и 6-м оборотах (рис.3.15,продолжение) высота волнистости не меняется: Wz4=Wz5=Wz6=0,08987A. На 7-м обороте волнистость «скачкообразно» уменьшается и далее не меняется на 8-м и 9-м оборотах: Wz7=Wz8= Wz9=0,05589A. При этом число волн увеличивается на одну или две волны с каждым оборотом N4=6, N5=7, N6=9, N7=10, N8=12, N9=13. Следовательно, уменьшается и шаг волнистости.

Скачкообразное уменьшение волнистости при равномерном уменьшении шага волн объясняется тем, что ШК за один оборот касается поверхности только два раза. С увеличением числа волн и уменьшением высоты волнистости на поверхности заготовки, ШК не может коснуться каждой волны. Волнистость определяется как высота максимальной волны.

Поскольку высота у части волн остается неизменной за оборот, то и волнистость меняется не на каждом обороте.

Рис.3.15 (продолж.) Развертки поверхности заготовки на последующих 5-9 оборотах с образованием на ней волнистости при np/nшк=1, При этом число волн на каждом обороте может расти на 1 или 2. Две волны добавляются в том случае, если касание круга и заготовки происходит в двух зонах. Одна волна – если в одной из зон отсутствует контакт круга и заготовки, т.е. ШК «пролетает» по воздуху. Это хорошо видно для II дуги на 5-м и 9-м оборотах и для I дуги на 7-м обороте (рис.3.15).

Сравнительный анализ пооборотной высоты волнистости до 9-го оборота, выраженный в долях амплитуды колебания ШК, показан в таблице 3.6. На 5, 7, и 9 оборотах число вол увеличилось только на одну.

Согласно исследованию [73], соотношение частоты вращения ШК nшк и заготовки nр, представляет собой неправильную дробь: =. (3.30) В приведенной формуле Z означает число оборотов, которое должна совершить заготовка, чтобы на ее поверхности образовалось число волн, равное значению числителя S.

Высота волнистости (в долях амплитуды колебания ШК) и число волн при шлифовании торца роликов 7807У при разных соотношениях частот вращения ШК и заготовки np/nшк np/nшк np/nшк=1,33 2,0 0,6173 0,2929 0,07612 0,07612 0,07612 0,07612 0,07612 0, np/nшк=1, Wz (1,32)/ Wz(1,33),% В приведенных выше способах шлифования, дробь является правильной, что связано с уникальными особенностями бесцентрового сквозного шлифования торцов роликов. Для случая круглого шлифования расчет Действительно, за 4 оборота заготовки (рис.3.13) образовалось 3 волны.

Для сквозного бесцентрового шлифования периферией ШК классическое соотношение (3.30) примет вид: = (3.32) Это объясняется особенностью данного процесса - шлифованием заготовки одновременно в двух зонах. При этом образуется удвоенное количество волн 2S на торце заготовки (рис.3.14). Высота волн при сквозном способе шлифования Wz в 3,85 раза меньше, чем при круглом.

При np/nшк=1,32 характер формирования волнистости меняется. Если на первых оборотах заготовки число образованных волн опережало число оборотов, то на последующих оборотах соотношение меняется в обратную сторону. Причина понятна, если рассмотреть формирование профиля волнистости на 8…9 оборотах (рис.3.15). ШК срезает практически весь металл в пределах двойной амплитуды 2А. Высота волн уменьшается, шаг растет. ШК все чаще перемещается, не касаясь поверхности заготовки. Увеличение числа волн происходит уже не на каждом обороте заготовки. Этот процесс усиливается с ростом числа оборотов заготовки. На последнем 33-м обороте окончательно формируется профиль, содержащий 25 волн. На последующих оборотах траектория перемещения ШК повторяется, новые волны не образуются, волнистость не уменьшается.

Применяя вышеприведенные суждения, легко объясняется процесс образования волн при любых соотношениях частот вращения круга и заготовки при сквозном бесцентровом сферошлифовании.

Для дальнейшего уменьшения высоты волнистости необходимо в процессе обработки на этапе выхаживания плавно изменять соотношение Изменение частоты вращения ШК представляется проблематичным в силу нескольких причин:

- значительный вес, а значит и инерция ШК;

- изменение частоты вращения ШК, а следовательно и скорости резания, коснется всех роликов, находящихся в зоне обработки на всех этапах обработки (черновой, чистовой, выхаживание). При этом, вследствие изменения режима обработки, возможно ухудшение качества обработки.

Анализ зависимости (3.6) показывает, что изменение частоты вращения заготовки для бесцентрового способа базирования между двумя жесткими рабочими дисками и пазом сепаратора возможно изменением частоты вращения ведущего n1 и опорного n2 дисков.

Изменение частоты вращения одного из дисков изменит и скорость вращения заготовки и скорость круговой подачи nс (3.10), совпадающей со скоростью вращения сепаратора (3.8), на всех этапах обработки. Изменение режимов обработки может негативно сказаться на качестве обработки.

Рис.3.16 Физическая модель формирования волнистости в зависимости от амплитуды колебаний шлифовального круга на этапе выхаживания Изменение частоты вращения заготовки ролика без изменения скорости подачи требует весьма сложного процесса подбора частот вращения опорного и ведущего дисков, что в условиях непрерывного процесса обработки практически исключено.

ШК имеет форму внутренней части тороида (рис.3.16). Образующая круга имеет радиус Rп, практически совпадающий на этапе выхаживания с требуемым радиусом сферы Rсф. Обрабатываемый торец расположен под некоторым углом к ШК. При этом колебания ШК копируются на поверхность заготовки не полностью, а с коэффициентом, зависящим от где: А - амплитуда колебаний ШК; – угол между осью ролика и перпендикуляром к оси ШК.

