Технологические основы создания имитационных технологий прецизионного формообразования рабочих поверхностей деталей подшипников качения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, доктор технических наук Решетников, Михаил Константинович

• Решетников, Михаил Константинович
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Решетников, Михаил Константинович

Введение.

1.Технологические методы повышения работоспособности роликоподшипников

1.1 .Оптимизация внутренней геометрии роликоподшипников.

1.2.Безабразивная обработка деталей роликоподшипников

1.3.Формообразование рабочих поверхностей деталей подшипников на стадии их доработки в собранном виде.

1.4.Современные методы окончательной абразивной обработки.

1.5.Выводы и задачи проводимых исследований.

2.Разработка концепции имитационных методов формирования на рабочих поверхностях деталей подшипников рациональных макро- и мнкрогеометрнческих параметров.

2.1.Обоснование возможности создания имитационных технологий в подшипниковом производстве.

2.2.0собенности имитационной технологии обкаткой в абразивной среде.

2.3.Механизм безабразивной доводки колец подшипников.

2.4.Механизм взаимодействия инструмента и заготовки при имитационной абразивной обработке.

2.5.Вывод ы.

3.Методика проведения экспериментальных исследований и обработки опытных данных.

3.1. Объекты исследования, опытные установки, измерительные приборы и оборудование.

3.2. Методика обработки экспериментальных данных и построения эмпирических моделей.

3.3 Выводы.

4.Технологня имитационной ускоренной доработки детален подшипников в собранном виде.

4.1 .Способ имитационной доработки деталей подшипников в собранном виде.

4.2.Кинематика абразивной частицы в зазоре сопряжения.

4.3.Механизм отделения металла с поверхностей сопряженных деталей.

4.4.Анализ результатов исследования процесса формообразующей приработки подшипников в собранном виде.

4.5.Вывод ы.

5.Имитационная безабразивная доводка дорожек качения колец подшипников.

5.1. Способ имитационной безабразивной доводки деталей подшипников.

5.2. Математическая модель удаления припуска с обрабатываемой поверхности заготовки.

5.3. Анализ результатов аналитических исследований.

5.4.Исследование влияния режимов обработки на производительность удаления металла.

5.5.Исследования влияния режимов безабразивной доводки на формообразование профиля обрабатываемой поверхности.

5.6.Исследование влияния режимных факторов обработки на оборудование микро- и макрогеометрических параметров обрабатываемой поверхности.

5.7.0пределение рациональных режимов безабразивной доводки дорожек качения колец роликоподшипников.

5.8. Выводы.

6.Технология имитационной абразивной доводки дорожек качения колей подшипников.

6.1. Разработка способа имитационной абразивной обработки.

6.2. Механизм исправления погрешностей геометрической формы заготовки при имитационной абразивной обработке.

6.3. Анализ полученных результатов.

6.4. Влияние режимов процесса на геометрические показатели обработки.

6.5. Влияние характеристики инструмента и частоты вращения изделия на результаты обработки.

6.6.Выбор рациональных режимов процесса имитационной абразивной обработки.

6.7.Рассеивание показателей качества поверхности после имитационной абразивной обработки.

6.8. Выводы.

7,Область промышленного использовання имитационных технологии.

7.1.Имитационная доработка подшипников в собранном виде.

7.2.Имитационная безабразивная доводка рабочих поверхностей колец подшипников.

7.3.Имитационная абразивная обработка рабочих поверхностей колец подшипников.

7.4.Расчет экономической эффективности внедрения имитационной абразивной обработки.

7.5.Технико- экономическая эффективность выполненных исследований при эксплуатации роликоподшипников.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологические основы создания имитационных технологий прецизионного формообразования рабочих поверхностей деталей подшипников качения»

Актуальность работы. К точности и качеству изготовления деталей подшипниковых опор в машиностроении предъявляют наиболее высокие требования. Это связано с тем, что подшипники, установленные в узлы машин и приборов, работают в сложных контактных условиях, и от их работоспособности в значительной мере зависят надежность и долговечность машины в целом.

Практика эксплуатации подшипников качения показывает, что большинство из них, работая в различных механизмах, подвергаются нагрузкам, значения которых далеки от расчетных. Многообразие и случайный характер факторов, определяющих режимы работы таких механизмов, делают весьма проблематичным прогнозирование реальных условий, в которые попадут подшипники после их монтажа в конкретный рабочий узел, что в значительной степени затрудняет выполнение расчетов, связанных с оптимизацией геометрических параметров взаимодействующих поверхностей деталей.

Геометрические погрешности рабочих и монтажных поверхностей деталей подшипника, неточности изготовления посадочных поверхностей валов и корпусов машин и механизмов, температурные деформации, вызванные неравномерным нагревом отдельных деталей и их частей, прогибы валов и т.д. приводят к возникновению эксплуатационных перекосов, которые способствуют ускоренному выходу подшипника из строя.

