«ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ ТОРЦОВ КОЛЕЦ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ОСЕВОЙ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Орлов Сергей Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ

ТОРЦОВ КОЛЕЦ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ

ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ОСЕВОЙ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ

05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор В. А. Носенко ВОЛГОГРАД –

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………………………………. ГЛАВА 1 Анализ состояния вопроса……………………………………… 1.1 Свойства и области применения стали ШХ15…………………………. 1.2 Требования к геометрическим параметрам торцов колец ……………. 1.3 Особенности шлифования торцов колец подшипников

1.4 Способы устранения отклонений от плоскостности торцов колец шлифованием

1.5 Основные выводы, постановка задач исследования

ГЛАВА 2 Методика проведения исследований………………………….. 2.1 Экспериментальные образцы……………………………………………. 2.2 Абразивный инструмент…………………………………………………. 2.3 Методика определения радиальной Ру и касательной Рz составляющих сил резания………………………………………………..…. 2.4 Методики определения шероховатости, волнистости, отклонения от плоскостности, коэффициента шлифования, прижогов…………………… 2.5 Использование методики ПФЭ типа 2k …………………………………. ГЛАВА 3 Разработка математических моделей осевой упругой деформации при закреплении и шлифовании торцов колец крупногабаритных подшипников и условий обеспечения заданного допуска плоскостности торцов ………………………………. 3.1 Выбор расчетной схемы для определения величины осевых упругих деформаций колец…………

3.2 Математические модели осевой упругой деформации при закреплении и шлифовании торцов колец крупногабаритных подшипников

3.3 Определение контактных деформаций………………………………….. 3.4 Условия обеспечения заданного допуска плоскостности. Управление осевыми упругими деформациями ………………………………………….. 3.5 Математические модели допускаемой величины радиальной составляющей силы резания ………………………

3.6 Выводы

ГЛАВА 4 Разработка математических моделей показателей процесса плоского врезного шлифования стали ШХ15 …………………………... 4.1 План факторного эксперимента типа 24………………………………… 4.2 Влияния режимов обработки и характеристик абразивного инструмента на составляющие силы резания……...………………….……. 4.3 Регрессионные модели составляющих силы резания..………………… 4.4 Регрессионные модели шероховатости обработанной поверхности (параметр Rа) и коэффициента шлифования……………………………….

4.5 Выводы

ГЛАВА 5 Повышение эффективности процесса плоского врезного шлифования торцов колец крупногабаритных подшипников………. 5.1 Алгоритм и методика для определения оптимальных условий шлифования торцов колец крупногабаритных подшипников …………… 5.2 Разработка рекомендаций по повышению эффективности процесса плоского врезного шлифования торцов колец крупногабаритных подшипников…..……………………………………………………………… 5.3 Выводы………………………………………………………………….... Общие выводы

Список литературы

Приложения

Приложение А Акт внедрения в производство……………………………. Приложение Б Акт внедрения в учебный процесс………………………. Приложение В Технические характеристики станка 3Г71………………. Приложение Г Параметры колец…………………………………………..

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Для подшипниковой промышленности шлифование является одним из основных методов обработки, определяющим геометрическую точность деталей подшипников.

Фундаментальные положения теории шлифования материалов изложены в трудах отечественных и зарубежных ученых Глейзера Л. А., Корчака С. Н., Лурье Г. Б., Маслова Е. Н., Михелькевича В. Н., Филимонова Л. Н., Худобина Л. В., Ящерицына П. И., Matsui S., Salhe E., Smith D., Vogt H.R., Werner G., Konig W., Buttery T. C. и др. Теоретические и прикладные вопросы шлифовальной обработки получили развитие в более поздних работах Аршанского А. А., Бабичева А. П., Безъязычного В. Ф., Бишутина С. Г., Бржозовского Б. М., Евсеева Д. Г., Захарова О. В., Зубарева Ю. М., Козлова А. М., Колтунова И. И., Королёва А. В., Кременя З. И., Кузнецова А. М., Мишнаевского Л. Л., Новоселова Ю. К., Романова В. Л., Старкова В. К., Степанова Ю. С., Суслова А. Г. и др.

Однако шлифование колец крупногабаритных подшипников связанно со значительными трудностями. Эти трудности обусловлены сложностью обеспечения 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 для 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.

Акт внедрения приведён в приложении А.

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.

Акт внедрения приведён в приложении Б.

На защиту выносятся:

- условия обеспечения заданного допуска плоскостности торцовой поверхности кольца подшипника, учитывающие осевую 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.

Апробация работы Основные положения работы докладывались и обсуждались на Междунар.

науч.-технич. конф. «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (г. Волжский, 2006 г.); ХХ Междунар. науч.-технич. 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 2011 г.

(кубок и диплом III-ей степени); 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.), расширенный межкафедр. науч. семинар 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.

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

Наиболее распространённые подшипниковые высокоуглеродистые стали в зависимости от условий эксплуатации делят на две группы [1, 2]:

- работающие в обычных условиях (хромистая, хромистая с добавкой молибдена, хромомарганцевокремнистая, хромомарганцевая с добавкой молибдена);

- стали для подшипников, работающих в агрессивных средах и при повышенной температуре (коррозионно-стойкая, теплостойкая).

К первым относятся стали марок ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, ШХ4, ШХ6, ШХ9 и т.д. Ко вторым относятся стали марок 95Х18-Ш, 11Х18М-ШД, ЭИ760, ЭИ347 (8Х4В9Ф2), 8Х4М4ВФ1-Ш, 8DCV40, M50, Z80WDCV6, 80MoCrV4216 и др.

Химический состав сталей должен соответствовать нормам, указанным в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Химический состав сталей [3, 4] Механические и физические свойства, технологические характеристики стали ШХ15 приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Свойства стали ШХ15 (вид поставки – сортовой прокат – ГОСТ 801-78)[3] Состояние поставки, термообработки Отжиг 800 °С, печь до 730 °С, затем до 650 °С со скоростью 10-20 град/ч, воздух Закалка 810 °С, вода до 200 °С, затем масло. Отпуск °С, воздух Обрабатываемость резанием обрабатываемости:

Kv = 0,36 (быстрорежущая Модуль нормальной Теплопроводность,, Вт/(м Удельное электрическое Высокая прочность подшипниковых сталей после термической обработки и стойкость против истирания обуславливается наличием углерода.

Твёрдость внутренних слоёв металла зависит от глубины прокаливаемости, на которую оказывает влияние количественное содержание хрома. Увеличение прокаливаемости стали, характеризуется отрезком времени превращения аустенита в перлит, а наличие хрома замедляет этот процесс. Поэтому, для изготовления более крупных деталей подшипников, необходимо применять сталь с большим содержание хрома (0,4-1,65%).

Износостойкость стали, повышается за счет высокой твердости карбидов хрома. Так же хром уменьшает, склонность стали к перегреву, и придаёт ей мелкозернистую структуру. Но при высоком содержании хрома (>1,65 %) трудно получить однородную структуру, поэтому содержание хрома в шарикоподшипниковых сталях обычно не превышает 1,65 %.

Наряду с тем, что марганец, как и хром, увеличивают сопротивляемость стали истиранию и твёрдость, одновременно они способствуют росту зерна при нагреве, в результате чего при термической обработке может образовываться крупнозернистая структура перегретой стали. Кремний оказывает отрицательное влияние на вязкость подшипниковой стали. Кремний и марганец являются раскислителями, поэтому чем выше их содержание, тем полнее раскислена сталь, наряду с этим их количество в подшипниковой стали всех марок должно быть не более 0,35%Si и 0,4% Mn. Повышенное содержание марганца и кремния для изготовления деталей крупных подшипников из ШХ15СГ объясняется тем, что эти элементы уменьшают критическую скорость закалки, снижая тем самым склонность стали к короблению и трещинообразованию [1, 2].

Фосфор, медь и никель являются вредными примесями для подшипниковой стали. За счет образования крупнозернистой структуры при нагреве фосфор повышает хрупкость и уменьшает прочность на изгиб, что в свою очередь, увеличивает чувствительность стали к динамическим нагрузкам и склонность изделий к появлению закалочных трещин. Образование при горячей механической обработке поверхностных трещин и надрывов характеризуются повышенным содержанием меди, хотя она и увеличивает твёрдость, предел прочности и прокаливаемость, ее наличие как примеси является нежелательным. Содержание никеля ограничивают в связи с тем, что его присутствие снижает твёрдость стали.

Не однозначное влияние на подшипниковую сталь оказывает наличие серы.

Вокруг сульфидных включений образуется сульфидная оболочка, которая уменьшает влияние этих включений на концентрацию напряжений и вследствие этого повышает сопротивление усталости. При выходе на рабочую поверхность сульфидов снижается устойчивость против истирания и усталостного разрушения. С увеличением отношения концентраций S/O до 3-5 стойкость подшипников возрастает. Этому способствует и улучшение качества поверхности вследствие того, что сера улучшает обрабатываемость стали [1, 2].

Детали подшипников (кольца, шарики, ролики) в процессе эксплуатации подвергаются воздействию больших удельных переменных нагрузок. Для их изготовления используют подшипниковую сталь, которая должна обладать высокой прочностью, износостойкостью, пределом выносливости. Вследствие особенностей работы, к подшипниковым сталям предъявляют строгие требования по содержанию неметаллических включений (сульфидных, оксидных), макро- и микрополостей, ликвации, размеру и расположению карбидных включений [1, 2].

Как правило, подшипники качения работают при малых динамических нагрузках, что позволяет использовать для их изготовления более хрупкие высокоуглеродистые стали после сквозной закалки и низкого отпуска. При работе подшипников в условиях, при которых от них требуется повышенная динамическая прочность, применяют цементируемые стали или высокоотпущенные стали с поверхностной закалкой.