При этом в двух зонах обработки амплитуда ШК копируется по разному в зависимости от угла : Аз1=Аcos(-); Аз2=Аcos(+). (3.35) К выходу из зоны обработки копирование уменьшается: Аз1 >Аз2.

Другим направлением уменьшения волнистости обрабатываемого торца является снижение дисбаланса ШК.

Конструкция сферошлифовальных станков мод. БСШ-200 и БСШ-300, широко применяемых в производстве, предусматривает статическую балансировку оправки с планшайбой и ШК вне станка на параллелях либо дисковом стенде. В качестве корректирующих масс применяются три грузика, установленные в кольцевую расточку планшайбы в одной плоскости. Балансировка производится только один раз, после первоначальной токарной обдирки под требуемый радиус, и обеспечивает частичное устранение дисбаланса. Применяемые при сферошлифовании широкие сборные ШК в процессе обработки вызывают динамический моментный дисбаланс. Согласно ГОСТ 16181-70, для ШК Dк100мм и шириной больше 5мм требуется балансировка в динамическом режиме [17].

В процессе работы дисбаланс имеет тенденцию к увеличению [97]. Для его компенсации было разработано устройство для динамической моментной балансировки комплекта шпинделя ШК (рис.4.14).

Балансировка производится автоматически за счет рассогласования величины давления в системе пневмодатчиков под действием дисбаланса ШК. В качестве материала для балансировки используется отфильтрованная СОЖ из рабочей системы. Первое устройство установлено на планшайбе ШК. Для обеспечения максимальной динамической моментной балансировки, с противоположной стороны шпинделя на приводном шкиву устанавливают второе, сходное по конструкции устройство.

Пневмодатчики двух устройств, каналы подачи СОЖ и воздуха соединены с модулем аналоговых входов и через него с программируемым логическим контроллером (ПЛК) что обеспечивает непрерывную балансировку в процессе обработки.

Таким образом, можно выделить следующие особенности волнообразования при сквозном бесцентровом шлифовании на этапе выхаживания, вызванные колебаниями ШК:

1.Большая, по сравнению с другими способами шлифования, величина статической и динамической неуравновешенности;

2.Уникальное соотношение частот вращения шлифовального круга и заготовки, при котором np / nшк>1;

3.Наличие одновременно двух зон обработки и образование на поверхности торца за оборот заготовки удвоенного числа волн по сравнению с круглым шлифованием. В зонах шлифования процессы обработки различны (в одной – встречное шлифование, в другой – попутное);

4.Неравномерный процесс волнообразования, происходящий через определенный интервал;

5.Высота волнистости уменьшается в большей степени, чем при круглом шлифовании;

6.Колебания ШК влияют на образование волнистости торца в зависимости от угла. Наибольшее копирование при =0 (3.34);

7.Волнистость торца в двух зонах обработки различная в зависимости от угла на заготовке ролике.

Процесс бесцентрового сквозного шлифования сферы можно разбить на несколько этапов, имеющих свои особенности:

1) Вход заготовки в зону обработки и первое касание ШК – 2… оборота заготовки. Скорость резания максимальная вследствие наибольшего диаметра ШК на входе в зону обработки. Заготовка неустойчива и осциллирует в осевом направлении, по этой причине радиальные усилия резания переменные. Характер процесса неустойчивый.

2) Переходная зона, до 15-и оборотов заготовки. Исходная заготовка имеет плоскую форму ТБ. По Л.Н. Михайловой [64], шлифование плоского торца заправленным по радиусу кругом происходит по кольцевой поверхности от внешней части торца с постепенным расширением зоны обработки к внутренней части. При достижении зоной обработки кромки технологической выемки, формирование сферы на торце заканчивается. За счет сужающегося клинового пространства в двух зонах обработки силы резания различные, что может вызвать перекос заготовки в плоскости подачи и ее отход от боковой базы сепаратора.

3) Первая стабилизация процесса обработки. Под действием максимальной силы резания заготовка устанавливается с натягом между опорными поверхностями дисков. Процесс шлифования идет по всей поверхности торца. Снимается 60…80% общего припуска (черновая обработка). Одновременно идут интенсивные процессы образования волнистости и ее уменьшения за счет снятия припуска. Скорость резания при уменьшении диаметра круга снижается. Ширина зоны зависит от высоты ШК на бакелитовой связке Hбак (рис.3.11).

4) Вторая переходная зона на стыке двух кругов: на бакелитовой и вулканитовой связках – 15…30 оборотов заготовки. Начинается за 3…6мм до окончания бакелитового круга и продолжается на 3…6мм вдоль вулканитового. Износ на общем стыке кругов выше, чем на остальной части ШК. Процесс резания неустойчивый, сопровождается резким уменьшением съема в месте стыка кругов. При переходе через стык кругов, две зоны обработки на поверхности заготовки шлифуются разными кругами.

Образование волнистости имеет неустойчивый характер: на бакелите она увеличивается; при повороте заготовки на 180° к вулканиту, снижается.

Процесс в зоне стыка кругов повторяется на каждом обороте заготовки.

5) Вторая стабилизация процесса обработки – шлифование на вулканитовом круге. Скорость минимальная и относительно постоянная в центральной части ШК. Съем оставшихся 20…40% припуска. Скорость снятия припуска уменьшается практически до нуля к концу вулканитового круга.

Зона меньше ширины вулканитового круга на ширину двух переходных зон.

6) Третья переходная зона с вулканитового круга на графитовый – 10…20 оборотов заготовки. Увеличенный износ кругов на стыке. Одна зона заготовки продолжает шлифоваться, вторая на графитовом круге вступает в процесс доводки. Волнистость переменная – больше в зоне обработки вулканитового круга и уменьшается на графитовом. Процесс повторяется в зоне стыка кругов на каждом обороте заготовки.