Особенно чувствительны к эксплуатационным перекосам подшипники роликовой группы, имеющие прямолинейные образующие рабочих поверхностей колец и роликов. Такие подшипники при эксплуатации в условиях, близких к идеальным, обладают повышенной контактной жесткостью и несущей способностью, что весьма важно для работы шпиндельных узлов прецизионного оборудования. Однако возникновение малейшей несоосности посадочных поверхностей снижает долговечность таких подшипников в десятки раз.

Вместе с тем в подшипнике, равно как и в любом другом подвижном сопряжении, в начальный период эксплуатации наблюдается интенсивный локальный износ рабочих поверхностей деталей, связанный с процессом приработки. В этот период контактирующие поверхности стремятся приобрести геометрическую форму и шероховатость, в наибольшей степени соответствующие конкретным условиям эксплуатации.

Процесс приработки требует затрат значительного количества энергии, сопровождается возникновением повышенных контактных напряжений, а также выделением большого количества тепла, что может явиться причиной протекания термических процессов в поверхностном слое металла, снижающих его физико-механические свойства. Значения контактных напряжений приближаются к критическим в тех местах взаимодействующих поверхностей, где необходимо удалить наиболее значительный слой металла, чтобы их геометрическая форма была оптимальной для данных условий.

Если в процессе изготовления деталей были получены геометрические параметры их рабочих поверхностей, далекие от требуемых для конкретных условий работы этих деталей в узле, то в период приработки из-за возникновения на некоторых участках профиля критических контактных напряжений взаимодействующие поверхности могут разрушиться, и изделия быстро выйдут из строя. С другой стороны, если на стадии изготовления обеспечена геометрическая форма профиля деталей, близкая к эксплуатационной, то процесс приработки будет осуществляться в более благоприятных условиях и закончится в более короткий период времени, а значит, работоспособность этих изделий будет высокой.

Таким образом, важнейшей задачей технологов является создание таких технологий изготовления ответственных изделий, которые обеспечивали бы точностные и качественные параметры рабочих поверхностей, наиболее соответствующие эксплуатационным. Очевидно, что теоретический поиск оптимальных конструкций профилей деталей подшипников, равно как и других подвижных сопряжений, без учета технологических возможностей современного оборудования малоэффективен. Это связано с тем, что рациональные геометрические параметры рабочих поверхностей определяются целым комплексом контактных условий, которые в силу действия в каждом конкретном рабочем узле большого количества случайных факторов различны. Кроме того, любое направленное прецизионное профилирование обрабатываемых поверхностей режущими инструментами сопряжено с большими технологическими трудностями и требует создания специальных / технологий, технологических методов и оборудования, что не всегда оправдано экономически.

На наш взгляд, наиболее целесообразно создавать такие технологические методы обработки, которые позволяли бы автоматически получать геометрические параметры обрабатываемых поверхностей, близкие к эксплуатационным. На кафедре «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета разработан и внедрен в производство целый ряд таких технологий, предназначенных для изготовления подшипников качения. Эти технологии названы имитационными, так как в процессе обработки рабочих поверхностей движение инструмента имитирует движение деталей, сопряженных с данными поверхностями при работе в сборочной единице [1].

Высокая эффективность имитационных технологий подтверждена результатами стендовых и эксплуатационных испытаний подшипников на долговечность. Подшипники, изготовленные с использованием имитационных технологий многобрускового суперфиниширования, оказались в 3-6 раз долговечней, чем подшипники, изготовленные по стандартным технологиям.

Таким образом, данное направление совершенствования технологических процессов изготовления деталей подвижных сопряжений позволяет в значительной мере решить проблему повышения надежности и долговечности машин и механизмов, повысить их уровень конкурентоспособности на отечественном и мировом рынках.

Цель работы - разработка технологических основ создания имитационных технологий прецизионного формообразования рабочих поверхностей деталей подшипников качения.

Научная новизна. На основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований, внедрения их результатов в производство решена актуальная научная проблема, связанная с созданием теоретических и технологических основ прецизионного формообразования рабочих поверхностей деталей подшипников качения методами имитационных технологий.

Наиболее существенными научными результатами являются следующие:

1. Разработаны концептуальные положения создания имитационных технологий окончательной обработки рабочих поверхностей деталей подшипников, позволяющих обеспечивать формообразование, точностные и качественные параметры поверхностей, физико-механические свойства поверхностных слоев, близкие к эксплуатационным.

2. Исследованы закономерности отделения металла с обрабатываемой поверхности при имитационной совместной доработке деталей подвижных сопряжений в абразивной среде, учитывающие деформацию микронеровностей дорабатываемых деталей, деформацию самих деталей, глубину царапины зерен на дорабатываемой поверхности с учетом возможности их разрушения.

3. Теоретически исследован радиальный износ поверхности при имитационной безабразивной доводке, с учетом работы силы трения, удельной внутренней энергии насыщения материала заготовки, физико-механических свойств материала, величины контактных напряжений, шероховатости и размеров заготовки и инструмента, формы площадки контакта.