Основная нагрузка, воспринимаемая подшипником качения, передаётся через тела качения – шарики или ролики, разделённые сепаратором. В области контакта кольца и тел качения возникают контактные напряжения, вызывающие локальные деформации, которые являются причиной образования контактных площадок, имеющих в общем случае форму эллипса, в частных случаях – это полоска или круг. Давления на контактной площадке, испытываемые деталями подшипника при работе, очень велики и доходят обычно до 200 МПа, а у тяжелонагруженных подшипников – до 4000 МПа.

Выбор стали для конкретного подшипника, диктуется его размерами и условиями эксплуатации.

Из хромистой и хромомарганцевокремнистой сталей изготовляют подшипники, работающие в интервале температур 60...300 °С. Эксплуатация подшипников при температуре, превышающей 100 °С, требует специальной термической обработки деталей, обеспечивающей стабильность размеров, но сопровождающейся снижением твёрдости, а также сопротивления контактной усталости стали.

Использование в промышленности стали ШХ15: шарики диаметром до мм, ролики диаметром до 23 мм, кольца подшипников, втулки плунжеров, плунжеры, нагнетательные клапаны, корпуса распылителей, ролики толкателей, иглы распылителей форсунок, обратных клапанов и подушек впрыскивающих систем, валиков топливных насосов, осей различных рычагов и другие детали, от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность [3].

Качество заготовок оказывает очень большое влияние на свойства готовых изделий. Технические требования к качественным показателям сортового проката из сталей типа ШХ15 и ШХ15СГ, нормы и методы контроля основных свойств их указаны в ГОСТ 801-78 [4], ГОСТ 2590-2006 [5], ГОСТ 2591-2006 [6].

1.2 Требования к геометрическим параметрам торцов колец подшипников В современной промышленности широкое применение нашли детали класса колец, необходимые для изготовления подшипников качения. Качество подшипников определяется во многом качеством элементов, из которых они собраны.

Важнейшей составляющей качества является точность изготовления.

Подшипники качения являются основным видом опор вращающихся и качающихся деталей машин и механизмов различного целевого назначения [7].

Подшипники качения состоят из двух колец — внутреннего 1 и наружного 3, имеющих дорожки качения, тел качения 2 (шариков, роликов или иголок) и сепаратора 4, разделяющего тела качения (рисунок 1.1 а). В зависимости от формы тел качения различают подшипники шариковые (рисунок 1.1 а, б, ж, и) и роликовые (рисунок 1.1 в, г, е, з, к). Разновидностью роликовых подшипников являются игольчатые подшипники (рисунок 1.1 д).

Рисунок 1.1 - Подшипники качения: а, б, в, г, д, е - радиальные подшипники; ж, з - радиальноупорные подшипники; и, к - упорные подшипники; 1 - внутреннее кольцо; 2 - тело качения;

Основными элементами подшипников качения являются тела качения - шарики или ролики, установленные между кольцами и удерживаемые сепаратором на определенном расстоянии друг от друга.

Роликовые тела качения бывают: короткие при отношении длины к диаметру l/d = 1…1,25, длинные при l/d = 2…2,5, игольчатые при l/d = 10…20.

Размеры подшипника - внутренний d и наружный D диаметры, ширина B (высота H) и радиусы r фасок колец - установлены ГОСТ 3478-79. Подшипники качения в диапазоне внутренних диаметров 3…10 мм стандартизованы через мм, до 20 мм – через 2…3 мм, до 110 мм – через 5 мм.

Материалы подшипников качения назначаются с учётом высоких требований к твёрдости и износостойкости колец и тел качения. Здесь используются подшипниковые высокоуглеродистые хромистые стали ШХ15 и ШХ15СГ, а также цементируемые легированные стали 18ХГТ и 20Х2Н4А. Твёрдость колец и роликов обычно HRC 60...65, а у шариков немного больше – HRC 62... 66, поскольку площадка контактного давления у шарика меньше. Сепараторы изготавливают из мягких углеродистых сталей либо из антифрикционных бронз для высокоскоростных подшипников. Широко внедряются сепараторы из дюралюминия, металлокерамики, текстолита, пластмасс. Сепараторы высокоскоростных подшипников называют массивными и выполняют из текстолита, фторопласта, латуни, бронзы с предпочтительным центрированием их по наружному кольцу.

Для обеспечения нормальной и долговечной работы подшипников качения к качеству их изготовления и термической обработке тел качения и колец предъявляют высокие требования.

Подшипники качения в отличие от подшипников скольжения стандартизованы. Подшипники качения различных конструкций (диапазон наружных диаметров 1,0 - 2600 мм, масса 0,5 - 3,5 т) изготовляют на специализированных подшипниковых заводах. Подшипники качения с наружным диаметром 200 мм относят к крупногабаритным; с наружным диаметром 500 мм – к сверхкрупногабаритным.

Подшипники качения классифицируют по направлению воспринимаемой нагрузки, в соответствии с ГОСТ3395-83 - радиальные, радиально-упорные, упорно-радиальные и упорные.

Радиальные подшипники (см. рисунок 1.1 а-е) воспринимают (в основном) радиальную нагрузку, то есть нагрузку, направленную перпендикулярно к геометрической оси вала. Упорные подшипники (см. рисунок 1.1 и, к) воспринимают только осевую нагрузку. Радиально-упорные (см. рисунок 1.1 ж, з) и упорнорадиальные подшипники могут одновременно воспринимать как радиальную, так и осевую нагрузку. При этом упорно-радиальные подшипники предназначены для преобладающей осевой нагрузки.

По форме тел качения подшипники делят на шариковые (см. рисунок 1.1 а, б, ж, и), с цилиндрическими роликами (см. рисунок 1.1 в), с коническими роликами (см. рисунок 1.1 з, к), игольчатые (см. рисунок 1.1 д), с витыми роликами (см. рисунок 1.1 е), с бочкообразными роликами (сферическими) (см. рисунок 1. г). Тела качения игольчатых подшипников тонкие ролики — иглы диаметром 1,6 мм. Длина игл в 5-10 раз больше их диаметра. Сепараторы в игольчатых подшипниках отсутствуют.

По числу рядов тел качения различают однорядные (см. рисунок 1.1 а, в, дк) (имеющие основное применение), двухрядные (см. рисунок 1.1 б, г), четырехрядные, многорядные подшипники качения.

По конструктивным и эксплуатационным признакам подшипники делят на самоустанавливающиеся (тип 1000 – шариковые; тип 3000 – роликовые) (см. рисунок 1.1 б, г) ), допускающие перекос валов на опорах до 2 - 3°, и несамоустанавливающиеся (все шарико- и роликоподшипники, кроме сферических) (см. рисунок 1.1 а, в, д-к).

По способу изготовления сепараторов различают подшипники со штампованными и литыми сепараторами.

По конструктивным особенностям (с контактным уплотнением, с защитной шайбой, с фланцем на наружном кольце и т.д.).

В зависимости от требований по уровню вибрации, шума и других дополнительных требований установлено три категории подшипников качения: A (самая высокая), B и C. Также введены дополнительные ряды радиальных зазоров и ряды моментов трения.

В зависимости от соотношения радиальных габаритных размеров наружного D и внутреннего d диаметров подшипники делят на серии (7 серий, при d const, D - var): сверхлегкую, особо легкую, легкую, среднюю, тяжелую, легкую широкую, среднюю широкую. Основное распространение имеют легкие и средние узкие серии. По ширине В выделяют серии (5 серий, при d и D - const, B - var):

особо узкие, узкие, нормальные, широкие и особо широкие.

Точность подшипников качения определяется: точностью основных размеров; точностью вращения. Точность основных размеров определяется отклонениями размеров внутреннего и наружного диаметров и ширины кольца. Отклонения размеров диаметров определяет характер посадки.

Точность вращения характеризуется радиальным и боковым биением дорожки качения. По классам точности подшипники различают (по ГОСТ 520нормального класса (радиальное биение внутреннего кольца 20 мкм); – повышенной точности (радиальное биение внутреннего кольца 10 мкм); 5 – высокой точности (радиальное биение внутреннего кольца 5 мкм); 4 – особовысокой точности (радиальное биение внутреннего кольца 3 мкм); 2 – сверхвысокой точности (радиальное биение внутреннего кольца 2,5 мкм); 8 и 7 – грубые ниже 0; 6Х – только для роликовых конических подшипников.

Шариковые подшипники — применяют при небольших нагрузках и малых диаметрах валов, а при больших нагрузках и больших диаметрах валов - роликоподшипники. В тяжелом машиностроении широко используют роликовые подшипники как наиболее грузоподъёмные. Около 40% производства всех роликовых подшипников приходится на конические подшипники.

Конические роликоподшипники (см. рисунок 1.1 з) находят применение в узлах, где действуют одновременно радиальные и односторонние осевые нагрузки. Эти подшипники могут воспринимать также и ударные нагрузки. Радиальная грузоподъемность их в среднем почти в 2 раза выше, чем у радиальных однорядных шарикоподшипников. При чисто радиальной нагрузке в подшипнике возникает осевая составляющая, которую компенсируют осевой нагрузкой противоположного направления: поэтому для фиксации вала в обе стороны подшипники устанавливают попарно. Подшипники допускают регулирование радиального зазора; перекос вала относительно оси конуса недопустим. Их рекомендуется устанавливать при средних и низких угловых скоростях вала (до 15 м/с).