7) Зона выхаживания. Процесс изменения волнистости в зоне рассмотрен раньше в данном пункте. Скорость выхаживания максимальная при максимальном диаметре круга на выходе из зоны обработки.

3.4 Исследование влияния базовой конической поверхности на периодические погрешности обработки сферического торца 3.4.1 Механизм формирования шлифуемой поверхности, вызванный периодическими погрешностями базовой поверхности 3.4.1.1 Периодические составляющие погрешности обработки сферы В отраслевых нормативах подшипниковой промышленности установлены требования на радиус сферического торца и биение применительно ко всей номенклатуре выпускаемых конических роликоподшипников. В тоже время обеспечение и контроль гранности сферического торца пока не нашло широкого применения и осуществляются для очень узкой номенклатуры роликов конических радиально-упорных подшипников. К ним относятся подшипники с регламентируемым уровнем шума, вибрации и момента сопротивления проворачиванию.

Волнистость сферического торца до настоящего времени не оговорена техническими регламентами и отраслевыми нормативами и при изготовлении роликов не контролируется. Вместе с тем она является параметром, охватывающим весь диапазон периодических погрешностей поверхности торца. При количестве волн от одной до трех – это биение, от четырех до пятнадцати – гранность или НСВ, выше – волнистость или ВСВ.

Поскольку образующая коническая поверхность и сферический торец ролика являются единственными рабочими поверхностями ролика, обеспечение требований по волнистости к образующей при отсутствии таковых к сферическому торцу представляется неправильным.

Гармонический анализ составляющих спектра волнистости позволяет оценить влияние геометрических, кинематических и динамических факторов, действующих в процессе обработки, с целью определения причин образования волнистости, уровня значимости составляющих волнистости и разработки мер по их устранению.

3.4.1.2 Случай базовой конической поверхности заготовки ролика, имеющей погрешность преимущественно в виде третьей гармоники Принимают ряд допущений:

1.Диски вращаются равномерно, проскальзывания между ними и образующей ролика нет;

2.Поверхности дисков и ШК не имеют погрешностей формы и расположения, биение в опорах дисков и ШК отсутствуют;

3. ШК не имеет дисбаланса и вращается равномерно;

4.Упругая податливость материала дисков и ролика не учитываются;

5.Исходная поверхность торца не имеет погрешностей формы и ППО.

Форма профиля базовой конической поверхности (рис.3.17) Г заготовки ролика в сечении, перпендикулярном оси, имеет однокомпонентную синусоидальную огранку. Ее аналитическое описание можно представить в где R0 - средний радиус сечения ролика, А3 – амплитуда колебаний относительно среднего диаметра ролика, - начальная фаза.

Радиус-вектор за период 2 имеет три максимума и три минимума.

Рис.3.17 Положение заготовки ролика при установке между дисками по существующему способу при форме поперечного сечения в виде: а – огранки с гармоникой n=3; б – Контакт профиля Г (рис.3.17,а) вдоль оси Y с дисками осуществляется не в диаметральном сечении D, а на некотором расстоянии от него. Обозначим его как максимальное сечение Dy, а угол между осью Y и точкой контакта Dy с ведущим диском - х. Диаметр D определяется как сумма радиусов, имеющих угол между собой :

Следовательно, для отклонения от круглости, имеющего гармонику n=3, диаметр D в любом направлении имеет постоянную величину.

Принимают, что 3 =const во всех сечениях заготовки ролика. Исходя из условий контакта профиля заготовки ролика с дисками 1 и 2 (рис.3.17) и постоянства расстояния между дисками 2H при вращении заготовки вокруг своей оси Ор и одновременного прокатывания между дисками, возможны три варианта изменения положения заготовки ролика:

1) Периодическое смещение центра заготовки Ор в плоскости YZ при изменении точек контакта с поверхностью дисков;

2) Смещение ролика вдоль оси Х, направление которого зависит от соотношения Dy и расстояния между дисками 2H. При Dy>2Н, ролик смещается в направлении к ШК, при Dy>А3. Например, для ролика 6-7807у на операции «чистового шлифования поверхности качения», предшествующей шлифованию сферы:

R0=Dw/2=9,694/2=4,847мм; А3max=0,0015мм. Откуда =1077,11.

>0, для получения положительного значения в правой части выражения Величина х (3.40) имеет малые значения. Для ролика 6-7807у она составляет х=0,0532°=0,000928. Подставляют (3.39) в (3.37) для координаты Y и определяют наибольшую величину максимального сечения ролика Dy:

Для ролика 6-7807у: Dymax=9,694004178мм,; D=Dymax-D=0,00000418мм.

Значение D принимает ничтожно малую величина, которой можно пренебречь. Принимают: Dy=D. Следовательно, в случае преобладания трехвершинной волнистости на базовой поверхности ролика, т.к. DyD=2Н, смещения ролика в осевом направлении не происходит.

Центр ролика Ор, при качении ролика по опорному диску, совершает колебания относительно оси Y с амплитудой А3. Размах колебаний = 2А3.

Координата Ор вдоль оси Y равна разности R0 и радиус-вектора со смещением относительно нулевого положения на угол /2:

Путь, пройденный точкой Ор вдоль оси Z, при повороте ролика на угол равен длине развертки профиля Г на данном угле:

После преобразования получают:

Обозначают А3/ R0=k, тогда (3.42) принимает вид:

В подкоренном выражении последние два слагаемых являются бесконечно малыми (например, для 7807У =0,00000085), имеют противоположные знаки и ими можно пренебречь. Получают:

Получают уравнения положения центра ролика:

Следовательно, центр заготовки ролика Ор, имеющей 3-ю гармонику, при качении по дискам, описывает траекторию, подчиняющуюся синусоидальному закону и зависящую от A3 и среднего радиуса ролика R0.