4. Установлен механизм исправления погрешностей геометрической формы поверхности при имитационной абразивной обработке, который учитывает перераспределение сил резания между абразивными брусками ввиду неравномерности припуска на обработку и вызванную этим упругую деформацию инструментальной головки, режущие свойства абразивного инструмента и состояние обрабатываемой поверхности.

5. Предложены и обоснованы способы имитационных технологий обработки деталей подшипников качения, обладающие повышенной производительностью и формообразующими возможностями.

6. Экспериментально исследованы способы имитационных технологий, получены их математические модели, учитывающие многообразие режимных факторов, продолжительность обработки, характеристику инструмента.

Практическая ценность и реализация работы. На основе выявленных закономерностей формообразования обрабатываемых поверхностей предложены имитационные технологии, позволяющие формировать рациональные макро- и микрогеометрические параметры на рабочих поверхностях деталей подшипников качения. Разработаны способы имитационной совместной и индивидуальной обработки деталей подшипников, обладающие повышенными производительностью и формообразующими возможностями. Имитационные технологии и устройства для их осуществления использованы для изготовления технологического оборудования на ФГУП ПО «Бином», ОАО «Саратовский машиностроительный завод «Элеватормельмаш», ФГУП «Саратовский агрегатный завод», ОАО «Саратовский завод «Серп и молот». Технологии имитационной доработки подшипников в собранном виде и имитационной безабразивной доводки деталей подшипников, а также рекомендации по их наиболее эффективному использованию переданы для внедрения в ОАО «Саратовский подшипниковый завод» и Саратовское научно-производственное предприятие нестандартных изделий машиностроения. и

Реализация результатов исследований позволила получить общий экономический эффект 173894 рубля.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции «Инструмент -84», Москва, 1984 г. ; Республиканском семинаре «Технологическое обеспечение профильной алмазно-абразивной обработки», г.Пенза, 1984 г.; Всесоюзной школе молодых ученых «Проблемы оптимизации в машиностроении», г. Харьков, 1986 г. ; 4-й Международной конференции «Точность технологических и транспортных систем», г. Пенза, 1998 г. ; Республиканской конференции «Современные технологии в машиностроении», г. Пенза, 1999 г. ; Научной конференции с международным участием «Фундаментальные и прикладные исследования саратовских ученых для процветания России и Саратовской губернии», г.Саратов, 1999 г.; 7-й Международной конференции « Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин», г. Пенза, 2001 г. ; Международной конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы», г.Волжский, 2001 г.; Всероссийской конференции с международным участием «Прогрессивные технологии»,г.Тольятти,2002г; а также на заседаниях кафедры «Технология машиностроения» и ежегодных научно-технических конференциях СГТУ в 1984 -2003 годах.

Публикации. По материалам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 45 печатных работ, в том числе три монографии, три патента и авторское свидетельство.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Концептуальные положения создания имитационных технологий окончательной обработки рабочих поверхностей деталей подшипников, позволяющих обеспечивать формообразование, точностные и качественные параметры поверхностей, физико-механические свойства поверхностных слоев, близкие к эксплуатационным.

2. Закономерности отделения металла с обрабатываемой поверхности при имитационной совместной доработке деталей подвижных сопряжения в абразивной среде, учитывающие деформацию микронеровностей дорабатываемых деталей, деформацию самих деталей, глубину царапины зерен на дорабатываемой поверхности с учетом возможности их разрушения.

3. Результаты теоретических исследований радиального износа поверхности при имитационной безабразивной доводке, с учетом работы силы трения, удельной внутренней энергии насыщения материала заготовки, физико-механических свойств материала, величины контактных напряжений, шероховатости и размеров заготовки и инструмента, формы площадки контакта.

4.Механизм исправления погрешностей геометрической формы поверхности при имитационной абразивной обработке, который учитывает перераспределение сил резания между абразивными брусками ввиду неравномерности припуска на обработку и вызванную этим упругую деформацию инструментальной головки, режущие свойства абразивного инструмента и состояние обрабатываемой поверхности.

5. Способы имитационной обработки деталей подшипников качения, обладающие повышенной производительностью и формообразующими возможностями.

6. Результаты экспериментальных исследований влияния технологических факторов различных имитационных технологий на производительность обработки и геометрические параметры рабочих поверхностей деталей роликоподшипников.

7. Результаты использования имитационных процессов и устройств для их осуществления в производстве.

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Решетников, Михаил Константинович

23х = 6-ук-сгх =6-1,196-0,0936 = 0,61 мкм. ВЫВОДЫ

1. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили решить поставленную задачу - повышения производительности и геометрической точности обработки внутренних цилиндрических поверхностей деталей.

2. Разработан и исследован способ имитационной абразивной обработки внутренних цилиндрических поверхностей. Установлено, что имитационной абразивной обработки в результате малой продольной подачи инструмента и прерывистого контакта абразивных брусков с деталью обеспечивает низкую шероховатость поверхности, обладает высокой исправляющей способностью. Это позволяет использовать исследуемый процесс в качестве окончательной обработки ответственных поверхностей деталей.