Наиболее распространены крупногабаритные подшипники роликовые конические. Конструктивные особенности окончательно обработанных наружных колец наиболее применяемых серий конических роликовых подшипников представлены на рисунке 1.2: а – однорядные легкой, средней и повышенной грузоа в Рисунок 1.2 - Конструктивные разновидности и размерные параметры наружных подъёмности, в том числе с углом контакта > 20° (ГОСТ 333-79, ГОСТ 27365б и в – разновидности однорядных роликовых подшипников соответственно с углом менее и более 20°; г и д – двухрядные соответственно без смазочного и со смазочным каналом; е – однорядные с однобортовым наружным кольцом и пружиной; ж – двухрядные с упорным бортом на наружном кольце; з – однорядные повышенной грузоподъёмности с упорным бортом на наружном кольце. Условные обозначения размеров подшипника даны по ГОСТ Р 52859-2007.

Одним из параметров, определяющих обрабатываемость заготовок колец на операциях резания, является коэффициент радиальной жёсткости kr, рассчитываемый по размерам готовых колец, как отношение наружного диаметра D к условной средней ширине стенки наружного кольца S [8]:

Для наружных колец (рисунок 1.2 а, б, в, з) условную среднюю ширину кольца рассчитывают по формуле:

для наружных колец (рисунок 1.2 г, д, ж):

С учетом условной радиальной жесткости наружные кольца с коническими отверстиями делят на три группы:

толстостенные или нормальной жесткости, kr 15;

пониженной жесткости, 15< kr 18;

тонкостенные или низкой жесткости, kr >18.

Например, у наружных колец конических роликоподшипников с наружным диаметром D от 60 до 250 мм и углами конуса от 10° до 30° kr находится в пределах от 9,6 до 23,4.

К кольцам малой осевой жесткости относят кольца с отношением высоты кольца к толщине стенки С/S 5 [8].

Торцы деталей почти всех классов в машиностроении являются технологической базой для обработки поверхностей.

Для деталей класса колец торцы служат ещё измерительной и конструкторской базами. Совмещение трёх баз - технологической, измерительной и конструкторской – обеспечивает высокую точность обработки всех поверхностей колец и их взаимного расположения в подшипниках качения. В этой связи предъявляются жёсткие требования к точности и качеству этих поверхностей при обработке; для колец подшипников качения эти требования изложены в ГОСТ 520-2002 [9].

Так, для внутренних колец радиальных, радиально-упорных и упорных подшипников качения всех классов точности в таблицах 4, 8, 10, 12, 14 [9] приводятся допуски на параметр непостоянства ширины (непараллельности). Эти же допуски распространяются на торцы наружных колец независимо от их радиальной и осевой жёсткости.

Точность таких параметров торцов колец, как конусность, отклонение от плоскостности, изогнутость данным государственным стандартом не регламентируются. Эти параметры устанавливаются стандартами предприятийизготовителей подшипников качения (СТП). Допуски на такие параметры, как конусность, отклонение от плоскостности торцов колец СТП устанавливаются в пределах 50% допуска на непостоянство ширины; при этом изогнутость торцов колец не допускается.

Требования к шероховатости поверхностей торцов приводятся в таблице 1. ГОСТ 520-2002 [9], а по разрядам и классам - в таблице 6 ГОСТ 2789-73 [10].

Таблица 1.3 - Шероховатость торцов колец Ra Рекомендуемые (РТМ 37.006.208-78. Контрольно- измерительные приборы для деталей и собранных подшипников. Специнформцентр ВНИПП. М.: 1978. c.) схемы измерений отклонений от плоскостности и изогнутости торцов колец приводятся на рисунке 1.3 а, б.

Рисунок 1.3 - Схемы измерений: а – изогнутости торцов; б – изогнутости и отклонений от плоскостности торцов. 1 – измерительная плита; 2 – упоры торцевые; 3 – упоры боковые Базирование колец может производиться на измерительных плитах или на трёх торцевых упорах. При этом наконечник измерительной головки устанавливается в середине торца с наибольшей площадью. Размах стрелки измерительной головки при полном обороте кольца вокруг своей оси даёт истинные значения отклонения параметров; при вращении вокруг своей оси кольцо удерживается от смещения боковыми упорами.

При закалке тонкостенных колец с несимметричным по высоте поперечным сечением (см. рисунок 1.2 а, б, в, е, ж, з) в свободном состоянии изогнутость торцов приобретает форму чаши с двумя внутрь отогнутыми краями, измерение изогнутости таких колец возможно только на торцевых упорах (рисунок 1.3 б). При измерении конусности кольцо перемещается на измерительной плите параллельно одной диаметральной оси, при этом базирование кольца на плитах производится торцом с наименьшей площадью.

Технология, методики и средства измерений отклонений формы и расположения поверхностей, шероховатости и волнистости описаны в [11-14].

1.3 Особенности шлифования торцов колец подшипников Для подшипниковой промышленности шлифование является одним из основных методов обработки, определяющим геометрическую точность деталей подшипников. Пути повышения геометрической и размерной точности шлифования подшипников качения определены в многочисленных российских и зарубежных исследованиях, например [15-39].

Однако изготовление крупногабаритных подшипников, применение которых в различных отраслях машиностроения постоянно расширяется, связанно со значительными трудностями.

Эти трудности обусловлены сложностью обеспечения геометрической и размерной точности колец, имеющих начальные отклонения от плоскостности базовых торцов, образовавшиеся 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 неплоскостности обработанному торцу.

Различные технологические приемы, использующиеся для устранения отклонений от плоскостности торцов колец крупногабаритных подшипников, существенно увеличивает время обработки и стоимость операции [15, 44 - 47].

Отклонение от плоскостности, изогнутость заготовок колец перед шлифованием определяется в основном деформацией при закалке под влиянием тепловых и структурных напряжений [48 - 51].

В [48] установлено, что величина отклонения от плоскостности после операции термической обработки существенно зависит от отношения наружного диаметра D к ширине C, характеризующего жесткость колец (рисунок 1.4).

Максимальная величина отклонения от плоскостности изменяется от 80 до Рисунок 1.4 - Отклонение от плоскостности базовых торцов после термообработки в зависимости от отношения наружного диаметра кольца D к его ширине C:

200 мкм при увеличении отношения D/C от 10 до 24.

В [48] исследовались в основном кольца подшипников с D 250 мм. Для колец крупногабаритных подшипников с D > 250 мм величины отклонения от плоскостности возрастают.

Отклонение от плоскостности, изогнутость заготовок колец перед шлифованием определяется деформацией при закалке под влиянием тепловых и структурных напряжений.

Тепловые напряжения возникают вследствие неоднородного нагрева и охлаждения колец по сечению.

Структурные напряжения появляются в зависимости от изменений объема в различных частях колец при неодновременном протекании процессов превращения.

С учетом основных причин деформации заготовок колец в [48, 49] исследованы способы уменьшения отклонений от плоскостности торцов заготовок колец при термообработке:

• варьирование технологическими факторами существующей технологии термической обработки колец;

• использование ступенчатой и изотермической закалок;

• применение закалки в вакууме;

• закалка в штампах.

При закалке заготовок колец подшипников в конвейерных агрегатах СКЗА с пульсирующим подом в воздушной или защитной атмосфере фактическая величина отклонения от плоскостности колец с наружным диаметром 50 - 150 мм после термообработки колеблется в пределах 0,07-0,5 мм, а иногда достигает 0,8 мм.

Отклонение от плоскостности колец может быть уменьшено, по крайней мере, на 10 - 20% при укладке деталей в один слой за счет повышения однородности нагрева и исключения деформации от веса детали в горячем состоянии. При увеличении температуры закалочного масла до 70 - 90оС отклонениие от плоскостности кольцевых деталей с наружным диаметром 70 мм уменьшается на 0,05-0,08 мм в связи с понижением градиента температур.

Для колец с наружным диаметром свыше 70 мм целесообразно производить направленное охлаждение, причем для уменьшения отклонений от плоскостности детали должны вводиться в масло движением вдоль диаметра. В целях повышения закаливающей способности часто применяют перемешивание жидкостей.

Одним из эффективных способов снижения деформации является замедление охлаждения при мартенситном превращении, что достигается применением ступенчатой и изотермической закалок. По данным [48, 49] отклонение от плоскостности колец с наружным диаметром 100 мм при изотермической закалке уменьшается на 30-40%.

Закалка в вакууме является в настоящее время одним из самых перспективных способов термообработки, получающим широкое распространение в мировой практике взамен обработки в печах с воздушной и контролируемой атмосферой.

Обработка в вакууме, характеризуется равномерным нагревом изделий от излучения графитовых нагревателей, расположенных по всей окружности рабочей камеры, отсутствием перемещения деталей в процессе нагрева и охлаждения, возможностью применения менее резких охлаждающих средств, что приводит к уменьшению отклонения от плоскостности деталей.

Для колец малой жесткости применяется термообработка с различными зажимными устройствами [48, 49]. Наиболее простым способом подобной термообработки является сочетание обычной закалки с отпуском колец под нагрузкой в специальных зажимных устройствах - дисках. В этом случае отклонение от плоскостности деталей может быть снижено на 10-15% в сравнении с обычной термообработкой.

Варьирование технологическими факторами (способ укладки, температура масла и закалки и т.д.) при существующей технологии термической обработки в конвейерных печах с воздушной или защитной атмосферой не снижает величины деформации при термической обработке. Поэтому существующая технология термической обработки может быть рекомендована только для достаточно жестких деталей с D/C 10, когда погрешность формы колец после термообработки в меньшей мере сказывается на деформации деталей при шлифовании [48-50].