Для определения профиля волнистой поверхности торца принимают ряд допущений: поверхность ШК в связи с большим диаметром и малой кривизной по отношению к диаметру обрабатываемого торца, принимается в виде цилиндра с радиусом Rкр и высотой Hкр (рис.3.18).

Применяют принцип обращения движения, полагая, что заготовка неподвижна, а центр ШК: вращается вокруг оси Х неподвижного ролика с частотой nр с одновременным смещением в плоскости YZ по синусоидальному закону; врезается в ролик снимая припуск за один оборот h1;

смещается вдоль оси Z со скоростью круговой подачи.

В подшипнике сферический торец конического ролика находится в контакте с упорным бортом внутреннего кольца подшипника. Образующая ролика представляет собой прямой круговой конус. Основанием ролика в начальный момент перед началом обработки является окружность кругового конуса со средним радиусом R0.

Разворачивают окружность в основании конуса на плоскость (рис.3.18) и обозначают ее как Ось Z1.

При вращении вокруг оси ролика, центр ШК движется вдоль оси Z1 по закону (3.43) Z11= и одновременно совершает колебательные движения относительно центра ролика по закону Z12=-А3.

Рис.3.18 Схема образования волнистости торца при наличии погрешности базовой конической поверхности Центр вращения ШК в начальное положение расположен на оси Х на расстоянии Х0шк= Rcos+Rкр от центра круговой подачи ролика Ои, где угол между образующей и осью ролика; R – длина образующей конуса в основании ролика; Rкр – радиус ШК. При совместном с врезанием вращении вокруг оси ролика ОХ, ШК совершает движение по винтовой линии с шагом h1. Уравнения траектории движения центра ШК:

Траектория движения центра ШК при амплитуде 3-й гармоники базовой поверхности А3=1 мкм; h1=5 мкм и R0=4,847 и 10мм показана на рис. 3.19.

При увеличении R0 с 4,847 мм до 10мм, амплитуда колебаний центра ШК уменьшается, т.к. уменьшается отношение А3/R0. Наклон волнистой поверхности показывает снимаемый припуск за оборот заготовки ролика.

Уравнение профиля волнистой поверхности представляет собой огибающую семейства окружностей радиусом Rкр [90] при движении центра ШК согласно уравнениям (3.44).

В соответствии с [74] координаты профиля волнистой поверхности:

Получают производные от (3.44) по углу и подставляют их в (3.45).

Рис.3.19 График траектории движения центра ШК за оборот заготовки при А3=1 мкм;

h1=3 мкм; R=138мм; Rкр=400мм; =2° в зависимости от R0= 4,847мм; 10мм После преобразования получают уравнения волнистой поверхности Рис.3.20. Графики: а - форма профиля обрабатываемого торца за один оборот при А3=1 и 5 мкм; h1=3 мкм; R=138мм; Rкр=400мм; =2°; б - волнистости обрабатываемого торца от амплитуды А3 базовой поверхности при h1 = 0; 1и 3мкм; R=138мм; Rкр=400мм; =2° Обозначают =. Выражение бесконечно малое высшего порядка. Окончательно уравнения профиля волнистой поверхности:

Анализ выведенных уравнений профиля волнистой поверхности торца (3.46), (3.47) и построенных на основе них графиков (рис.3.19; 3.20) позволяет сделать следующие выводы:

- число волн на обрабатываемой поверхности торца в два раза больше числа волн возмущающей волнистости базовой конической поверхности;

- волнистость торца растет с увеличением амплитуды базовой поверхности А3 и уменьшается с ростом припуска h1; зависимость носит нелинейный характер; на этапе выхаживания, где h10, влияние амплитуды на волнистость наибольшее.

Следовательно, изучать процесс образования волнистости необходимо на этапе выхаживания.

3.4.1.3 Случай базовой конической поверхности заготовки ролика, имеющей погрешность преимущественно в виде второй гармоники Профиль поперечного сечения базовой поверхности со 2-й гармоникой Зависимость (3.48) описывает эллипс с центром в полюсе полярной системы координат. Полагают, что 2=0. В начальный момент времени большая полуось эллипса совпадает с полярной осью. R0 - средний радиус сечения ролика, А2 – амплитуда относительно среднего диаметра ролика.

Ролик в начальный момент касается в крайних сечениях поверхности дисков 1 и 2 (рис.3.17,б). Диаметр ролика определится как сумма текущих радиусов при угле : Dmax=2R0+2А2, Dmin=2H=2R0-2А2, D=4А2.

При вращении заготовки ролика вокруг своей оси и одновременном качении по поверхности дисков, она смещается вдоль оси Х на величину h, при которой Dр=2H. Величина h:

Диаметр ролика при любом значении : Di=r() +r(+).

Разброс диаметра, с учетом, что точки контакта заготовки относительно дисков развернуты от полярной оси (=0) на углы (+ ) и (+ ):

Di = Di-Dmin=2R0+А2cos2(+ )+А2cos2(+ Определяют координаты профиля волнистой поверхности. Разворачивают окружность радиуса R0 в основании конуса и обозначают ее как ось Z1.

При вращении вокруг своей оси, центр ролика движется вдоль оси Z1 по некоторому закону Z1=f(). Длину дуги эллипса определяют по формуле:

где rmax и rmin – полуоси эллипса, е – эксцентриситет. Интеграл (3.51) относится к семейству эллиптических и не выражается в элементарных функциях.