3. Построена математическая модель механизма образования технологической наследственности геометрической формы поверхности детали при имитационной абразивной обработки, которая впервые учитывает перераспределение силы резания между абразивными брусками ввиду неравномерности припуска на обработку и вызванную этим упругую деформацию инструментальной головки. Показано влияние на формирование геометрической формы поверхности жесткости резания, которая учитывает режущие свойства абразивного инструмента и состояние обрабатываемой поверхности.

4. Исследованы закономерности, отражающие влияние основных технологических факторов на результаты обработки: производительность, геометрическую точность детали, шероховатость обработанной поверхности.

Установлено, что имитационная абразивная обработка сочетает в себе положительные свойства как предварительной, так и окончательной обработки и позволяет при высокой производительности снятия припуска обеспечить требуемые геометрическую точность и качество обработанной поверхности детали. Это открывает перспективу широкого применения данного процесса в машиностроении.

5. Исследования, проведенные на экспериментальной установке, позволили определить оптимальные режимы осуществления процесса имитационной абразивной обработки. При обработке внутренних цилиндрических поверхностей деталей на проход по шестому квалитету точности и шероховатости обработанной поверхности R^ = 0,10 мкм оптимальными режимами обработки следует считать следующие: t = 0,3 мм;

S = 44 мм/мин.; пи = 430 об/мин.; зернистость абразивных брусков 3 = 250 мкм.

7. ОБЛАСТЬ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИМИТАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

7Л.Имитацио11ная доработка подшипников в собранном виде

Подшипники качения широко используются во многих узлах машин и механизмов, и от работоспособности подшипников в узле во многом зависит долговечность и надежность работы машины в целом.

Как показывает практика, качество изготовления подшипников качения, которыми комплектуется продукция машиностроения, в значительной мере определяет конкурентоспособность отечественных изделий на мировом рынке. Однако стандартные технологии изготовления подшипников, в том числе и роликовых, не всегда обеспечивают необходимые точностные и качественные показатели, которые окончательно формируются на заключительных операциях технологического процесса механической обработки.

Вместе с тем известно, что значительно повысить качество изготовления подшипников позволяет применение методов приработки в собранном виде. В идеале эти методы должны обеспечивать оптимальную внутреннюю геометрию подшипника, которую невозможно получить другими способами. Однако известные способы приработки малопроизводительны, громоздки, трудны в осуществлении и практически не пригодны для использования в промышленном производстве.

Предлагаемый авторами метод лишен указанных недостатков и может быть с успехом использован как в сфере производства подшипников качения, так и в области их эксплуатации.

Представленные в данной работе результаты исследований позволили расширить технологические возможности методов приработки подшипников в собранном виде в направлении повышения производительности, формообразующих возможностей, универсальности и технологической гибкости.

Выполненные исследования показывают, что предлагаемый метод приработки может быть использован в качестве технологической операции в техпроцессе изготовления подшипников. Это становится возможным, так как время приработки указанным методом удалось снизить до уровня, сопоставимого с временем шлифования или суперфиниширования рабочих поверхностей деталей роликоподшипника. Кроме того, разработанное двухпозиционное устройство для осуществления предложенного способа позволяет автоматизировать процесс загрузки и выгрузки прирабатываемых подшипников, что делает возможным применение данного метода в серийном и крупносерийном производствах, при изготовлении высокоточных подшипников.

Высокий уровень универсальности и технологической гибкости предлагаемого метода ускоренной приработки обусловлен возможностью его применения для доработки не только роликовых, но и шариковых подшипников.

Важным элементом, обеспечивающим рациональное формообразование в процессе осуществления предлагаемого метода приработки подшипников в собранном виде, является технологический угол скрещивания осей вращения наружного и внутреннего колец. Для получения наиболее оптимальных, с точки зрения эксплуатации, геометрических параметров рабочих поверхностей колец и тел качения, этот угол необходимо устанавливать равным максимально возможному углу перекоса колец подшипника данного типоразмера при его эксплуатации в реальном узле. В этом случае формируемый на рабочих поверхностях деталей подшипника профиль будет пригоден для работы в самом широком диапазоне условий эксплуатации подшипников. Таким образом, величина технологического угла скрещивания будет зависеть от типа и типоразмера подшипника, его конструктивных особенностей, радиального зазора, а также от условий его эксплуатации в реальном узле.

Для расчета величины технологического угла скрещивания при осуществлении ускоренной приработки подшипников в собранном виде можно воспользоваться рекомендациями, изложенными в работах [112-115].

Как отмечалось ранее, предлагаемый метод ускоренной приработки подшипников в собранном виде может быть использован и в области эксплуатации подшипников. Перед установкой стандартных подшипников в ответственные рабочие узлы они могут подвергаться такой приработке с целью повышения их эксплуатационных свойств. Для этого может быть использовано предложенное в работе устройство, смонтированное на любом технологическом оборудовании. Так, на рис. 7.1 представлена установка для приработки роликоподшипников в собранном виде, полученная в результате простейшей модернизации заточного станка мод. ЗМ 642.