Для колец малой жесткости с D/C 10, и особенно, если D/C 15, наиболее приемлемым способом термообработки является вакуумная закалка [48-50].

При вакуумной закалке практически не изменяется величина исходной погрешности базовых поверхностей, что значительно уменьшает деформацию колец при шлифовании в осевом направлении.

При отсутствии оборудовании для закалки в вакууме деталей с D/C 10, и особенно, если D/C 15, рекомендуется технология термообработки с закалкой в штампах, позволяющая уменьшить в сравнении с обычной закалкой величину отклонений плоскостности торцов и среднее изменение диаметральных размеров [48]. Но полностью устранить отклонение от плоскостности торцов колец после закалки не удаётся Фактически перед термообработкой кольца имеют некоторое исходное отклонение от плоскостности, влияющее на геометрические параметры торцов. Однако степень этого влияния мала, так как величина отклонения от плоскостности после токарной обработки, как правило, не превышает 5-10% величины отклонения от плоскостности торцов после термообработки [48].

По результатам исследований различных способов закалки можно сделать вывод о невозможности полностью исключить отклонение от плоскостности торцов колец после закалки.

В зависимости от применяемых методов термообработки (закалки и отпуска), кольца приобретают изогнутость различного характера:

- систематическую (кратную числу упоров в штампах) при термообработке в штампах;

- неопределённую – при термообработке с вращением кольца в свободном состоянии или укладке одним из торцов на под печи.

Наличие отклонения от плоскостности базовых торцов заготовок колец является предпосылкой упругой деформации колец в осевом направлении при закреплении заготовки кольца магнитным полем стола и шлифовании торцов.

Шлифование торцов крупногабаритных колец на станках с круглым магнитным столом в зависимости от их диаметральных размеров осуществляют одним из двух методов - с поперечной подачей круга и врезанием [52, 53, 54].

Схемы обработки представлены на рисунке 1.5:

- с поперечной подачей шлифовального круга для группы колец с рядовой укладкой на магнитный стол (рисунок 1.5 а);

- с поперечной подачей при высоте круга меньше ширины торца кольца Bk< Bд (рисунок 1.5 б);

- торцом круга с рядовой укладкой (рисунок 1.5 в);

- врезанием при высоте круга большей ширины торца кольца - Bk >Bд (рисунок 1.5 г).

При обработке торцов колец с рядовой укладкой их на магнитный стол и поперечной подачей шлифовального круга последний испытывает неравномерные ударные нагрузки, вызываемые прерывистостью обрабатываемых поверхностей.

Это приводит к неравномерному износу рабочей поверхности круга, снижению стойкости, к увеличению количества правок для восстановления геометрии круга.

При этом точность и прямолинейность обработанной поверхности торца полностью зависят от состояния шпиндельной группы. Поверхность торцов может приобретать выпуклость с изменением шероховатости.

Эта схема обработки рекомендуется для предварительного (чернового) шлифования. Обработанные по этой схеме торцы требуют доработки для обеспечения точностных параметров по техническим условиям, используя схемы обработки (рисунок 1.5 б, в).

Обработка торцов колец с рядовой укладкой их на магнитный стол станка торцом шлифовального круга (см. рисунок 1.5 в) используется как для предварительного (чернового), так и для окончательного шлифования.

Особенности шлифования заготовок колец крупногабаритных подшипников, имеющих начальные отклонений от плоскостности связаны со сложностью обеспечения требуемой геометрической точности, что в свою очередь, обусловлено необходимостью учета осевых упругих деформаций колец в процессе шлифования от усилий резания и зажима колец.

Влияние упругих деформаций на процесс шлифования рассматривается в работах [16-19, 44-48, 55-68].

Фундаментальные исследования влияния упругих деформаций на точность при шлифовании колец подшипников приведены в работах Корсакова В. С., например [58]. Рассматриваются математические модели радиальных упругих деформаций колец с учётом действия усилий зажима и сил резания.

В работе В. И. Васина [48] рассмотрена методика учёта осевой упругой деформации при бесцентровом шлифовании одновременно двух торцов заготовки кольца.

Форма базовых торцов заготовок колец представлена синусоидой с амплитудой, равной половине величины отклонения от плоскостности, а величина отклонения от плоскостности мала по сравнению с шириной кольца С.

Для определения величины осевой упругой деформации кольцо представляется круглой тонкой пластинкой толщиной С, с наружным диаметром D и центральным отверстием диаметром d, расположенной на узкой опоре шириной s (рисунок 1.6).

Деформация w кольца определена как прогиб свободного края пластины, нагруженной осевой нагрузкой Р, равномерно распределенной по торцу с интенсивностью q.

Рисунок 1.6 - Расчётная схема для определения осевой упругой Согласно полученной математической модели, осевая упругая деформация w кольца зависит от размеров детали, усилия шлифования или зажима, действующих в осевом направлении, и ширины s контакта кольца по торцу с опорной поверхностью. Ширина контакта кольца определяется главным образом величиной отклонения от плоскостности и размерами кольца. Например, при бесцентровом шлифовании одновременно двух торцов [48]:

где to– глубина шлифования.

При обработке кольцевых деталей (шлифовании или доводке) с отклонениями от плоскостности, в пределах 0,05-0,2 мм, величину s для расчета деформации w принимают равной C/2.

Полученная модель для w справедлива только для синусоидального характера отклонения от плоскостности и величин отклонений от плоскостности порядка 0,03 мм и выше. При уменьшении величины или нарушении синусоидального характера формы торцов ширина контакта увеличивается, приближаясь к значению D, а деформация тем самым уменьшается, приближаясь к нулю. Упругая деформация деталей при любых значениях усилий шлифования или зажима возможна только при отклонении от плоскостности базовых торцов, причем величина деформации в осевом направлении не может превышать величину отклонения от плоскостности. Таким образом, понятие жесткости колец в осевом направлении при шлифовании имеет смысл только при отклонении от плоскостности торцов [48].

С использованием полученной модели в [48] определяется необходимое число проходов при бесцентровом двухстороннем шлифовании торцов колец.

На рисунке 1.7 представлена динамика изменения исходного отклонения от плоскостности торцов по мере снятия припуска за каждый проход 40 мкм при бесцентровом двухстороннем шлифовании торцов колец различной жесткости [48].

Величина деформации w оценивалась как разность между фактическим съемом припуска (уменьшение исходного отклонения от плоскостности) и глубиной шлифования to. Согласно рисунку 1.7 при обработке колец с отклонением от плоскостности = 0,5 мкм или достаточно жестких колец (D/C = 8) фактическое уменьшение исходного отклонения от плоскостности по проходам равно глубине шлифования to, что свидетельствует об отсутствии осевой упругой деформации деталей. В то же время из-за осевой упругой деформации при обработке колец с малой жесткостью (D/C = 20) уменьшение исходного отклонения от плоскостности в начальный этап шлифования происходит на величину, меньшую, чем глубина шлифования.

Отмечается, что при синусоидальной форме отклонения от плоскостности торцов при последующей обработке (доводке торцов, шлифовании желобов с базой по торцам) всегда остается предпосылка упругой деформации в осевом направлении. При отсутствии синусоидальной формы отклонения от плоскостности при последующих операциях деформация кольца отсутствует.

Для исправления исходного отклонения от плоскостности и получения требуемой точности число проходов n должно быть равно: n = n1 + n2, где n1 – необходимое число проходов для исправления исходного отклонения от плоскостности; n2 – количество чистовых проходов, выбираемых согласно требуемой точности.

Рисунок 1.7 - Изменение отклонения от плоскостности торцов по проходам при шлифовании колец с различными жесткостью D/C и исходным отклонением от плоскостности :

С учетом возможной деформации деталей:

Считается, что на первом этапе величина деформации w не изменяется по проходам. Степень влияния величины упругой деформации w на количество проходов n1 определяется жесткостью колец и режимами шлифования, влияющими на силу резания.

Эта методика учета осевых упругих деформаций при шлифовании торцов подшипников разрабатывалась для бесцентрового шлифования колец с D < мм малой жёсткости и использует упрощённую расчетную схему для определения осевых упругих деформаций. Использование в расчётной схеме модели тонкой пластинки ограничивает её применимость соответствующими теории тонких пластин соотношениями размеров колец.

В работах Колтунова И. И. [16-19] рассматривается математическое моделирование погрешностей формы при шлифовании внутренних криволинейных поверхностей колец подшипников с учётом действия сил закрепления, резания и деформаций. Для расчётов используется метод конечных элементов. Рассматриваются схемы шлифования: внутреннее патронное, бесцентровое методом поперечной подачи на роликах, бесцентровое на жестких опорах, каждая из которых отличается моделью станка, номенклатурой приспособлений, формой абразивного круга, режимами резания, а следовательно и погрешностью обработки. Разработанные модели могут быть использованы для сравнительной оценки погрешности обработки внутренних поверхностей наружных колец подшипников в зависимости от свойств элементов технологической системы на этапе проектирования операции шлифования.

Предпосылкой осевых упругих деформаций является начальное отклонение от плоскостности торцов колец. Величина осевой упругой деформации кольца зависит от жесткости поперечного сечения кольца при изгибе, способа приложения и величин усилий резания и закрепления заготовки кольца.

Влияние различных факторов на величину составляющих силы резания при шлифовании рассматривается в работах [69-83]. Модели в этих исследованиях разработаны методами планирования эксперимента.

Для решения задачи определения оптимальных параметров шлифования колец крупногабаритных подшипников, обеспечивающих выполнение требований к качеству обработанной поверхности (отсутствие шлифовочных прижогов, заданные значения шероховатости и допуска плоскостности) при максимальной производительности процесса необходимо учитывать осевые упругие деформации кольца.