Рис.3.21 Траектория движения центра ШК за один оборот заготовки при h1=3 мкм;

R=138мм; Rкр=400мм; =2° и амлитуде второй гармоники А2=0,1; 0,25; 0,5 мкм Из технологической документации известно, что величина огранки заготовок роликов, имеет малые значения по сравнению с радиусом заготовки. Следовательно, эллипс, имеет малый эксцентриситет. Например, для ролика 7807у при огранке в 1мкм: е=0,0248. При малой величине е эллипс незначительно отличается от окружности. По формуле для длины Рис.3.22 Траектория движения центра ШК за оборот заготовки при А2=0,1мкм; h1= По формуле Рамануджана приближенный периметр эллипса для ролика 7807У с погрешностью 0,02% составляет L=30,4543мм. Расхождение с (3.52) 0,012%. Принимают окончательно длину дуги эллипса (3.52).

На основе принципа обращения движения, при движении центра ШК вдоль оси Z1, он врезается в торцовую поверхность заготовки по винтовой линии с шагом h1 и смещается вдоль оси Х на h по закону (3.50):

Из графика (рис.3.21) и уравнений (3.53) следует, что амплитуда колебаний заготовки вдоль оси Х на порядок больше, чем для 3-й гармоники.

Увеличение угла с 2 до 4 уменьшает амплитуду колебания заготовки в 2,33 раза (рис. 3.22).

Увеличение R0 приводит к увеличению длины волны, не меняя амплитуду колебаний (рис.3.23).

Рис.3.23 Траектория движения центра ШК за оборот заготовки при R0=4,847мм и 10мм Находят производные по и подставляют в (3.45):

Рис.3.24 Форма профиля обрабатываемого торца при h1=3мкм; R=138мм;

Rкр=400мм; R0=4,847мм; =2° А2=0,1; 0,25; 0,5; 1 мкм Знак плюс в выражении (3.54) означает вторую мнимую часть огибающей с противоположной стороны от заготовки. После преобразования и упрощения получают уравнения волнистой поверхности торца заготовки:

где lm= – максимальное смещение ролика в осевом направлении.

Рост амплитуды ППО базовой поверхности ведет к увеличению амплитуда колебаний центра заготовки относительно ШК (рис. 3.21) и росту высоты волнистости обработанного торца (рис.3.24). На определенном этапе (в данном случае при А2 1мкм) наступает самоперерезание волн.

Рис. 3.25 Форма волнистого профиля обрабатываемого торца за один оборот заготовки при А2=0,5 и 1мкм; h1=3 мкм; R=138мм; Rкр=400мм и значениях угла =2 и При увеличении угла на заготовке, высота волнистости снижается (рис.3.25), так как уменьшается смещение заготовки вдоль оси к ШК.

Рис.3.26 Влияние амплитуды А2 2-й гармоники базовой поверхности на волнистость Wz Из анализа зависимостей и графиков влияния овальности базовой конической поверхности на волнистость обрабатываемого торца следует:

- волнистость увеличивается с ростом амплитуды возмущающих колебаний и уменьшается с увеличением припуска на оборот и угла образующей заготовки ролика;

- четные гармоники (2, 4, 6, 8 и т.д.) базовой поверхности заготовки оказывают более сильное влияние на волнистость торца, чем нечетные.

3.4.2 Экспериментальное исследование влияния волнистости конической поверхности на волнистость обрабатываемого торца Для определения закономерности изменения волнистости обрабатываемого торца от ППО базовой конической поверхности были проведены экспериментальные исследования по шлифованию образующей и сферического торца партии роликов 7807у и замеру гармоник в условиях заводской лаборатории. По результатам замеров выполнен гармонический анализ по первым 14 гармоникам. Анализ гистограмм рассеяния значений отклонений от круглости образующей и волнистости торца показал, что они подчиняются закону нормального распределения (рис.3.27, 3.28).

Рис.3.27 Гистограммы рассеяния фактических значений отклонения от круглости образующей роликов 7807У для 3, 4, 5, 6, 7, 8 составляющих. По оси абсцисс - принятый диапазон отклонения от круглости; по оси ординат – частота.

При анализе отклонения от круглости образующей роликов, наблюдаются значительный рост амплитуды на 2, 3, 5, 7 и 10-й гармоник (таб.3.7) и (рис.3.29,а). Ему соответствуют увеличенные амплитуды на 4, 6, 8, 10, 12 и 14-й гармониках сферического торца.

Коэффициенты влияния волнистости образующей Аср на волнистость торца Wср по гармоникам Wср/Аср: 3–0,57; 4–1,46; 5-0,39; 6-1,06; 7–0,57; 8– 1,14 показывают, что на четных гармониках волнистость торца значительно больше волнистости образующей. Это также согласуется с аналитическими выводами. При повороте заготовки ролика на полный оборот 2, она дважды поочередно смещается относительно плоскости подачи и линии контакта со ШК в одну сторону и дважды в другую.

В результате на поверхности торца образуется удвоенное число волн.

Следовательно, 2-й, 3-й, 5-й и 7-й гармоникам на образующей соответствуют 4-я, 6-я, 10-я и 14-я гармоники на обрабатываемом торце.

Для подтверждения корреляционной связи определяют коэффициент корреляции и корреляционное отношение [85]:

Достоверность вычисленных rxy и у и основные ошибки r и :

Рис.3.28. Гистограммы рассеяния фактических значений волнистости обрабатываемого торца роликов 7807У для 3, 4, 5, 6, 7, 8 составляющих. По оси абсцисс - принятый диапазон волнистости; по оси ординат – частота При значении отношения больше 4 достоверность rxy и у считается доказанной. Следовательно, между отклонением от круглости базовой конической поверхности заготовки ролика и волнистостью сферического торца существует корреляционная связь.

Спектры средних арифметических и среднеквадратических значений отклонения Поверхность торец Для уменьшения волнистости торца необходимо уменьшать ППО базовой конической поверхности.