После промывки приработанные подшипники готовы к эксплуатации. При этом в результате оптимизации внутренней геометрии их долговечность, как следует из многочисленных работ [1-5 и др.], может повыситься от 2 до 6 раз.

7.2. Имитационная безабразивная доводка рабочих поверхностей колец подшипников

Ранее отмечалось, что долговечность и надежность работы подшипников качения во многом определяется качеством изготовления рабочих поверхностей их деталей. В настоящее время окончательное формирование точностных и качественных параметров дорожек качения осуществляется на шлифовальных или суперфинишных операциях технологического процесса механической обработки.

Процесс традиционного суперфиниширования в значительной степени позволяет обеспечить требуемые технологические параметры обрабатываемых

Рис. 7.1. Установка для ускоренной приработки роликоподшипников в собранном виде на базе заточного станка мод. ЗМ 642 поверхностей, однако получение этих параметров носит нестабильный характер, а сам процесс формообразования является трудноуправляемым. При этом практически невозможно осуществить рациональное профилирование обрабатываемой поверхности, то есть придать профилю обрабатываемой дорожки качения такую геометрическую форму, которая была бы близка форме, образующейся в результате эксплуатации подшипника в реальных условиях. Несоответствие обеспеченных в процессе изготовления геометрических параметров рабочих поверхностей деталей подшипника эксплуатационным приводит к значительному снижению долговечности опоры.

Вместе с тем, как отмечается в работе [116], при обработке металлов финишные операции наиболее трудоемки и дороги. Использование при этом абразива разупрочняет поверхностную структуру и снижает усталостную прочность изделий. Применение притирочных паст, лент, войлока и других подобных материалов приводит к резкому ухудшению условий труда, экологическому загрязнению и пожароопасности.

Кроме того, как отмечалось ранее, после абразивной обработки на обрабатываемой поверхности остаются вкрапления абразивных зерен, которые в процессе эксплуатации деталей попадают в смазку и способствуют повышенному абразивному износу их рабочих поверхностей, а оставшиеся на поверхности вмятины и лунки становятся источниками усталостных разрушений, что также приводит к быстрому выходу изделия из строя.

Предложенный и исследованный авторами способ имитационной безабразивной доводки дорожек качения колец подшипников [117-121] лишен указанных недостатков.

Как показали исследования, данный способ доводки за непродолжительное время обработки позволяет снимать с обрабатываемой поверхности припуски, соразмерные с припусками, удаляемыми при суперфинишировании. Кроме того, он обладает повышенными формообразующими возможностями, что позволяет исправлять погрешности обработки, оставшиеся после предшествующей операции. Это дает возможность использовать данный метод на заключительной стадии обработки дорожек качения колец особо ответственных подшипников в качестве окончательной операции технологического процесса вместо суперфиниширования.

Повышенная стабильность получения геометрических параметров обработки достигается отсутствием в устройстве для безабразивной доводки дополнительного механизма, обеспечивающего давление инструмента на обрабатываемую поверхность. В данном случае рабочее усилие инструментальных роликов обеспечивается технологическим углом скрещивания осей вращения инструментальной обоймы и заготовки. Наличие технологического угла скрещивания осей обеспечивает определенный натяг в системе «инструмент- заготовка», который на начальной стадии доводки является максимальным и полностью выбирается в конце обработки. Это обеспечивает минимальный уровень разно-размерности обрабатываемой поверхности и повышенную стабильность формообразования.

Величина технологического угла скрещивания осей определяется исходя из максимально возможного эксплуатационного угла перекоса колец подшипника, деталь которого подвергается обработке. А сам инструмент представляет собой обойму и комплект тел качения, по форме и размерам соответствующие деталям подшипника, кольцо которого подвергается обработке. Таким образом, внутренние кольца подшипника определенного типоразмера обрабатываются инструментальной обоймой и комплектом инструментальных роликов, представляющих собой наружное кольцо с сепаратором и роликами этого же подшипника. В этом заключается имитационный принцип построения схемы обработки, что обеспечивает формирование макро- и микрогеометрических параметров обрабатываемой поверхности, близких к эксплуатационным.

Для повышения производительности обработки в работе предложено двухпозиционное промышленное устройство [117], схема которого представлена на рис. 7.2.

Данное устройство состоит из расположенных соосно двух шпинделей изделия 6, 11 и инструментальной головки 1. Инструментальная головка содержит полый вал 10 с клиновым ручьем 19, расположенный в корпусе 15 на соосных подшипниковых опорах 14. На концах полого вала 10 наклонно установлены инструментальные обоймы 9,16с сепаратором 7 и комплектом тел качения 8 так, что оси симметрии 3, 17 инструментальных обойм 9, 16 пересекаются в плоскости симметрии 13 полого вала 10.