Исследования по оптимизации процесса плоского шлифования с обеспечением требуемого качества обработанной поверхности, методы решения задач рассматриваются в работах [82-93]. В работах [23, 90] рассматривается оптимизация процесса плоского шлифования с обеспечением параметра шероховатости обработанной поверхности Ra = 1, 25 – 2,5 мкм без выхаживания.

1.4 Способы устранения отклонений от плоскостности торцов колец Наличие начального отклонения от плоскостности торцов заготовок колец, образовавшегося в результате термообработки или предшествующих операций механической обработки, существенно усложняет процесс шлифования, поскольку под действием магнитного поля стола станка и силы резания кольцо получает осевую упругую деформацию. После шлифования и снятия магнитного поля упругая деформация возвращают определённую величину отклонения от плоскостности обработанному торцу.

Различные технологические приемы, использующиеся для обеспечения требуемого допуска плоскостности торцов колец крупногабаритных подшипников, существенно увеличивают время обработки и стоимость операции.

Для обеспечения требуемого допуска плоскостности торцов колец при шлифовании прибегают к разным технологическим приёмам [15, 94-96]:

- снимают небольшие одинаковые припуски с разных торцов, неоднократно переворачивая кольца то на одну, то на другую стороны до получения необходимых геометрических параметров кольца;

- уменьшают силу магнитного притяжения стола станка и производят последовательное шлифование торцов с величинами поперечных подач в зависимости от опыта станочника;

- смазывают поверхности торцов заготовок колец тонким слоем вязкого масла и производят последовательное шлифование торцов без закрепления магнитным полем стола, заготовки колец в данном случае удерживаются на столе силами молекулярного сцепления;

- производят последовательное шлифование торцов с величинами поперечных подач в зависимости от опыта станочника с закреплением деталей минимальной силой магнитного притяжения и применением для этого упоров в виде планок или специальных упоров для фиксирования колец [97];

- производят последовательное шлифование торцов деталей с комбинацией приведённых выше приёмов.

В [98] рекомендован способ, при котором перед шлифованием торцов, кольцо предварительно проверяют на приборе, и участки с отклонением от плоскостности более 0,1 мм отмечаются мелом или кислотой с указанием фактического отклонения. После чего кольцо устанавливается на магнитном столе станка.

Под отмеченные участки в зазоры между торцом кольца и поверхностью магнитного стола кладут прокладки из битумированной или парафинированной бумаги необходимой толщины, закрепляют кольцо магнитным полем стола и производят последовательное шлифование сначала одного, а затем второго торца. При этом дополнительно увеличиваются непроизводительные потери времени на сортировку и маркировку колец по величинам отклонения от плоскостности торцов, а применение прокладок из материалов, не обладающих упругими свойствами, приводит к их смятию при закреплении колец магнитным полем стола и радиальной составляющей силы резания, к увеличению и без того большого количества переустановок.

В [94] рекомендуется в зазоры, образованные изогнутостью между торцом кольца и поверхностью магнитного стола станка, вводить специальные стальные компенсаторы. Однако внутренние напряжения в заготовке кольца от воздействия на него магнитного поля стола полностью не исключены и для обеспечения требуемого допуска плоскостности торцов заготовки кольца требуются дополнительные доводочные операции, что снижает производительность обработки колец [96].

Для обеспечения допуска плоскостности торцов колец используется выхаживание, при этом основное время обработки торцов, как показывает практика, возрастает в среднем на 40% [99].

В результате анализа научно-технической литературы, патентного обзора по способам устранения отклонения от плоскостности торцов колец подшипников шлифованием автором получен патент 2370354 РФ, МПК В 24 В 7/04 [96].

Техническим результатом изобретения являются:

- исключение воздействия магнитного поля стола станка на создание деформаций в кольцах, что повышает точность окончательно обработанных колец;

- определение оптимальной величины радиальной составляющей силы резания первого торца из условия ограничения прогиба величиной допуска плоскостности окончательно обработанного торца по техническим условиям, что сокращает затраты времени на подготовку производства и повышает точность окончательно обработанных колец;

- определение способа фиксирования колец на магнитном столе станка при шлифовании первого торца, обеспечивающего надежное закрепление кольца на всех режимах и для всех возможных размеров колец.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе устранения отклонений от плоскостности торцов деталей класса колец шлифованием на станках с круглым магнитным столом, при котором на магнитный стол устанавливают кольцо, выставляют его по индикатору путем вращения с магнитным столом относительно его оси, осуществляют фиксирование кольца на магнитном столе, при этом шлифование колец осуществляют периферией круга методом врезания, а шлифование первого торца кольца ведут без закрепления кольца магнитным полем, шлифование второго торца осуществляют с закреплением кольца магнитным полем стола на нормативных режимах, фиксирование кольца на магнитном столе осуществляют клиновым запорным и противосдвиговым устройством, не создающим в обрабатываемых кольцах деформаций и внутренних напряжений усилиями зажима, а шлифование первого торца ведут на режимах, с величиной радиальной составляющей силы резания, определяемой из условия равенства допускаемого прогиба, величине допуска плоскостности окончательно обработанного торца по техническим условиям.

Представленный анализ научной литературы позволяет сделать следующие выводы:

1. Исследованию особенностей шлифования колец крупногабаритных подшипников посвящено много работ. Анализ литературных источников показал, что учет осевых упругих деформаций при шлифовании торцов колец крупногабаритных подшипников является актуальной задачей.

2. Отклонение от плоскостности торцов колец является результатом остаточных деформаций при их термической обработке. В зависимости от применяемых методов термообработки (закалки и отпуска), кольца приобретают изогнутость торца различного характера:

- систематическую - при термообработке в штампах;

- неопределённую – при термообработке с вращением кольца в свободном состоянии или укладке одним из торцов на под печи.

3. Величина отклонения от плоскостности после термообработки увеличивается с ростом отношения наружного диаметра D к ширине кольца C.

4. Проанализированы способы уменьшения величины начальных отклонений от плоскостности колец перед шлифованием с учетом основных причин деформации:

варьирование технологическими факторами существующей технологии термической обработки колец;

использование ступенчатой и изотермической закалок;

применение закалки в вакууме;

Отмечается, что полностью исключить отклонения от плоскостности торцов колец после закалки не удается.

5. Имеющаяся методика учета осевых упругих деформаций при шлифовании торцов колец подшипников разрабатывалась для бесцентрового шлифования колец с D < 200 мм малой жёсткости и использует упрощённую расчетную схему для определения осевых упругих деформаций.

В методике не предполагается управление осевой упругой деформацией, она учитывается для уточнения необходимого числа проходов при шлифовании торцов колец.

6. Получен патент 2370354 РФ, МПК В 24 В 7/04 на способ получения заданного допуска плоскостности торцов колец шлифованием.

7. При шлифовании колец крупногабаритных подшипников необходимо учитывать осевые 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 торцов 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 для 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 из стали ШХ15.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Эксперименты проводились на образцах из материала ШХ15 ГОСТ 801- (рисунок 2.1).

Образцы для испытаний изготавливались на ОАО «ВПЗ», где они прошли всю необходимую технологическую обработку соответствующую нормативным требованиям. Предварительно с образцов снимался слой толщиной 0,1...0,15 мм для исключения влияния технологической наследственности. Заготовки используются до тех пор, пока их высота не составит 20 мм.

Необходимо отметить, что образцы, используемые в эксперименте должны отвечать ряду требований:

- иметь одинаковую форму и геометрические размеры в пределах одного класса;

- твердость образцов должна находится в пределах НRC 58-61, а допустимое отклонение среднего арифметического значения твердости ± 5 %;

- все образцы должны иметь однородную структуру по химическому составу и физико-химическим свойствам;

- все образцы до проведения испытаний должны быть промаркированы, чтобы избежать при их дальнейшим исследовании возможных ошибок.

Для обработки образцов в качестве инструмента использовались электрокорундовые шлифовальные круги прямого профиля со следующими размерами 2001676 четырёх типов: 25AF46К6V, 25AF46L6V, 25AF60К6V, 25AF60L6V. Инструмент изготовлен на ОАО «Волжский абразивный завод».

Измерение фактической твердости абразивного инструмента осуществляли по ГОСТ 25981 ультразвуковым методом с помощью прибора "Звук-110М" предназначенного для измерения частот собственных колебаний (ЧСК) и определения скорости распространения акустических волн. Для исследований отбирались круги, обладающие одинаковой твердостью в пределах степени K и L. Скорость распространения акустических волн определяли в 8 диаметральных сечениях круга.

Биение и разнотолщинность (разновысотность) являются основными факторами, определяющими точность формы шлифовального круга после механической обработки [100-102].

Перед установкой на станок для снижения неуравновешенности масс производили статическую балансировку круга в сборе с планшайбой. Дополнительно визуально проверяли круг на наличие трещин и сколов.

Для осуществления операции балансировки фланцы планшайбы (рисунок 2.2) имеют круговые пазы, в которых перемещаются и крепятся компенсирующие сухарики 5.

Рисунок 2.2 - Крепление шлифовальных кругов на планшайбе: 1 – шлифовальный круг; 2 – нижний фланец; 3 – верхний фланец; 4 – винт; 5 – компенсирующий сухарик; 6 – прокладки Для статической балансировки использовался балансировочный стенд (рисунок 2.3). На две опоры (ножи) балансировочного приспособления устанавливается специальная оправка, на которой находится круг, закрепленный на планшайбе. Совмещение центра тяжести круга с осью вращения обеспечивается перемещением сухарики в пазах планшайбы.