Вместе с тем, фактическая высота волнистости на торцах обработанных заготовок меньше значений, рассчитанных с помощью аналитических зависимостей.Причины расхождения кроются в принятых допущениях, что поверхности дисков и заготовки являются абсолютно жесткими.

Согласно (3.22) и (3.23), под действием радиального усилия резания Ру, развиваются значительные силы. Максимальные усилия Ру в зоне черновой обработки, где припуск на оборот максимальный. Происходит упругое и пластическое деформирование выступов на базовой поверхности заготовки.

В процессе ППД при шлифовании торца роликов 7807У на станке мод.

ВШ-680, отклонение от круглости базовой поверхности уменьшилось на 2,38% (табл.3.8). Малая величина ППД объясняется превышением упругих деформаций над пластическими при больших значениях отношения шага волны к высоте Lв/Wt.

Рис.3.29. Зависимость отклонений от круглости образующей и волнистости обрабатываемого торца (средних арифметических значений Аср и Wср – а; среднеквадратических отклонений обр и сф – б) от номера составляющей гармоники N Волнистость, вполне логично, подверглась большему пластическому деформированию и снизилась на 7,5%.

Результаты экмпериментов согласуются с многочисленными исследованиями в области ППД, согласно которым наибольшее пластическое деформирование происходит в области ВСВ.

Изменение ППО базовой конической поверхности заготовок в результате ППД при Состояние Откл. от круглости, Волнистость, Wz, Шероховатость, Ra, Можно отметить, что шероховатость осталась практически на прежнем уровне, что объясняется влиянием причин, указанных в п.3.1.4, делающих процесс шлифования нестабильным.

Вместе с тем среднеквадратическое значение, характеризующее разброс значений относительно центра группирования, увеличилось по всем контролируемым параметрам, что говорит о нестабильности процесса пластического деформирования ППО конической поверхности заготовок.

Волнограммы образующей конических роликов 7807У до (а) и после (б) установки и шлифования (рис.3.6) в ШИ по существующему способу обработки наглядно показывают процесс ППД.

Установка обрабатываемых заготовок в клиновое пространство между двумя жесткими дисками, по мнению А.В.Зарецкого [32], приводит к искусственному увеличению припуска под обработку.

Рис.3.30. Подетальное изменение длины заготовок роликов 7807У до и после шлифования сферического торца по существующему способу между двумя жесткими дисками Биение поверхностей дисков, упругая податливость опор, отклонение от круглости и наличие продольной и поперечной волнистости на базовой конической поверхности заготовок приводят к их осевому смещению и изменению вылета из дисков. С учетом нестабильности процесса установки и обработки заготовки по зонам суммарное осевое смещение при малых углах может достигать значительных значений 0,3…0,5мм. В результате, в процессе шлифования торца разноразмерность заготовок по длине возросла (рис.3.30). Если исходная заготовка имела разноразмерность по длине (в контрольной партии) Lр1=0,074мм, то после шлифования торца она составила Lр2=0,26мм, то есть выросла в 3,51раза.

Фактический припуск (рис.3.31) при обработке =0,026…0,238мм, разброс величины фактического припуска в партии составил =0,212мм при допуске на размер 0,5мм.

Рис.3.31. Подетальное изменение фактического припуска заготовок роликов 7807У на операции «шлифование сферического торца» при базировании по известному способу Колебание величины снимаемого припуска вызывает изменения сил резания, оказывает влияние на величину радиуса сферы. По данным Л.Н.

Михайловой [64], рассеяние значений радиуса сферы при обработке на станке БСШ-300М за час работы 20…30мм. При этом мгновенное рассеяние значений радиуса сферы достигает 30мм, при допустимом значении 10мм.

Таким образом, существующий способ сквозного шлифования торцов роликов с базирование в жестких дисках имеет ряд недостатков:

- значительное влияние отклонений базовой конической поверхности заготовок на формирование волнистости сферического торца;

- неустойчивое вращение в процессе установки;

- неустойчивое положение заготовки в процессе шлифования;

- влияние биения дисков на осевую осцилляцию заготовки;

-увеличение разноразмерности заготовок по длине, радиусу сферы;

-значительные колебания величины припуска.

-увеличение средневадратичеких отклонений базовой конической поверхности по шероховатости, волнистости и отклонению от круглости.

3.4.3 Влияние диаметра и длины базовой конической поверхности Влияние разброса роликов по высоте и диаметру на формирование периодических погрешностей обработки при шлифовании сферического торца изучено недостаточно.

Для проведения экспериментальных исследований [81] влияния высоты была отобрана партия заготовок роликов одной группы по диаметру с сортировкой по длине на 7 групп. Проведена маркировка, шлифование по группам на сферошлифовальном станке мод. ВШ-680, замеры в лаборатории и обработка результатов замеров.

Из графиков (рис.3.32) и (рис. 3.33) видно, что с увеличением высоты ролика величина биения и огранки растет. Линейная аппроксимация дает следующие зависимости:

где: Б – величина биения торца; Г- огранка торца; L – длина ролика.

Рис.3.32. Зависимость биения сферического торца от высоты ролика Увеличение диаметра ролика приводит к уменьшению биения и огранки (рис. 3.34 и 3.35). Линейная аппроксимация дает зависимости:

Рис. 3.33 Зависимость огранки сферического торца от высоты ролика где: Dw – диаметр ролика со стороны обрабатываемого торца.

Уменьшение биения и огранки сферического торца с увеличением диаметра роликов можно объяснить увеличением натяга в системе. Диски шпинделя изделия настроены на размер Dр: Dр= Dw-2hкtg, (3.61) где: Dw - наибольший диаметр ролика после обработки; hк – конечный вылет роликов из дисков (2…3мм). При вдавливании ролика между дисками образуется натяг н. Максимальная величина натяга нmax будет при максимальном значении диаметр ролика. При Dр max, натяг н будет максимальным, При этом обеспечивается максимальная жесткость контакта.