Принцип работы предложенного устройства следующий. Обрабатываемые заготовки 4, установленные в шпинделях изделия 6, помещают в рабочую

Рис. 7.2. Двухпозиционное устройство для безабразивной обработки дорожек качения подшипников зону инструментальных обойм 9, 16, обеспечивая контакт с телами качения 8, и придают вращение вокруг оси 18 с частотой пи. Посредством клинового ремня 12, помещенного в клиновой ручей 19, сообщают вращение полому валу 10 вместе с инструментальными обоймами 9, 16 с частотой пг вокруг оси 18. В результате того, что инструментальные обоймы 19 установлены на концах полого вала 10 с наклоном и вращаются вместе с ним вокруг горизонтальной оси 18, пятно контакта каждого инструментального ролика 8 будет перемещаться от одного края обрабатываемой поверхности к другому. При этом будет формироваться выпуклый профиль обрабатываемой поверхности, по своим геометрическим параметрам близкий к тому, который формируется на рабочих поверхностях деталей подшипника в процессе его эксплуатации. Профилограммы получаемых профилей обработанной дорожки качения внутреннего кольца роликоподшипника 42305 представлены на рис. 7.3. in England

••г 8

25Ш

Чт 1

ЛМАЬЕ 4N- ENGUANO

35-

-i

ТП

V .

1 с •х ■' »

I Y

J

L+M-

Г • к

-г- п а— 10 мин а= 30 мин

Рис. 7.3. Профилограммы дорожки качения внутреннего кольца роликоподшипника 42305 после имитационной безабразивной доводки

Недостатком устройства, представленного на рис. 7.2, является то, что оно может быть использовано только для обработки дорожек качения внутренних колец подшипников. Поэтому разработано промышленное устройство для доводки дорожек качения наружных колец подшипников, представленное на рис. 7.4.

Оно работает следующим образом. Инструментальные обоймы 6, 7 с сепаратором 12 и телами качения 13, установленные в инструментальных шпинделях 8, 9, помещают в рабочую зону обрабатываемых заготовок 6, 7, обеспечивая контакт с телами качения 13, и придают вращение вокруг оси 21с частотой пи. Посредством клинового ремня 22, помещенного в клиновой ручей 3, сообщают вращение полому валу 2 вместе с заготовками 6, 7 с частотой п3 вокруг оси 21. При этом сепаратор 12 с комплектом инструментальных роликов 13 в результате действия сил трения тоже получит вращение с частотой, отличной от частоты вращения пи инструментальных обойм 10,11. В результате того, что инструментальные обоймы 10,11 установлены на концах инструментальных шпинделей 8,9 с наклоном и вращаются вокруг горизонтальной оси 21, пятно контакта каждого инструментального ролика 13, вращающегося вместе с сепаратором 12, будет перемещаться от одного края обрабатываемой поверхности к другому

Рис. 7.4. Устройство для имитационной безабразивной обработки наружных колец подшипников

В результате принудительного вращения заготовок 6,7 и инструментальных обойм 10,11 вместе с сепаратором 12 и комплектом роликов 13 с различными частотами произойдет обкатывание роликами 13 обрабатываемой поверхности заготовок 6,7 с проскальзыванием и переменным давлением вдоль

Рис. 7.5. Модернизированный токарно-винторезный станок, используемый для имитационной безабразивной доводки дорожек качения внутренних колец роликоподшипников образующей обрабатываемых поверхностей. В местах наибольшего удельного давления будет обеспечиваться максимальное удаление металла с обрабатываемой поверхности, по мере уменьшения удельного давления удаление металла также будет уменьшаться. Создание регулярного микрорельефа на рабочих поверхностях роликов 13 будет способствовать интенсификации процесса отделения металла. В конце обработки в результате образования на обрабатываемой поверхности заготовок 6,7 выпуклого профиля ролики 13 будут обкатывать обрабатываемую поверхность с равномерным удельным давлением во всех точках профиля.

Как показали выполненные исследования, предложенная технология имитационной безабразивной доводки может быть использована как заключительная стадия обработки дорожек качения колец роликоподшипников.

Данную технологию целесообразно использовать при изготовлении особо ответственных подшипников, работающих в сложных эксплуатационных условиях.

Используя разработанные авторами устройства для имитационной безабразивной доводки дорожек качения, можно легко модернизировать любое металлорежущее оборудование. Так, на рис. 7.5 представлена фотография модернизированного токарно-винторезного станка, который может быть использован для безабразивной доводки дорожек качения внутренних колец особо ответственных подшипников.

7.3. Имитационная абразивная обработка рабочих поверхностей колец подшипников.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований имитационной абразивной обработки дорожек роликоподшипников могут быть использованы в различных отраслях машиностроения (станкостроение, при обработке отверстий зубчатых колес и их блоков; обработка отверстий деталей топливной аппаратуры и др.). При этом не требуется особого оборудования, обработку можно производить на модернизированных внутришлифоваль-ных, хонинговальных и сверлильных станках.