Правку шлифовального круга осуществляем алмазным карандашом марки 3908-0061 исп. А тип 04 ГОСТ 607-80. Карандаш, закрепленный в оправке, устанавливаем на магнитной плите шлифовального станка и производим правку абразивного инструмента при следующих режимах: скорость круга – 35 м/с; поперечная подача со скоростью V = 1 – 2 м/мин, вертикальная подача 0,005 – 0, мм/дв.ход; подача СОЖ – 6 – 12 л/мин.

После правки устанавливаем шлифовальный круг на устройство для балансировки. В случае дисбаланса, производим повторную балансировку и правку абразивного инструмента. Операцию повторяем, до тех пор, пока не окажется, что выправленный шлифовальный круг имеет уравновешенное состояние.

2.3 Методика определения радиальной Ру и касательной Рz Целью экспериментального исследования являлось нахождение зависимости величины составляющих сил шлифования от различных параметров и режимов обработки заготовок из стали ШХ15. Для этого в лабораторных условиях была создана экспериментальная установка на базе плоскошлифовального станка 3Г71 (рисунок 2.4), основные характеристики приведены в таблице В.1 Приложения В.

Рисунок 2.4 - Станок с установленным динамометром УДМ- В качестве СОЖ использовали 5% эмульсионный раствор «Авазол». Подача СОЖ осуществлялась с помощью центробежного электронасоса через клиновые щелевые сопла (насадки) в зону шлифования со стороны входа и выхода рабочей поверхности круга, а также в зону контакта круга с правящим алмазным карандашом при постоянном расходе 6 - 12 л/мин под давлением 0,6 МПа.

Экспериментальная установка включает в себя несколько измерительнорегистрирующих приборов, предназначенных для регистрации эксплуатационных показателей процесса шлифования.

Для измерения составляющих сил шлифования использовали динамометр УДМ-100 конструкции ВНИИ, позволяющий одновременно измерять три взаимно перпендикулярные силы Pz, Py, Px и крутящий момент Мкр, который устанавливался на магнитном столе [103]. Габариты и посадочные места динамометра позволяют устанавливать его без промежуточных прокладок на станок.

Испытуемые образцы крепились в динамометре с помощью тисков, при этом их положение должно быть по центру динамометра, для исключения дополнительных усилий на динамометр (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Динамометр УДМ 100 с установленным образцом Сигнал от динамометра поступал на усилитель УТ4–1 ТУ25.06.1377–82, а затем через аналогово-цифровой преобразователь E14-140 передавался на персональный компьютер. Мгновенные значения сил резания можно исследовать в диапазоне частот от 0 до 500 кГц с погрешностью не выше 10%.

Усилитель УТ4-1 (рисунок 2.6) предназначен для измерения динамических деформаций поверхностного слоя металлических конструкций, усилий, давлений, малых перемещений и т.п. величин с помощью проволочных или фольговых тензодатчиков и регистрации их магнитоэлектрическим или другим самопишущим или стрелочным прибором.

Прибор имеет высокую чувствительность и достаточно широкий частотный диапазон. Прибор может работать практически с любыми тензодатчиками сопротивления. В каждом канале имеется возможность работы с выносным «мостом»

или «полумостом».

В данной установке применена схема соединения «полумост».

Схема усилителя позволяет проводить многопоточные измерения при одновременном включении нескольких приборов, несущие частоты которых могут быть синхронизированы. Ряд схемных и конструктивных особенностей прибора направлен на повышение надежности и эффективности прибора. Блочная конструкция прибора дает возможность быстро устранять неисправности в случае отказов в работе.

Аналогово-цифровой преобразователь E14-140 (рисунок 2.7) предназначен для построения многоканальных измерительных систем сбора аналоговых данных, а также цифрового управления и контроля состояния внешних устройств.

Малые габариты модуля и использование широко распространенного интерфейса USB делают E14-140 удобным для организации полевых измерений, требующих высокую степень мобильности.

Базовые функции E14-140: многоканальный АЦП с мультиплексированием каналов; цифровой асинхронный ввод-вывод; опциональные функции позволяют укомплектовать E14-140 двухканальным ЦАП.

Персональный компьютер на базе процессора Intel Celeron D (3000+) производства компании Depo. Оснащен 512 Мб оперативной памяти, интегрированной видеокартой с объемом оперативной памяти 100 Мб, жестким диском объемом 160 Гб, устройством преобразования аналогового видеосигнала.

Значения составляющих сил шлифования на компьютере выдаются в виде графиков с единицами измерения в вольтах (В). Перевод этих значений в ньютоны (Н) осуществляется посредством тарировочных коэффициентов, путем перемножения двух значений.

Процесс тарировки включает в себя три основных этапа:

1) нагружение динамометрического датчика грузами;

2) фиксирование получаемого выходного сигнала с АЦП;

3) обработка полученных данных.

Используя, полученные данные мы строим тарировочные графики по каждой отдельно взятой силе, а затем получаем тарировочные коэффициенты (коэффициент усиления) (рисунок 2.8).

Тарировка производится на специальном приспособлении (рисунок 2.9).

При тарировке продольной силы Рz производят пошаговое нагружение опоры 2 эталонными грузами массой 1 кг с интервалом 6-10 с. При этом происходит автоматическая регистрация. Усилия от грузов, устанавливаемых на опору 2, через трос 4 будут непосредственно передаваться на динамометр. Кронштейн 1 необходим для выставления необходимого уровня опоры, так чтобы она не касалась поверхности станка.

При тарировке радиальной силы Ру нагрузку производят по той же схеме (при тех же условиях), но нагружение (установку грузов) производят непосредственно на сам динамометр.

Следует отметить, что максимальная нагрузка при горизонтальной тарировки достигает 6 кг, а при вертикальной 10 кг. Это необходимо, чтобы охватить весь диапазона сил для планируемых режимов шлифования. Важной задачей при работе является обеспечение стабильных значений тарировочных коэффициентов в течение рабочего дня. Для этого необходимо соблюдать ряд условий: точная балансировка схемы соединения усилителя с динамометром, при установке на датчик эталонных грузов тщательное их центрирование, перед началом работы необходимо прогреть усилитель не менее часа.

Построение тарировочных графиков производится по шкале напряжений (вольт) и нагрузки (ньютон). Для этого необходимо знать среднее значение «высоты» (вольт) каждой полки, а также погрешность её измерения, которая вычисляется по формуле:

где S – стандартное отклонение; n - среднее значение выборки по длине полки.

Рисунок 2.9 - Схема тарировки составляющей силы шлифования Рz:

1 – кронштейн; 2 – опора для груза; 3 – блок; 4 – трос; 5 – струбцина;

В нашем случае при соблюдении всех условий измерения погрешность по отдельно взятым полкам не превышает 0,2 %.

Результатом построения такого графика будет получение прямой пропорциональной зависимости вида:

где К – тарировочнй коэффициент; Х – напряжение, Вольт.

В нашем случае К – искомый тарировочный коэффициент. В дальнейшем при переводе полученных значений сил резания из единицы измерения вольт в требуемые ньютон мы будем пользоваться тарировочным коэффициентом. Подставляя в дальнейшем в формулу (2.2) значения К и Х, получаем искомые значения действующих на заготовку сил в процессе абразивной обработки на станке.

Обработка полученных в процессе регистрации данных проводится по приведенным ниже формулам.

1) Вычисляем среднее арифметическое, дисперсию, доверительный интервал и стандартное отклонение для каждой полки:

а) среднее арифметическое в) доверительный интервал где n – количество значений выборки;

хi – единичное значение из выборки;

xi - среднее арифметическое выборки (полки).

2) Определяем величину для каждой группы полок низ-верх-низ (изменение напряжения при регистрации данных):

где xi.B – среднее арифметическое верхней полки;

xi.H. л, xi.H.п - средние арифметические крайних нижних полок (левой и правой).

Строится линия тренда по графику и находится линейная зависимость, в данном примере: y = 185,91x. 185,91 и есть искомый тарировочный коэффициент (рисунок 2.10).

Без прореживания данных количество значений в одной секунде при сохранении равно 20000. Для тарировочного графика сохранение каждого значения большой роли не играет (вручную мы брали по 100 значений, прореживая исходный файл). Однако, для обработки рабочих графиков (все данные изначально в программном обеспечении PowerGraph 3.3 представлены в виде графиков с циклично повторяющимися пиками) большое прореживание данных не желательно, хотя возможно.

В процессе работы установка регистрирует изменения напряжений в цепи.

Получаемые при этом графики имеют вид, представленный на рисунке 2.11.

Рисунок 2.10 - Тарировочный график и коэффициент усиления Рисунок 2.11 – Графики составляющих сил, действующих на заготовку в зоне контакта Представленное программное обеспечение имеет широкий выбор средств для обработки полученных данных (различного рода математические функции, функции сглаживания и т.д.). Имеется возможность сохранения полученного результата в виде файлов сохранения своей программы (PowerGraph Chart [*pgc]), также в текстовом виде, что дает возможность при необходимости обрабатывать вручную результаты испытаний в Excel.

2.4 Методики определения шероховатости, волнистости, отклонения от плоскостности, коэффициента шлифования, прижогов Шероховатость поверхности определяли с помощью профилографапрофилометра «СЕЙТРОНИК ПШ8-4 С.С.». Действие прибора основано на принципе ощупывания неровностей контролируемой поверхности алмазной иглой щупа (радиус алмазной иглы 0,002 мм) первичного преобразователя и преобразования, возникающих при этом механических колебаний щупа в электрический сигнал, изменяющийся пропорционально этим колебаниям.