Процесс шлифования становится стабильным, проскальзывание роликов между дисками уменьшается, биение и огранка торца снижаются.

Рис. 3.34. Зависимость биения сферического торца от диаметра ролика Второй причиной является увеличение припуска. При увеличении диаметра ролика первоначально растет натяг в системе «ролик-диски» до значения нmax. Дальнейшее увеличение диаметра приводит к увеличению вылета ролика из дисков и соответсвенно припуска. Увеличение припуска при максимальном натяге в системе уменьшает влияние технологической наследственности с предыдущей операции.

Рис. 3.35. Зависимость огранки сферического торца от диаметра ролика.

Разноразмерность роликов по диаметру оказывает большее влияние на периодическую погрешность сферического торца по сравнению с разноразмерностью роликов по высоте.

Схема обработки, применяемая в ОАО «СПЗ» на сферошлифовальных станках мод.БСШ-200, БСШ-300, ВШ-680 и ВШ-880, с базирование заготовок только по образующей приводит к значительному увеличению ППО при изменении высоты или диаметра заготовок. Требуется разработка и внедрение новых конструктивных решений, уменьшающих влияние геометрических параметров роликов на качество обработки сферического торца.

3.5 Исследование процесса изменения припуска при сквозном шлифовании периферией круга в плоскости круговой подачи Рассмотрим схему бесцентрового сквозного шлифования торца конического ролика в плоскости продольной подачи (рис.3.36). ШК состоит из трех частей, собранных на планшайбе вдоль её длины и вращается с постоянной частотой nшк. Каждая из частей ШК имеет свои характеристики и предназначена для выполнения определенного перехода. Радиус сферического торца ролика Rсф.

Ролики устанавливают между торцами двух дисков и сепаратором между ними, вращающимися вокруг общей оси Ои, и базируют по двойной направляющей и опорной базам путем контакта образующей с дисками и радиальным пазом сепаратора. Вершина наружного конуса каждого ролика совмещается с вершинами конусов конических торцов дисков и пазом сепаратора, точка их совмещения расположена на оси вращения дисков Ои.

Приводные диски 1 и 2 вращаются в противоположные стороны со скоростью V1 и V2 и частотой n1 и n2. Разность скоростей вращения дисков обеспечивает ролику перекатывание по диску 2, имеющему меньшую скорость V2 в направлении вращения диска 1 с большей скоростью V1. Этим обеспечиваются два необходимых движения формообразования сферического торца: вращение ролика вокруг собственной оси с числом оборотов nр и движение круговой подачи вокруг оси дисков вместе с сепаратором в направлении вращения диска 1 с числом оборотов nc и скоростью Vс.

Рис.3.36. Модель процесса снятия припуска по торцу.

Принимают ряд допущений: V1=const, V2=const; опорная коническая поверхность дисков не имеет отклонений; биение в подшипниковых узлах дисков и сепаратора отсутствует; базовая коническая поверхность ролика идеальная; упругая деформация в стыках дисков, ролика и ШК отсутствует.

Правка ШК осуществляется по радиусу Rп. Центр правки ШК Оп смещен относительно центра круговой подачи Ои на величину ех по оси Х и на еz по оси Z для обеспечения съема необходимого припуска t. Радиус кривизны ШК с центром в точке Ои обозначим как текущий радиус.

Уравнение окружности с центром в точке Оп и радиусом Rп, по которой происходит контакт обрабатываемого ролика и образующей ШК:

Раскрывают скобки и решают полученное квадратное уравнение относиех sinc – 2 еz cosc) + ех2 + еz2 - Rп2=0, тельно :

Перед квадратным корнем будет знак +, т.к, в противном случае будет отрицательной величиной. После преобразования получают:

Суммарный припуск на шлифование:

t=а-Rcф при c=cа в точке А, на входе в зону обработки.

Величина оставшегося припуска до полного снятия в точке с углом c:

Угол c выражается через угловую скорость и время: c = сt.

Производной от припуска по времени является скорость изменения оставшегося припуска:

После преобразования получают:

Vti=-с(еzsinсt+ехcosсt)(1Так как в выражении участвует только одна частота с, используем формулы сложения гармонических колебаний:

Начальная фаза о определяется по формуле:

еzsinсt+ехcosсt=еsin(сt+arcsin(ex/e)).

Аналогично определяется разность гармонических колебаний:

ехsinсt–еzcosсt=еsin(сt-arcsin(ez/e)).

Формула для скорости изменения оставшегося припуска примет вид:

Знак минус в полученной формуле означает, что скорость изменения оставшегося припуска уменьшается. Из (3.64) следует, что скорость уменьшается по синусоидальному закону. Скорость изменения припуска в момент времени t0=0, когда c=0, в предположении, что ШК в верхней и нижней точках касается оси Z:

Определим угол c, при котором скорость изменения припуска будет равной нулю и наступит этап выхаживания. Для этого приравняем (3.64) к нулю:

Для равенства нулю произведения, один из множителей либо оба должны быть равными нулю: c + arcsin(ex/e)=0,sinc=- ex/e (3.65) Второй множитель не может быть равным нулю. Выражение (3.65) означает, что скорость изменения припуска Vt0=0, и наступает этап выхаживания в том случае, когда радиус-вектор и радиус правки Rп лежат на одной прямой, т.е. продолжение радиус-вектора в сторону, противоположную ШК, проходит через точку Оп. Во всех остальных случаях скорость изменения припуска будет отлична от нуля.