Основные технологические возможности данного способа , выявленные в процессе исследований, показали, что этот процесс целесообразно применять при обработке внутренних поверхностей за один рабочий ход крупнозернистыми брусками, которые подвергаются правке правящим инструментом, настроенным на диаметр обрабатываемой поверхности, при снятии припуска на диаметр до 0,3 мм.

Оптимальная величина продольной подачи инструментальной головки при снятии больших припусков колеблется в пределах 40-44 мм/мин.

При уменьшении припуска на обработку необходимо пропорционально повышать продольную подачу инструментальной головки.

Совмещение осей правящих абразивных инструментов и оси вращения заготовки приводит к тому, что погрешности, вызванные неточностью взаимного положения абразивного инструмента и обрабатываемой поверхности, отсутствуют. Данное условие особенно важно при обработке деталей топливной аппаратуры и отверстий зубчатых колес.

Пример практического использования имитационной абразивной обработки внутренних цилиндрических поверхностей показан на рис. 6.1.

Перед началом обработки правящий инструмент 1 (алмазный карандаш) настраивается на диаметр D и закрепляется в передней части установочно-зажимного приспособления 2. С противоположной стороны приспособления устанавливаются заготовки 3. Абразивные бруски 4 инструментальной головки раздвигаются на диаметр, больше заданного диаметра D на величину слоя абразива, который необходимо снять в процессе правки. В процессе обработки правящий инструмент 1 и заготовки 3 вращаются вокруг оси приспособления 2, а инструментальная головка получает медленное вращение вдоль этой оси. При этом абразивные бруски 4 сначала подвергаются правке на заданный диаметр D, а затем, вступая в контакт с поверхностью заготовки 3, осуществляют их обработку на заданный диаметр.

Так как оси правящего инструмента 1, абразивного инструмента 4 и заготовок 3 в данном случае специально совмещены, то погрешности формы поперечного сечения и разноразмерность деталей получаются минимальными и зависят исключительно лишь от жесткости заготовок в приспособлении и диаметральной жесткости абразивного инструмента.

Возможны и другие схемы осуществления способа имитационной абразивной обработки с тем же эффектом.

Правящий инструмент 1 и заготовки 3, установленные в приспособлении 2, в процесс обработки остаются неподвижными, а инструментальную головку с абразивными брусками 4 вращают и сообщают ей поступательное движение вдоль оси вращения, при этом бруски подвергаются правке на заданный диаметр и обрабатывают поверхность заготовки. Такая схема приемлема при обработке громоздких корпусных заготовок.

Технико-экономическая эффективность имитационной абразивной обработки заключается в следующем:

1. Повышение производительности обработки за счет ликвидации отделочных операций шлифования, суперфиниширования, ликвидации точной и трудоемкой наладки оси абразивного инструмента относительно оси изделия, а также в результате того, что диаметр абразивного инструмента, а следовательно условия обработки сохраняются неизменными.

2. Повышение точности формы поперечного сечения обработанной поверхности за счет строгого совмещения осей абразивного инструмента и заготовки.

3. Резкое снижение разноразмерности обработанных деталей, так как на протяжении длительного времени (пока не износится правящий инструмент) диаметр абразивного инструмента сохраняется постоянным.

7.4. Расчет экономической эффективности внедрения имитационной абразивной обработки

Расчет экономической эффективности ведется для обработки наружных колец радиальных роликоподшипников № 2206 на станке JI3-154 по методике, изложенной в работе /51/. Для определения экономической эффективности данного способа нет необходимости производить сравнение всех без исключения статей расхода, образующих полную себестоимость детали. Достаточно ограничиться расчетом и анализом технологической себестоимости, представляющей собой только сумму тех издержек, которые непосредственно связаны с данным вариантом технологического процесса.

Эффективность процесса обусловлена повышением производительности за счет увеличения интенсивности съема металла и сокращения, тем самым, машинного времени, за счет ликвидации операций окончательного шлифования и суперфиниширования и увеличения процента выхода годных деталей. Благодаря использованию этого способа обработки производительность по сравнению с существующей технологией возросла в 3 раза.

При расчете использовали данные первичного бухгалтерского учета, представленные в табл. 7.1.

Расчет годового экономического эффекта от внедрения нового варианта обработки производили по формуле /51/: где Э - годовой экономический эффект;

Зь Зг — приведенные затраты единицы продукции, производимой при использовании базового и нового вариантов;

Аг - годовой объем производства продукции с помощью нового варианта в натуральных единицах.

Определение годового экономического эффекта основывается на сопоставлении приведенных затрат по базовой и новой технике. Приведенные затраты представляют собой сумму себестоимости и нормативной прибыли /51/: где С - себестоимость единицы продукции; к - удельные капитальные вложения;

Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (в расчетах используется единый нормативный коэффициент Ен=0,15).

Для расчета всех затрат определим затраты на заработную плату, на электроэнергию, на амортизацию оборудования, на ремонт оборудования, на капитальные вложения.