Прибор позволяет измерять шероховатость поверхности по 16 параметрам:

Ra; Rz; Rmax; Rp; Rv; Rq; Sm; S; q ; а; Lo; lo; D; q; а; tp.

Измерение параметров шероховатости производится по системе средней линии (ГОСТ 25142-82) в соответствии с номенклатурой и соотношениями значений параметров, предусмотренными ГОСТ 2789-83. Предел допускаемой основной относительной погрешности прибора составляет ± 5 %.

Измерение шероховатости поверхности производим непосредственно в рабочей зоне плоскошлифовального станка (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 - Схема измерения шероховатости поверхности непосредственно на станке:

1 – магнитный стол плоскошлифовального станка; 2 – контролируемый образец;

3 – динамометр или другие установочные приспособления.

Контроль шероховатости поверхности осуществляли в 20 сечениях равномерно распределенных по всей длине образца. Базовая длина L измеряемого участка составляет 2,5 мм. Перед каждым замером образца производим калибровку прибора, с помощью специальной калибровочной меры по ГОСТ 2789. Результаты замеров сохраняем в базе данных, для последующей статистической обработки согласно формулам (2.3) – (2.6).

На рисунке 2.13 показан общий вид устройства, подключенного к компьютеру, на рисунке 2.14 - рабочее окно программы «Profil» со значениями параметров шероховатости, профилограммой, и графическим изображением относительной опорной длины профиля.

Рисунок 2.13 - профилограф-профилометр «СЕЙТРОНИК ПШ8-4 С.С.»

С целью повышения эффективности и скорости обработки полученных данных была разработана специальная программа «Export» (программа для ЭВМ № 2009615803), помимо этого программа имеет ряд иных функций. В качестве первичных данных используются высоты профиля, полученные при измерении шероховатости поверхности на приборе "Сейтроник ПШ8-4". Разработанная программа экспортирует первичные и расчетные данные всех параметров шероховатости поверхности, полученных программой "Profil" от прибора "Сейтроник ПШ8-4" в документ типа «MSExcel» [12].

Для серии опытов проводим сравнение дисперсий с помощью статистического критерия Кохрена, в случае однородности дисперсий, сравнение средних значений осуществляем по методике однофакторного дисперсионного анализа.

Волнистость поверхности образца измеряли с помощью профилографа FORM TALYSURF INTRA, представляющего щуповой контактный профилометрпрофилограф, который разработан для измерения отклонения формы, волнистости, шероховатости, плоскостности и других параметров с высокой точностью.

Основание и колонна прибора изготовлены из искусственного гранита обеспечивают термостабильность и виброзащиту. Т-образные пазы в столе позволяют устанавливать специальные крепежные приспособления. Индуктивный датчик прибора, разработанный на базе фазового шкального интерферометра, позволяет проводить измерения широкого круга поверхностей. Ходовая каретка прибора, регулируемая по высоте крепежным винтом, содержит индуктивный датчик, в который устанавливается щуп. Щуп изготовлен в виде «коромысла», лежащего на опоре, в один конец которого (закрепленный в датчике) установлен сердечник, представляющий собой ферримагнитный стержень, перемещающийся по вертикальной оси в катушках индуктивности, а во второй конец с латунной головкой впаян алмазный наконечник заданного диаметра.

После ощупывания поверхности в окне программного обеспечения прибора отображается полный профиль, готовый для дальнейшего анализа: применения различных типов фильтров, выбора номинальных форм базовых линий для расчета, выделения необходимого (удаления ненужного) участков профиля для анализа, представления результатов в виде, необходимом пользователю.

Полученные данные могут быть сохранены для проведения дальнейших исследований или расчетов на жестком диске, экспортированы при необходимости использования другими программами, распечатаны на принтере.

Отклонение от плоскостности торцов колец подшипников измеряли на трехкоординатной измерительной машине (КИМ) Millennium – это измерительная система, позволяющая проводить измерения координат элементов материальных объектов с построением поверхностей стандартных форм для определения их линейно-угловых размеров и взаимного расположения.

Использование прецизионного перемещения измерительной головки в трех направлениях обеспечивает измерение объектов в декартовой системе координат X, Y, Z. Измерения могут производиться в ручном и микропроцессорном режимах.

Программные продукты, поставляемые изготовителями КИМ, позволяют осуществлять измерения с использованием контактных и сканирующих головок.

Программа имеет удобное окно интерфейса (рисунок 2.15).

Рисунок 2.15 –. Программное обеспечение КИМ 1 (окна измерений) – для выбора типа формы измеряемой поверхности. 2 (графическое представление) – отражает перемещения измерительной головки и процедуру измерения. 3 (окно инструментов) – для проведения калибровки, просмотра результатов текущих измерений, сканирования, результатов сравнения с математической моделью или шаблоном.

Во время проведения измерений в ручном или в автоматическом режиме на экране будут отображаться все выполняемые действия (перемещения щупа, точки контакта, построение элементов, оси измерения и т.д.). На запуск программы понадобится некоторое время, после чего на экране появится окно с запросом на проведение инициализации машины. После проведения инициализации установить необходимый щуп и провести калибровку. После проведения калибровки машина готова к проведению измерений. Для проведения измерения необходимо выбрать один из вариантов измерения из предлагаемого списка стандартных форм, и следуя указаниям программы провести измерение выбранного количества точек на поверхности. При необходимости можно сменить систему отсчета (начало и направление осей), создавать базовые точки, создавать плоскости и т.д.

Страница результатов измерения позволяет отражать необходимые для распечатки результаты измерений, задавать допуска, вводить комментарии.

В программе также предусмотрено окно редактирования, которое позволяет программирование измерительного процесса в автоматическом режиме (рисунок 2.16).

Результаты для распечатки измеренных элементов Редактируемые номиналы Редактируемые Каждое действие запоминается как шаг программы и в последующем при ее запуске будет исполнено автоматически.

Для вычисления коэффициента шлифования Кш определялся износ рабочей поверхности круга. Износ рабочей поверхности круга при шлифовании является сложным механическим и физико-химическим процессом, протекание которого зависит от всех условий обработки: режима, характеристики круга, свойств обрабатываемого материала и др. [101].

Для измерения износа поверхности круга разбивали его окружность на одинаковых сектора. В каждом секторе по одной длине производили измерения с помощью стрелочного индикатора со шкалой деления 1 мкм (ГОСТ 577-68). Для оценки качества поверхности было выбрано 6 точек на базовой поверхности и точек на рабочей (рисунок 2.17).

Рисунок 2.17 - Сечения шлифовального круга при измерении износа Данные, полученные при измерении по базовой и рабочей поверхностям, составляют математические матрицы. Определение износа производится путём усреднения значений по базовой поверхности (X1б…Х6б) и вычета полученных значений (Хnср1…Хср6). Статистическая обработка данных производится как по замерам в каждом из 24 сечений, так и по сечениям, проходящим через отдельно взятые точки рабочей и базовой поверхностей и перпендикулярным оси вращения шлифовального круга. Таким образом, мы имеем возможность построить график, отображающий глубину износа круга на отдельно взятом замере в любом сечении по высоте круга.

Коэффициент шлифования определяется как отношение наработки к износу абразивного инструмента. Наработка, приведённая к ширине образца, для всех экспериментов была зафиксирована и составляла 400 мм2. Износ абразивного инструмента определяли по формуле: Vк = ·D·tср, где D – наружный диаметр круга, мм; tср - средний износ круга по 3 опытам, мм.

Шлифовочные прижоги определялись методом травления по инструкции ВНИПП 101. Шлифованную плоскость промывали водой (теплой) и травили в % -ном растворе азотной кислоты (по ГОСТ 4461-77) до тех пор, пока поверхность не станет черной (30-60 с.). После травления поверхность промывали теплой водой, а затем образец погружали на 3 с. в 50 %-ный водный раствор соляной кислоты (по ГОСТ 3118 – 77) и промывали водой.

Целью планирования при экспериментальных исследованиях является выбор оптимального количества и условий проведения экспериментов, обеспечивающих получение наилучшего результата. Первые шаги исследования строятся на основе сбора, изучения и анализа всех имеющихся об объекте данных, причем характер и тщательность обработки скудной или обширной априорной информации напрямую влияют на скорость получения окончательного решения поставленной задачи.

В результате предварительного (априорного) этапа исследователь выбирает параметры оптимизации в соответствии с поставленной задачей, составляет полный список факторов, (заметим, что иногда лучше включить в него некоторые малозначащие факторы, которые в совокупном воздействии могут представлять значимость) и задает ориентировочные пределы изменения факторов с учетом требований их совместимости. При этом учитываются принципиальные ограничения (например, для температуры нижним пределом будет абсолютный нуль), технико-экономические ограничения – стоимость, время испытаний, а также возможности аппаратуры, технологии и др. [104-112]. При выявлении слишком большого числа факторов рекомендуется выполнять отсев незначимых факторов согласно существующим методикам, изложенным в соответствующей литературе.

В этом заключается этап предварительной подготовки к эксперименту.

Согласно идее шагового поиска эксперимент проводится по этапам: результат предыдущего этапа исследования и тип конечной цели определяет количество последующих этапов и порядок действий на каждом из них, что в результате приводит к достижению конечной цели исследования. Методика полного факторного эксперимента (ПФЭ) подразумевает определение значения параметра оптимизации при всех возможных сочетаниях уровней варьирования факторов. При наличии k факторов, каждый из которых может устанавливаться на q уровнях, согласно методике ПФЭ необходимо поставить n = qk опытов. Очевидно, что с ростом числа уровней факторов резко возрастает количество опытов, поэтому наибольшее распространение получили эксперименты, в которых факторы варьируют на двух уровнях (верхний и нижний), т.е. эксперименты типа 2k.