Выражают радиус-вектор из треугольника ОиОпА. По теореме косинусов:

Получают квадратное уравнение и решают его относительно :

Знак минус не подходит, т.к. это не соответствует I и IVквадрантам, в которых ведется обработка. После преобразования получают:

При условии, что и Rп лежат на одной прямой,Vt0=0, =0: = Rп-е.

Величина припуска, оставшегося до полного снятия в данной точке:

Число оборотов ролика вокруг своей оси:

где hн – начальный вылет ролика из дисков, связанный с суммарным припуском на обработку t и конечным вылетом ролика из дисков hк:

Подставляют (3.68) в (3.69) и выражают оттуда t:

Угол, на который повернется ось ролика в плоскости подачи при повороте ролика вокруг своей оси на 1 оборот: р1 =с Tр, (3.71) Припуск, снимаемый за один оборот ролика вокруг своей оси, представляет собой разность: h1= ti – ti+1= t( ) - t( р1).

Преобразуют, используя формулы сложения гармонических колебаний:

опорных дисков:

Зависимость (3.73) представится в следующем виде:

один оборот ролика вокруг своей оси, влияет:

- величина смещения центра правки е относительно оси круговой подачи. При е=0 и h1=0 снятия припуска не происходит. Весь припуск, предназначенный для постепенного снятия в секторе обработки к, снимается кромкой ШК при входе заготовки ролика в зону обработки;

- соотношение координат центра правки (ex, ez);

- величина радиуса правки Rп. Зависимость носит сложный характер.

- величины и соотношения частот вращения приводных дисков. С увеличением частот вращения дисков, при постоянной разнице их значений, h уменьшается. Это объясняется тем, что растет частота вращения ролика, определяемая зависимостью nр=( n1+ n2) Dд/ dр; где dр - диаметр ролика в месте контакта с приводными дисками на диаметре Dд, dр = Dw-2htg а скорость круговой подачи, определяемая как nc=( n1- n2)/2, остается постоянной. Следовательно, неизменная величина общего припуска распределяется на большее число оборотов заготовок роликов вокруг своей оси. С увеличением разницы частот дисков, h1 растет. Это связано с увеличением скорости продольной подачи nc;

- геометрических параметров ролика: начального диаметра Dw, угла наклона образующей и величины начального вылета ролика из дисков.

Диаметр дисков зависит от радиуса сферы и : (Dд=2(Rсф-hк));

- при постоянных заданных значениях радиуса правки и смешения центра правки е (ex, ez), h1 зависит от текущего угла.

Скорость изменения припуска уменьшается от входа в зону обработки к выходу. Следовательно, формирование фактического профиля волнистой поверхности целесообразно рассматривать на выходе из зоны шлифования, где происходит процесс выхаживания, и влияние припуска на форму волнистого профиля обрабатываемого торца минимальное.

3.6 Исследование влияния частотных свойств системы ЗИПС на периодические погрешности обработки сферического торца 3.6.1 Гармонический анализ периодических погрешностей обработки Для определения степени влияния собственных частот колебаний элементов конструкции станка на величину ППО, использовали методы математической статистики [52]. Для каждого ролика 7807У из партии 39шт. в результате замеров получили 200 гармонических амплитуд (гармоник) сферического торца. Проанализировали первые 70 гармоник каждого ролика. Замеры гармонической амплитуды (мкм) партии роликов расположили по возрастающей в таблице. Определили средние арифметические значения и среднеквадратические отклонения по каждой из 70-ти гармоник и построили кривые распределения (рис.3.37).

Для определения теоретического закона распределения полученных данных, построили гистограммы распределения гармонических амплитуд (рис.3.38) для шести случайно отобранных роликов из исследуемой партии.

Анализ гистограмм показывает, что теоретический закон распределения для отобранных роликов имеет экспоненциальный (показательный) закон распределения.

Среднее арифметическое отклонение, X ср.

квадратическое отклонение, S Среднее Рис.3.37. Кривые распределения среднего арифметического и квадратичного отклонений где – постоянная положительная величина. Строят для каждого ролика кривую (рис.3.38) распределения, описываемую уравнением (3.75):

Анализ полученных кривых распределения среднего арифметического и квадратичного отклонений показывает, что ряд гармонических частот, «выбивается» из общей массы. Это приводит к появлению «скачков» на кривых распределения. К таким «скачкам» можно отнести гармоники под номерами 5, 18, 20, 24, 29, 35, 43, 52, 64.

Причиной этого могут быть различные возмущающие факторы, возникающие при шлифовании. Их можно разделить на две группы. К 1-й относятся возникающие в процессе резания параметрические и автоколебания. Ко 2-й относятся возмущающие факторы, связанные с неуравновешенностью вращающихся элементов системы ЗИПС: ШК, заготовки, шпинделя и других элементов станка. Это область вынужденных колебаний.

Для обнаружения причин возникновения «скачков» на кривых распределения выполняют расчет частот собственных колебаний деталей станка.

Шпиндельный комплект ШК сферошлифовального станка мод. ВШпредставлен на рис.3.39. На шпинделе установлены планшайба со сборным ШК с одной стороны, и приводной шкив с системой его крепления с противоположной стороны.

Расчет частоты собственных колебаний шпиндельного комплекта ШК производят с применением двух способов: по методике Д.Н. Решетова; с использованием многофункционального программного комплекса конечноэлементных расчетов Ansys.

Определяют частоту собственных колебаний по формуле [89]:

где: Pi - вес отдельных элементов; yi - прогибы сечений.

Шпиндельный комплект ШК заменяют двухопорной двухконсольной балкой с двумя сосредоточенными грузами (рис.3.40). Исходные данные: P Определяют изгибающие моменты. Расчетная схема имеет три силовых