7.1)

3 = С + Ен-к,

7.2)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований закономерностей взаимодействия инструмента и заготовки решена актуальная научно-техническая задача повышения качества изготовления роликовых подшипников путем применения имитационных технологий окончательного формообразования рабочих поверхностей их деталей.

2. Разработаны концептуальные положения создания имитационных технологий окончательной обработки рабочих поверхностей деталей подшипников, позволяющих обеспечивать формообразование, точностные и качественные параметры поверхностей, физико-механические свойства поверхностных слоев, близкие к эксплуатационным.

3. В результате исследований разработана математическая модель, раскрывающая механизм отделения металла с обрабатываемой поверхности при имитационной совместной доработке деталей подвижных сопряжений в абразивной среде и учитывающая деформацию микронеровностей дорабатываемых деталей, деформацию самих деталей, глубину царапины зерен на поверхности дорабатываемой поверхности с учетом возможности их разрушения.

4. Теоретически исследован радиальный износ поверхности при имитационной безабразивной доводке, с учетом работы силы трения, удельной внутренней энергии насыщения материала заготовки, физико-механических свойств материала, величины контактных напряжений, шероховатости и размеров заготовки и инструмента, формы площадки контакта. Установлено, что износ рабочей поверхности заготовки существенно зависит от соотношения величины тангенциальной силы сопротивления качения и силы трения скольжения.

5. Выявлен механизм исправления погрешностей геометрической формы поверхности при имитационной абразивной обработке, который учитывает перераспределение сил резания между абразивными брусками ввиду неровности припуска на обработку и вызванную этим упругую деформацию инструментальной головки, режущие свойства абразивного инструмента и состояние обрабатываемой поверхности. Установлено, что наибольшую точность обработки можно обеспечить, если жесткость крепления инструментальной головки выбрать максимальной, снизить жесткость резания и обеспечить правку абразивных брусков правящим инструментом, закрепленным на оси шпинделя изделия.

6. Разработаны и теоретически исследованы способы имитационной совместной и индивидуальной обработки деталей подшипников качения, обладающие повышенной производительностью и формообразующими возможностями.

7. Экспериментально исследованы способы имитационных технологий. Построены математические модели, которые определяют связь основных показателей эффективности и качества процесса обработки от технологических факторов. Определены рациональные режимы обработки.

8. Разработаны практические рекомендации и внедрены в производство имитационные технологии и устройства для их осуществления.

311

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Решетников, Михаил Константинович, 2004 год

1. Едигарян Ф.С. Долговечность и предельные контактные напряжения в подшипниках в связи с видами разрушения их рабочих поверхно-стей//Повышение износостойкости и срока службы машин: Сб. статей. — Киев, 1966.- С. 29-36.

2. Рещиков В.Ф. Трение и износ тяжелонагруженных передач. М.: Машиностроение, 1975.-412 с.

3. Трубин Г.К. Контактная усталость материалов для зубчатых колес. М.: Машгиз, 1962.-386 с.

4. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. — Киев: Техника, 1970.-489 с.

5. Качанов Н.Н. О характере и природе разрушения рабочих поверхностей деталей подшипников/ЛГруды института ВНИПП.-М.: 1973.- №3.- С. 2832.

6. Эрлих Л.Б. Элементы теории и механизм контактных разрушений// Вестник машиностроения. 1973.- №1.- С. 12-16.

7. Пинегин С.В. и др. Влияние внешних факторов на контактную прочность при качении. -М.: Наука, 1972.- 287 с.

8. Брозголь И.М. Влияние доводки желобов колец на качество подшипников// Обзор. М.: НИИНАвтопром, 1973.- С.46-52.

9. Герасимова Н.Н. Влияние шероховатости на контактную выносливость и долговечность подшипников// Труды института ВНИПП.-М., 1966.- №4. -С. 18-22.

10. Зыков Е.И., Китаев В.И. и др. Повышение надежности и долговечности роликоподшипников. М.: Машиностроение, 1979.-212 с.

11. Маркус Л.И. Исследование поверхностного упрочнения подшипниковых колец методом алмазного выглаживания: Дис. .канд. техн. наук: 05.02.08. М., 1968.- 138 с.

12. Торбило В.М. Исследование качества и износостойкости поверхности, выглаженной алмазными инструментами: Автореф. дис. . канд. техн. наук: 02.05.08.- М., 1966.- 17 с.

13. Шнейдер Ю.Г. Холодная бесштамповая обработка металлов давлением. -Л.: Машиностроение, 1967.- 286 с.

14. Sayles R.S., Poon S.Y. Sunfase topography and nolling clement vibrations // Pres. Eng. 1981. - vol.3. - №3. - P. 137 - 144.

15. Рязанов A.B. Исследование процесса бесцентрового суперфиниширования цилиндрических деталей: Дис. .канд. техн. наук: 05.02.08. Саратов, 1973.- 156 с.23,24,25,26