Для исключения влияния систематических погрешностей, вызванных внешними условиями (мешающими факторами), опыты, запланированные матрицей, необходимо проводить в случайной последовательности. Этот прием называется рандомизацией. Этот простейший и кардинальный способ основан на использовании таблицы случайных чисел, по которой выбирается последовательность всех опытов, включая nu опытов в каждой точке (параллельные опыты предусматриваются для оценки воспроизводимости процесса и проведения статистических оценок).

Другой подход состоит в разбивке план-матрицы на блоки. Если экспериментатор знает об изменении каких-то внешних условий, он может планировать эксперимент так, чтобы эффект влияния этих условий был связан с определенным воздействием, которым можно пренебречь [112-116].

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ОСЕВОЙ УПРУГОЙ

ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ЗАКРЕПЛЕНИИ И ШЛИФОВАНИИ ТОРЦОВ

КОЛЕЦ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ И УСЛОВИЙ

ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОГО ДОПУСКА ПЛОСКОСТНОСТИ ТОРЦОВ

3.1 Выбор расчетной схемы для определения величины осевых упругих При шлифовании колец крупногабаритных подшипников необходимо учитывать упругие осевые деформации. Проведенные исследования и опыт изготовления крупногабаритных подшипников показывает, что современная технология шлифовальной обработки не может разрабатываться без учета жесткости деталей и возможной деформации в процессе обработки.

Для реализации предложенного способа устранения отклонений от плоскостности торцов колец крупногабаритных подшипников шлифованием путём управления величиной осевых упругих деформаций колец необходима математическая модель для определения этих деформаций.

Как показали исследования, основным фактором, определяющим начальное отклонение от плоскостности торцовой поверхности исследуемых колец, 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 осевых деформаций выступы макроотклонений (изогнутость) представляли в виде цилиндрической поверхности, радиус которой принимали равным среднему значению радиуса выступа макроотклонений. С целью приближения к реальной поверхности 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 торца кольца с плоскостью стола wpk:

Для исследования осевых деформаций, возникающих при закреплении и шлифовании торцовой поверхности, выбраны два типа наружных кольцец конических роликовых подшипников, изготавливаемые на ОАО «ЕПК Самара» (рисунок 3.1).

Термообработка колец выполнена на ОАО «Волжский подшипниковый завод». Некоторые геометрические размеры колец приведены в таблице 3.1, Таблица 3.1 – Геометрические параметры исследуемых колец где: D, D1, С – соответственно наружный, внутренний диаметры и ширина кольца;

- угол конусности (рисунок 3.2); 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; y = Iус/Izc; к = ЕIуIz/(GIzcIк) вспомогательные коэффициенты; Iк момент инерции поперечного сечения при кручении; Е и G модули нормальной упругости и сдвига материала кольца; 1, 2 – коэффициенты для оценки применимости теории стержней малой кривизны.

Осевые деформации определяли при условии трёх опорного первоначального контакта торцовой поверхности заготовки кольца с плоскостью стола (рисунок 3.3).

На кольцо действует сила тяжести и сила прижима кольца к столу станка под действием магнитного поля, которые представляем в виде распределенной нагрузки по периметру кольца. В результате осевой деформации кольца под действием нагрузки число опор может увеличиваться до шести, что определяется шестью волнами макроотклонений.

В результате измерения отклонений от плоскостности торцовых поверхностей заготовок двух партий колец с объемом выборки 15 колец в каждой партии определена плотность распределения вершин макроотклонений. На рисунке 3. показана плотность распределения вершин макроотклонений колец, на рисунке 3.5 – диаграмма отклонений одного из колец.

Исследования проведены на трехкоординатной измерительной машине Millennium. Три направляющие машины образуют декартову базовую систему координат X, Y, Z, в которой перемещается щуповая головка. Конструкция машины портальная, с неподвижным измерительным столом и боковым приводом портала.

Торцовую поверхность кольца исследовали по окружности среднего диаметра в микропроцессорном режиме.

Обработка данных показала, что при первоначальном трех опорном контакте поверхностей стола и торца кольца среднее значение углов между точками касания с вероятностью 0,95 составляет 120° ± 16° (см. рисунок 3.3).

Рисунок 3.4 - Распределение вершин макроотклонений по высоте профиля:

Рисунок 3.5 - Форма отклонений от плоскостности торцов кольца после закалки (кольцо конического однорядного роликоподшипника 1077756.01) Из таблицы 3.1 следует, что для рассматриваемых колец 1= 2r/C > 10, 2 = 0,5(D – D1)/r 10, что позволяет использовать стержневую теорию [117].

Существенное значение для расчета колец имеет расположение главных центральных осей их поперечных сечений по отношению к плоскости кольца. У кольца (рисунок 3.8 а) главная центральная ось поперечного сечения z лежит в одной плоскости с его осью. В общем случае обе главные оси сечений могут быть наклонены по отношению к плоскости, в которой лежит ось кольца. На рисунке 3.8 б в плоскости оси кольца лежит центральная ось zc, ось уc перпендикулярна этой плоскости. Но главные центральные оси поперечного сечения z и у (Izу = 0) повернуты по отношению к осям zc и уc на угол 0.

Если известны главные центральные моменты инерции поперечных сечений Iz и Iу, то в соответствии с формулами, учитывающими поворот осей координат, можно найти осевые и центробежный моменты инерции относительно осей zc и уc:

Введём вспомогательные коэффициенты [117]:

где Iк - момент инерции поперечного сечения при кручении; Е и G - модули нормальной упругости и сдвига материала кольца.

Формулы для вычисления геометрических характеристик поперечных сечений колец подшипников приведены в [15, 46].

Кольцо, как замкнутый контур, в общем случае нагружения шесть раз внутренне статически неопределимо. Разрезав в каком-либо сечении кольцо, находящееся под действием заданной нагрузки, следует приложить шесть внутренних силовых факторов: три в плоскости кольца - изгибающий момент Х1, нормальную силу Х2, поперечную силу Х3 и три в плоскостях, перпендикулярных плоскости кольца - изгибающий момент Х4, крутящий момент Х5, и поперечную силу Х6 (рисунок 3.9).

Неизвестные внутренние силовые факторы Х1 - Х6 можно определить из условий отсутствия взаимных линейных и угловых перемещений сечений разреза.

Составляя эти условия в канонической форме метода сил, получим систему уравнений в виде:

где Х T = [ Х 1 Х 2...... Х 6 ] T – матрица-столбец неизвестных внутренних силовых факторов; р = [1 р 2 р...... 6 р ] Т -матрица-столбец перемещений сечений разреза по направлениям неизвестных внутренних усилий от действия внешних нагрузок;

- квадратная матрица шестого порядка, элементы которой определяются по формуле Мора [117]:

где Мz и Му — изгибающие моменты относительно главных центральных осей сечения, возникающие при действии на основную систему заданных нагрузок; Мк крутящий момент в сечениях основной системы от действия заданных нагрузок;

М z/, М у/, М к/ — изгибающие и крутящий моменты, возникающие в сечениях основной системы при действии единичных нагрузок, приложенных в месте разреза и соответствующих принятым выше неизвестным; n - число участков с длиной дуги s, определяемое характером внешних нагрузок.

Согласно формуле (3.5) коэффициенты iк определяются в предположении, что нормальные и поперечные силы не оказывают существенного влияния на величину iк, что справедливо для рассматриваемых колец. Выразим теперь iк через моменты Мzс и Мус. Моменты, направленные вдоль главных осей z, у и осей zс, ус (рисунок 3.10), связаны соотношением:

Эти соотношения справедливы для изгибающих моментов, как от заданных нагрузок, так и от единичных сил и моментов. Подставляя эти зависимости в формулу для iк и учитывая, что в полярной системе координат ds = rd, получим:

В таблице 3.2 приведены значения единичных моментов М zс, М ус, М к/ возникающих в сечениях, расположенных под углом от места разреза, при последовательном нагружении основной системы единичными силами и моментами, соответствующими выбранным неизвестным (здесь принято, что угол отсчитывается от сечения против часовой стрелки (см. рисунок 3.9)).

Таблица 3.2 - Значения единичных моментов Моменты Согласно данным таблицы 3.2 по формуле (3.6) вычислены все элементы матрицы, представленные в форме таблицы 3.3 (общий множитель (rJzc)/(EJzJу), входящий во все элементы, исключен).

Рассмотрим действие внешних нагрузок, расположенных в плоскостях, перпендикулярных плоскости кольца. При действии этих нагрузок на основную систему в сечениях кольца возникают изгибающие моменты MPz и крутящие моменты MPк. Элементы матрицы р примут в этом случае вид (общий множитель (rJzc)/(EJzJу), исключен):

Таблица 3.3 - Элементы матрицы Решение системы (3.4) в этом случае принимает вид:

В рассматриваемом случае нагружения кольца (см. рисунки 3.6, 3.7) внутренние силовые факторы, лежащие в его плоскости, не возникают. Если для раскрытия статической неопределимости разрез кольца расположить в плоскости симметрии, тогда можно использовать свойства симметрии [117]. В данном случае внешняя нагрузка – симметрична, поэтому в точке А (см. рисунки 3.6, 3.7) кососимметричные внутренние силовые факторы будут равны нулю и достаточно определить один неизвестный изгибающий момент X4.

Определяем максимальные осевые упругие деформации кольца при изгибе от действия равномерно распределённой нагрузки wqmax. Эквивалентная система для трёх опорного контакта показана на рисунке 3.11.

Нагрузка симметрична и реакции опор равны: