автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Исследование, разработка оборудования и освоение технологии холодной раскатки подшипниковых колец

40 На правах рукописи

N

Кишкин Иван Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ И ОСВОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ХОЛОДНОЙ РАСКАТКИ ПОДШИПНИКОВЫХ КОЛЕЦ

Специальность 05.03.05 - «Процессы и машины обработки

давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1998 г.

Работа выполнена в Московском государственном институте стали и сплавов, на ПО ГПЗ-4 и АО «ЭЗТМ».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор СИНИЦКИЙВ.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор КАЗАКЕВИЧ И.И. кандидат технических наук НОВИКОВ O.K.

Ведущее предприятие: Производственное объединение ВНИИМЕТМАШ

Защита диссертации состоится 1998 г. в час.

на заседании специализированного совета К.053.08.02 по присуждению ученых степеней в области обработки металлов давлением в Московском государственном институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Автореферат разослан «

гз» if. 1998 года.

Справки по телефону:

Ученый секретарь специализированного совета

ЧИЧЕНЕВ Н.А.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Наиболее металлоемкими и трудоемкими деталями при производстве подшипников являются кольца. На их изготовление расходуется около 70% металла и 73% трудовых ресурсов. Существенный эффект дает рациональная схема их изготовления. На ГПЗ, в кузнечных цехах широкое развитие получает производство кольцевых заготовок методом прокатки с формированием профиля поперечного сечения кольца в горячем и холодном состояниях.

Работа посвящена экспериментальному и промышленному исследованию, разработке технологии и оборудования холодной открытой тангенциальной раскатке подшипниковых колец.

Цель работы.

Разработка оборудования и освоение технологии холодной раскатки подшипниковых колец на основе изучения силовых условий процесса, экспериментальных исследований и теоретических разработок, расчетов кинематики механизмов и оценки конструктивных решений.

В работе ставились и решались следующие задачи:

■ аналитическое описание и экспериментальное исследование силовых условий деформирования металла;

■ разработка методики расчета режимов раскатки колец;

■ разработка критериев выбора заготовок под холодную раскатку;

■ оценка деформированного состояния и эффективности процесса;

■ выполнение опытно-конструкторских работ по отработке оборудования стана прокатки колец;

■ расчеты кинематики, профилировки рабочего инструмента и оценка конструктивных решений узлов стана;

■ разработка критериев проектирования оборудования кольцепрокатных станов и технических решений.

Научная новизна.

Определены внутренние силовые факторы в кольце при раскатке, усилия на упорный и контрольный ролики. Дан анализ напряженного состояния металла в очаге деформации с учетом действия внешних сил и дана методика расчета основных энергосиловых параметров раскатки.

Произведена количественная оценка деформированного состояния металла; экспериментально показано, что холодная раскатка происходит устойчиво до степеней увеличения диаметра в пределах 60-65% при структуре зернистого перлита стали ШХ15. Максимальное упрочнение металла характерно для средних слоев сечения кольца с образованием

линз максимальной прочности. С ростом степени увеличения диаметра коэффициент неравномерности упрочнения металла уменьшается с 1,41,45 до 1,25-1,28, а линзы прочности смещаются к поверхности рабочего профиля кольца.

Разработана математическая модель расчета режимов деформирования металла по стадиям процесса раскатки с учетом характеристики оборудования и точности изготовляемых колец. Она позволяет рассчитать настройку механизмов и производительность стана. Разработаны критерии проектирования, выполнены расчеты кинематики механизмов и даны технические решения оборудования кольцепрокатных станов.

Практическая ценность и реализация работы в промышленности.

Выполнены опытно-конструкторские работы по созданию технологии и оборудования стана для прокатки подшипниковых колец.

Разработаны калибровка рабочего инструмента, режимы деформирования для раскатки колец серий 311/01, 118/01, 120/01 на автоматах 4К-046.

Проведены промышленные испытания опытного образца кольцепрокатного стана СПК-1.

Разработанная методика расчета режимов деформирования металла реализована при выполнении опытно-конструкторских работ по отработке технологии и оборудования стана.

Предложены технические решения стана раскатки колец диаметром до 250 мм и модулем жесткости рабочей клети 500 кН/мм. Рекомендовано вводить параметр модуля жесткости клети в техническую характеристику стана.

Реализация работы в промышленности подтверждена двумя актами внедрения холодной раскатки подшипниковых колец на П О ГПЗ-4 г.Самара, актом приемки работ по теме «Опытно-конструкторские работы по отработке технологии и оборудования стана для прокатки подшипниковых колец», протоколом предварительных испытаний опытного образца кольцепрокатного стана СПК-1.

Экономический эффект внедрения этих работ на П О ГПЗ-4 составил 174 тыс.руб. (в ценах 1985-1986 г.г.).

Апробация работы.

Результаты доложены на научно-технической конференции МИСиС 1996 г.

Публикация работы

Основное содержание работы отражено в 5-ти печатных трудах.

Объем работы.

Диссертация содержит 170 страниц, в том числе 105 страниц машинописного текста, 72 рисунка, 26 таблиц, список используемой литературы из 45 наименований и 4 приложения.

АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА И РАСЧЕТ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА

Холодная раскатка колец является сложным процессом с точки зрения математического описания напряженного состояния металла. Она характеризуется большой асимметрией, определяемой соотношением диаметров валков DH., / dB.» > 4-ь5, приводом только наружного валка, усилием со стороны упорного ролика, объединением внешних жестких зон пластической деформации в единое кольцо. Опыты с тензомстрированием процесса и анализ экспериментальных данных показал, что очаг деформации характеризуется следующими параметрами:

9 I

Т1 = Но / h > 1, у = arcsin —L = 0,0145 рад, / = 0,5°, ц = 0,08.

"а

В этих формулах: Но - высота кольца, k - длина дуги контакта, у - угол захвата, ■/ - угол наклона хорды к горизонтальной оси, ц - коэффициент трения в очаге деформации.

Решение задачи по оценке напряженного состояния разбивали на 3 этапа:

■ определение внутренних силовых факторов и усилий на упорный (Q) и контрольный (N) ролики;

■ оценка влияния усилий Q и N на напряженное состояния металла в очаге деформации;

■ построение результирующих эпюр напряжений.

Расчетную модель первого этапа представляли в виде замкнутого кольца с внешним защемлением между наружным и внутренним валками и нагруженного усилиями Q и N. Неизвестные внутренние силовые факторы Ya, Хд, Ма статически неопределимой системы кольца определяли методом перемещений с помощью формулы Мора для кривого бруса.

Получены следующие аналитические выражения:

- со стороны действия упорного ролика:

Ya= —[cosa(/r-0,5<z)+0,5-sina]-0,5iV; ХА= Q-sina 1"°'5а | ;

Я I Я 1

** й-*г/, ^ • л Л®

Ма=~:;:—K2ir-a)-sina + cosa-ll--

2 гг L я

• со стороны, противоположной упорному ролику:

Ya= ^-[sina-a-cosa] + — ;----------Х'д =-^--sine-a ;--------------------------

¿.ж 7t 2,т

QR, ■ , MR

М'А= ——¡a-sma-cosa + ljH--.

2 я ic

В этих выражениях: R - наружный радиус кольца, a - угол между вертикальной осью и направлением усилия упорного ролика.

Анализ эпюр изгибающих моментов показал, что по границам контактной зоны действуют изгибающие моменты противоположного знака, и что при переходе через контактную зону происходит смена знака горизонтальных напряжений.

Для оценки величины усилия Q были проведены исследования с киносъемкой и тензометрированием раскатки наружных колец радиального подшипника 212. Показано, что на всех стадиях раскатки наблюдается опережение (в пределах 1-5%) металла относительно внутреннего неприводного валка. Такой характер скольжения металла можно объяснить влиянием на кольцо упорного ролика. При этом на контактной поверхности кольца с внутренним валком возникают силы трения, направленные против его вращения. Из условия равенства работ моментов этих сил и изгиба от упорного ролика относительно центра вращения кольца

Р. • Ц • гвнк • dy = Q • sin a • rBHK ■ d,, получим Q = PB (i/sina; Kp = Q/P„ = ц/sin a . (1)

где PB - радиальное усилие на наружном валке, Кр - коэффициент. По данным опытов вычисляли коэффициент К,к = Qon / Р80п и сравнивали его с Кр. Отклонения расчетных и опытных данных не превышали 5%.

Расчетные значения усилия упорного ролика Q по формуле (1)

сравнивали с данными, полученными из принятия условия пластического шарнира в контактной зоне (из кинематически допустимых полей скоростей). В этом случае усилие Q' находим из условия:

Ма = МШ1.из.; ——[(2я-а) • sina + cosa -1]--= cr„ -W

2л 'л

где сги - сопротивление деформации материала кольца с учетом

упрочнения, W™ - момент сопротивления сечения пластическому изгибу.

Отклонение Q1 от Q и от опытных данных находились в пределах 10-15%.

Минимальное усилие на контрольный ролик N определяли из условия

отсутствия его самопроизвольного подъема под действием упорного

ролика (оба ролика связаны высшей кинематической парой - профильным

кулачком с углом ср):

N=K, -Q-tgq> = (lt5 + 2)Q-tgip. (2)

Для оценки влияния усилий Q и N на напряженное состояние в

контактной зоне были проведены опыты по моделированию процесса

раскатки поляризационно-оптическим методом (ПОМ) и расчеты напряжений методом конечных элементов (МКЭ). При моделировании ПОМ выдерживали геометрическое подобие размеров колец, а также соотношение вертикальной и боковой нагрузок. То же самое выдерживалось при расчетах МКЭ. По результатам этих исследований сделаны выводы:

1. В контактной зоне (нулевом сечении) вертикальные напряжения являются напряжениями неравномерного сжатия с максимумом на внешних поверхностях. Их абсолютная величина и характер изменения не зависят от боковой нагрузки. Соотношения напряжений на внешних поверхностях: К = = 0,8 - 0,85. Во внеконтактных зонах напряжения составляют 7-10% от максимальных.

2. Горизонтальные напряжения как в контактной, так и во внеконтактных зонах - знакопеременные. В контактной зоне они растягивающие в средних слоях, сжимающие на внешних поверхностях. Боковая нагрузка практически не влияет на характер их изменения и на их величину. Во внеконтактных зонах напряжения характеризуются как напряжения изгиба. Знак напряжений определяется расположением сечения относительно нулевого; их максимальная величина сопоставима с напряжениями центральных слоев контактной зоны.

Для построения результирующих эпюр напряжений на основе анализа и исследований воспользовались известными решениями протяжки заготовок плоскими бойками (угол наклона хорды ■/ < 1°).

Напряженное состояния контактной зоны определяется показателями:

г| = Но / Д и а = Ь / 1г, где 1\ - длина контакта кольца с наружным валком, 12 - длина контакта кольца с внутренним валком.

Из условия равновесия металла в зоне раскатки: а = 1\1 стув. / оун.

Отношение ау в. / ау.„. = 0,8 н- 0,85 принимали по данным опытов ПОМ. Высоты верхнего Ь1 и нижнего Ь2 полей линий скольжения вычисляли пропорционально длинам контактных поверхностей:

Ь, = а-Но/(а+1) 112 = Но/(а+1)

Угол наклона огибающей характеристики щ определяли по формуле А.И.Целикова и М.В.Луговского: = 0,625 • 1п Н<Д.

Правильность построений полей линий скольжения определяли равенством средних напряжений аоо общей их точки. Поля были построены для колец 212.01 и 224.01 на различных стадиях их раскатки; по известным методикам определяли напряжения ах и сту в различных точках сечения колец и строили их эпюры.

В табл.1 приведены значения коэффициента напряженного состояния (пс = стп / 2к) эпюр, рассчитанные по формулам А.И.Целикова, А.Д.Томленова и экспериментальные. Отклонения расчетных параметров

от экспериментальных значений не превышают 5-6 %. Обе формулы---------

рекомендованы для практических расчетов коэффициента напряженного состояния при холодной раскатке колец.

Таблица 1

К расчету нормальных напряжений в контактной зоне

Тип кольца Стадия процесса Коэффициент напряженного состояния (па)

Эпюр ф-ла А.И. Целикова ф-ла А.Д. Томленова Экспериментальные

224.0 Раскатка 1,74 1,68 1,77 1,7

224.01 Калибровка 2,17 2,05 2,11 2,1

212.01 Раскатка 1,6 1,53 1,59 1,6

Радиальное усилие г в; на наружном валке определяли по известной методике холодной прокатки:

Ра = Рсрл В • /,• • 103 , КН /; = р-ггЯ^+Х,2 +Х,\ ММ (3)

Rnp i = Did • D„.B. / (2(Е>ы + DH.a.)) ; Xj= 1,5 - aui -R^ / 95000 где - Pcpj - среднее контактное напряжение, Мпа (Pcpi = • crui); В -ширина кольца, мм; Rnpj - приведенный радиус, мм; Dki и DHB -соответственно диаметры кольца i оборота и наружного валка, мм; Z, -радиальная подача на оборот кольца, мм; Xj - составляющая упругого сплющивания валка и кольца, мм; аш - сопротивление деформации материала кольца с учетом упрочнения, Мпа. Момент прокатки наружного валка:

M„pi = Р, ' Ч'' А ' [1+0,5 D,m / (Hi + 0,5 dBB)], кН-м (4)

где Hj - высота сечения кольца; dBB - диаметр внутреннего валка; vj/ -коэффициент плеча приложения равнодействующей (у =0,5). Мощность электродвигателя привода наружного валка: N3Bi =Mnpi • nHB. /(9,75 -г|), квт (5)

где п „ в -частота вращения наружного валка, об/мин, Г) - к.п.д. привода. При освоении технологии раскатки колец 212.01 на МХР-250 ПО ГПЗ-^колец 224.01 на СПК-1 выполнено тензометрирование параметров Р„„ Mnpi, Zj. По формулам (3-5) определяли расчетные значения

этих же параметров. Отклонения расчетных значений от экспериментальных не превышали 10%.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛА ПОДШИПНИКОВЫХ КОЛЕЦ

Все исследования были проведены на заготовках, полученных из одной горячекатаной трубы размером 95x15,8 мм из стали ШХ15. Это

позволило избежать влияния на конечные результаты таких факторов, как исходная структура и механические свойства металла заготовок. Раскатку колец наружных (профиль сечения 212.01) и внутренних (профиль сечения 118.02) производили со степенями увеличения диаметра в пределах 26-72%. Исходная структура материала заготовки - зернистый перлит.

Цель исследований:

■ определить предельные степени увеличения диаметра колец при раскатке без разрушения металла;

■ оценить механические свойства стали ШХ15 для данных условий;

Ш проанализировать характер упрочнения металла по сечению колец.

Механические свойства стали 111X15 раскатанных колец определяли

испытанием на разрыв образцов 03 мм и расчетной длиной 16 мм на гидравлической (100 кН) машине со шкалой Д. Обработку данных производили по ГОСТ 1497-73. Данные приведены в табл.2. Их анализ показал, что пластичность металла даже при деформациях в пределах 6272% высокая и достаточная, чтобы не происходило разрушения металла.

Таблица 2

Наружный диаметр Толщина Степень Времен- Удлине- Сужение

загото- колец, стенки увеличе- ное со- ние от- относи-

вок, мм мм дорожки ния диа- противле носипель тельное,

качения метра, % ниеДШа ное,% %

86,9 110,2 7,0 27 1025 9,5 41,5

89,6 120,9 7,1 36 1046 8,8 39,3

91,3 130,4 7,1 43 1058 8,4 37,6

93,2 140,9 7,0 50 1080 8,2 36,7

95,1 154,3 6,9 63 1100 8,2 35,8

95,0 166,4 6,4 72 1120 7,2 34,0

Упрочнение металла оценивали измерением микротвердости Н^ и твердости по Виккерсу Н„ на продольных и поперечных темплетах колец. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 4,9 Н с шагом 0,2 мм с последующей статистической обработкой; твердость Hv - на приборе Тп-7р-1 при нагрузке 500 Н. Неравномерность упрочнения металла оценивали коэффициентом Еу = Hv ом* / Hv min и относительной глубиной расположения сечения с максимальной величиной твердости от наружной поверхности кольца - % = Sj max / So.

Анализ этих данных показал, что упрочнение по сечению внутренних и наружных колец неравномерное и более значительное у последних. С ростом степени увеличения диаметра неравномерность упрочнения уменьшается: для наружных колец коэффициент неравномерности деформации Evmax уменьшается с 1,44-1,45 до 1,25-1,27, для внутренних

колец - с 1,3-1,32 до 1,24-1,25. Максимальное упрочнение металла -

-------характерно для промежуточных слоев как буртов, так и желоба, в

результате чего последние образуют линзу равной максимальной прочности. С увеличением степени деформации происходит смещение этой линзы к рабочей поверхности профиля кольца: для внутренних колец к наружному диаметру, для наружных - к внутреннему.

Неравномерная деформация металла обуславливает остаточные напряжения в кольцах после раскатки. Известно, что кольца проходят механическую обработку (обточку, расточку) перед закалкой. Поэтому важно знать характер и величину этих напряжений для оценки припусков механической обработки. Исследования включали механическую расточку и химическое травление колец после раскатки. Обработку данных производили по известным методикам, расчет остаточных напряжений выполняли на ПК.

Получено, что по сечению внутренних и наружных колец подшипников в рабочих зонах преобладают тангенциальные напряжения сжатия; их величина не превышает 10% от предела текучести материала колец. Остаточные напряжения не приводят к недопустимым искажениям геометрии изделий при их последующей механической обработке (расточке, обточке).

СТРУКТУРА МЕТАЛЛА И ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ ЗАГОТОВОК. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАСКАТКИ.

Раскатка колец характеризуется высокой дробностью деформации (пд > 20), которая позволяет применять значительные степени увеличения диаметра ( ер > 60%). Однако неравномерность структуры, растягивающие тангенциальные напряжения отдельных элементов кольца уменьшают деформируемость металла. Единичные кольца не выдерживают степеней увеличения диаметра даже в пределах 10-15%: на внутренней поверхности буртов появляются видимые трещины. Были выполнены исследования, установившие причину отмеченных явлений.

Детальное исследование поверхности годных колец позволило обнаружить на их внутреннем диаметре неглубокие язвы. Это указывает на наличие в металле как годных, так и бракованных колец небольших по размеру ослабленных участков (микрообъемов) с пониженной пластичностью, где и происходит зарождение трещин. Произойдет ли локализация их с образованием язвы или дальнейшее распространение в глубину заготовки зависит от структуры и свойств основной массы металла - матрицы. В случае пластичной матрицы напряжения в вершине зародышевой трещины релаксируются, и трещина локализуется с

образованием неглубокой язвы. Если пластичность основного металла мала, то трещина прогрессирует, разрастается, распространяясь в глубь заготовки. Таким образом, необходимо было ответить на два вопроса:

1) что представляют собой в стали ШХ15 ослабленные участки?

2) какое структурное состояние матрицы способствует локализации, а какое росту - зародышевой трещины?

Сталь ШХ 15 имеет карбидную ликвацию - скопление первичных карбидов в местах повышенной концентрации хрома и углерода. В исходном состоянии микротвердость в основном металле и в строчках карбидов различается на 12,9% (Hvm = 2900 Н и Hvm = 3280 Н соответственно). При холодной продольной прокатке с обжатием 70% это различие возрастает и составляет 20,4% (Н^50 = 5110 Н основного металла и Нц50 = 6150 Н строчек карбидов). С увеличением прочностных характеристик уменьшается пластичность карбидных строчек. Таким образом, строчки карбидов, имеющие ликвационную природу, являются ослабленными участками, характерными для стали ШХ15 вообще.

Для ответа на второй вопрос рассмотрены наиболее типичные структуры стали ШХ15. В зависимости от режима термической обработки структура может представлять либо зернистый перлит, либо пластинчатый перлит. При продольной прокатке образцов со структурой зернистого перлита металл не разрушается даже при относительных обжатиях в пределах 70%. При прокатке же образцов со структурой пластинчатого перлита происходило разрушение металла даже при относительных обжатиях 5-10%. Анализ их структуры показал, что в месте образования трещины четко просматриваются участки пластинчатого перлита. Следовательно, распространение зародышевых трещин в глубь заготовок происходит по участкам пластинчатого перлита.

Раскатанные черновые кольца (полуфабрикаты) обладают достаточно высокой точностью по наружному диаметру и стабильными размерами. Материалы статистической обработки партии из 200 раскатанных колец подшипника типоразмера 212.01, изготовленных в автоматно-токарном цехе ПО.ГПЗ-4 показали, что при разностенности заготовок 8-10% разностенность 100% колец укладывается в пределах 1-1,2%. Предельные отклонения толщины стенки от среднего значения в партии - мм. Относительная овальность всех 100% колец - не более 0,12%. Математическое ожидание конусности в партии: M(ADk) = ЛТ\ = 0,12 мм овальности ДЕ>0В = 0,06 мм. Принимая нормальное одномерное распределение для параметров с вероятностью 0,99, пользуясь табулированными значениями функции Лапласа, получим предельные значения: для конусности ADi.npM.= AD* • 2,1 = 0,25 мм, для овальности

AD0B np = ADO0 rip -2,1 =0,126 мм. Данные параметры укладываются в поле "допуска намеханическую обточку заготовок (0,2+0,25) мм.

Произведена оценка эффективности уменьшения разностенности путем сравнения различных вариантов изготовления колец:

И точением из труб заготовок на автоматах;

О холодной раскаткой заготовок в полуфабрикаты с последующей механической обработкой.

Минимальная толщина стенки в обоих вариантах:

Sk^Sp,(1-0,5-е,,) ; Sk// = Sp2(l-0,5-e2p) ; Sk' = Sk"

SP2 = Sp, (1- 0,5-б1з) / (1- 0,5-s2p) = K' • Sp,

где: Spi, Sp2 - соответственно, средняя толщина стенки заготовок для первого варианта и полуфабрикатов для второго варианта; Eh, е2р -разностенность относительная, соответственно, для первого и второго вариантов.

По данным опытов коэффициент К7 изменяется в пределах 0,87+0,93. Так при изготовлении колец холодной раскаткой из заготовок горячекатаных труб по ГОСТ 801-78 (е1з = 15%, е2р = 2%) : К' = (1-0,5-0,15)/(1-0,5-0,02) = 0,93. Практически, только за счет уменьшения поперечной разностенности коэффициент использования металла увеличивается на 8-10%.

Выбор размеров заготовок по обоим вариантам будет различным. В первом случае: Sip3 = S|//(l-0,5-sl3).

Во втором рекомендуется учитывать степень увеличения диаметра при раскатке и относительную разностенность полуфабрикатов:

S23 = 0,5-Dpk ! (1+Sp) - ,¡0,25

¿L

'0 + f,)2

F,

Pk

Bk-(1-s2p) сечения

где: Ррк - площадь поперечного полуфабриката ; Ц увеличения диаметра.

Расчетные значения размеров трубных сравниваемых вариантов приведены в табл.3.

тернового

кольца

рк - наружный диаметр кольца, &р - степень заготовок для обоих

Таблица 3

№ Степень Разностенность Размеры исходных Масса Эконо-

ва- увели- относительная заготовок исход- мия

риан- чения Исходных Полуфаб- Наружный Толщина ных за- металла,

та диаметра заготовок, рикатов, диаметр, стенки, готовок, %

% % % мм мм кг

1 0 20 - 110,5 9,78 0,546

2 28 20 2 86,5 10,65 0,435 20,3

Вторым фактором эффективности холодной раскатки является приближение формы полуфабриката к профилю чистовых колец. С учетом припусков на механическую обработку и разностенности в пределах 4% были рассчитаны массы черновых колец полуфабрикатов радиальных шариковых и сферических роликовых подшипников.

Также были рассчитаны массы заготовок для этих же колец по базовой технологии как фигуры описанных цилиндров профиля сечения кольца с учетом припусков для горячей штамповки по ГОСТ 7505-74 и ГОСТ 80178 на горячекатаные трубы. Определяли коэффициент использования металла как отношение массы чистовых колец механической обработки к массе полуфабрикатов холодной раскатки и массе заготовок базовой технологии. Для колец радиальных шариковых подшипников серий 200, 300 и 400 коэффициент использования металла базовой технологии составляет 0,53-0,62, по новой технологии холодной раскатки, соответственно, - 0,8-0,84. Экономия металла - 25-28%. Для колец сферических роликовых подшипников серий 3500 и 3600 коэффициент использования металла увеличился с 0,56-0,67 горячей раскатки колец до 0,75-0,85 их холодной раскатки; экономия металла составляет 20-28%.

РАСЧЕТ И АНАЛИЗ РЕЖИМОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛА

Режимы деформирования определяются скоростью прокатки Уо и скоростью радиального перемещения рабочего валка У„ . Величиной, связывающей оба эти параметра, является радиальная подача на оборот кольца:

Ъх = У„ • Ши / У0 , мм /оборот (6)

Тепловой баланс раскатки представляли в виде: А<3 = 0»* + 0ф-0»-0», (7)

где : АО - приращение тепла при раскатке; Од^ф - тепло, получаемое в результате пластической деформации; С^ - тепло, получаемое кольцом от трения металла о валки; - тепло, отдаваемое кольцом валкам; С>зм -тепло, отдаваемое кольцом охлаждающей эмульсии. Составляющие теплового баланса:

1 '*"/ Оыф + Ял- = -1шх ^р-Ь'ТлРср, -2,);

ДО=СмСм(Тк-Т0); Оа=2ВкШХх(Тк-Т0) ; Оэ„=Ууэм Сэы тх(Тэм2-Тэм1)

где Тк и Т0 - температура кольца, соответственно после раскатки и начальная; Т,чь Т-,м2 - температура эмульсии, соответственно в подводящем и отводящем трубопроводах.

По данным опытных работ (колец 224.01 и 212.01): Тк = 35°С, То=20°С, Тэм1 = 20°С, Тэм2 = 30°С.

Решая уравнения (7 ) относительно У0, получаем:

+ _ (0,6+10,125-И7,5)-4180_ /

4465-40-035-0,88 " ' /с

Полученные значения У0 укладываются в параметры (У0 = 2 м/с) технических характеристик оборудования станов холодной раскатки (СПК-1,4К-046).

Важным показателем стабильности процесса является отсутствие чрезмерного разогрева металла при раскатке. Это необходимо чтобы не происходило разупрочнения металла, а также для 100% контроля геометрических размеров изделий. При скорости прокатки У0 = 2 м/с и охлаждении СОЖ температура колец не поднимется выше 35°С и, следовательно, данное условие выполняется. Это также подтверждают данные прокатки.

Скорость радиального перемещения валка Уг; определяется: номинальным усилием гидропривода, типом упора (неподвижный или управляемый подвижный), жесткостью рабочей клети, размерами колец. Различают двухстадийный процесс раскатки при неподвижном упоре (собственно раскатка и калибровка) и трехстадийный при подвижном упоре (интенсивная раскатка, раскатка на упоре, калибровка). Разработана математическая модель расчета режимов деформирования металла, отражающая специфику этих стадий процесса. Составлена программа расчета, реализованная на ПК. Программа включает: подпрограмму А расчета номинального усилия раскатки из условия захвата заготовок, подпрограмму Б определения диаметра кольца начала стадии калибровки, основную программу расчета по стадиям процесса. Исходные данные для расчета: геометрические размеры и механические характеристики заготовок Н3, сти ), диаметр и ширина кольца (Ок, В*), диаметры наружного и внутреннего валков (Е>„в, с1вв) , модуль жесткости рабочей клети (С,) , коэффициенты трения и упрочнения металла (ц, Аь п(), скорости прокатки (У0) и подвижного управляемого упора (со).

Подпрограмма А- Из условия захвата заготовок определяем радиальную подачу :

^ = 2[ц(<Звв/2+Н3) - 21в-е/КгРк]2 / {[(с!вв+Нз)/Онв+1]-(с1вв /2+Н3)} (8)

где: 1в, е - момент инерции и угловое ускорение внутреннего валка; К1 - коэффициент (К1=72-75), Рк - поперечное сечение кольца, мм2. Принимая 2о = 0,8 • , находим номинальное усилие раскатки: Рн = Р'ср -В,Цг,-2^+Х^+Х,), (9)

где ^ - среднее контактное напряжение, равное Р^р = 1,8-о„ .

Подпрограмма Б. Из условия заданной геометрии наружного диаметра кольца находим минимальную радиальную подачу в конце стадии калибровки:

2*,™, = Ак • Нк / (Ок ■ N¿3 (10)

где: Дк - допуск на наружный диаметр кольца (Лк = 0,05 мм), Ир' -число оборотов кольца при отводе внутреннего валка (Ыр' = 3). Из условия равновесия кольца имеем:

Рн = +гк)-ск +Рсрк-вк (11)

где Уц - упругая деформация рабочей клети в расчетный момент, мм.

Уравнение (11) решаем относительно Ъ^ . Расчет ведем в цикле против направления калибровки, за такт принимаем оборот кольца, после каждого оборота величину V* уменьшаем на Ъ^ . При расчете определяем диаметр кольца, в основную программу выводим 1)^, определяющий начало стадии калибровки.

Основная программа.

Раскатка без упора. Радиальная подача определяется номинальным усилием раскатки Рн и имеет вид:

2, = ((Л, /(Рср, а)-*0-оГ -*О-О)Ф'Я.рСМ)). мм (12)

Расчет ведем в цикле, определяем основные силовые нагрузки

>

процесса, размеры кольца, время 1 оборота и суммарное . Выход из

1-1

цикла по условию: Н'к < 0,7Но + 0,ЗНк.

Раскатка на подвижном управляемом упоре. Радиальная подача характеризуется двумя компонентами: Ъ^Щ + ЪЪ]

где: А2:у - подача подвижного упора, - подача, определяемая жесткостью рабочей клети.

А^ = е [5щ(сгХгу)-5т(Е72>у)} (13)

>1 м

где е - величина эксцентриситета поворотного упора (е = 5 мм).________

Условие равновесия кольца при раскатке имеет вид:

+ Х{Н )\ О4)

Решаем уравнение (14) относительно BZj , подставляя подачу А2, из уравнения (13). Расчет ведем в цикле, рассчитьшаем параметры, приведенные выше, выход из цикла по величине подпрогрммы Б.

Калибровка колец.

Условие равновесия кольца имеет вид:

Р:! = К, + гт)-ск+ Рсгя. в,+ (15)

Предварительно, принимая /7срт= 1,05 рСр.ш-ь решаем уравнение (15) относительно радиальной подачи . Расчет ведем в цикле, определяем основные силовые нагрузки процесса, размеры кольца. Выход из цикла по величине наружного диаметра кольца Ок.

Корректность предложенной методики расчета оценивали сравнительным анализом расчетных и опытных данных раскатки колец 224.01. Отклонения исследуемых параметров не превышали 10%.

Математическая модель расчета режимов деформирования позволила оценить влияние на раскатку и рассчитать предпочтительные значения таких параметров, как номинальное усилие стана, жесткость рабочей клети (Ск), скорость подвижного упора. Материалы расчетов и их анализ приведены в диссертации. Определяющим параметром стабильности процесса является жесткость рабочей клети. Для раскатки колец шириной В>50 мм рекомендовано выбирать значение модуля жесткости рабочей клети в пределах Ск = 450+500 кН/мм.

РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ КОЛЬЦЕПРОКАТНЫХ

СТАНОВ. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ. КИНЕМАТИКА.

КРИТЕРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

АО «ЭЗТМ» совместно с ПО ГПЗ-4 и МИСиС разработали и изготовили кольцепрокатный стан усилием 500 кН (СПК-1). Стан предназначен для холодной раскатки поковок или трубных заготовок колец подшипников. Работа стана осуществляется в автоматическом режиме. Стан прошел предварительные производственные испытания и направлен на ГПЗ отрасли.

Стан имеет 2-х опорное крепление наружного приводного валка, 2-х опорное крепление разъемного внутреннего валка, поворотный 2-х плечевой силовой рычаг, эксцентриковый управляемый подвижной упор, гидромотор для подкрутки внутреннего валка.

Контрольный ролик крепится в специальных направляющих и кинематически связан с упорным роликом поворотным блоком с профильным кулачком. В процессе отладки и испытаний оборудования на опытном стенде АО «ЭЗТМ» разработана профилировка кулачка для раскатки колец 224.01. При расчете учитывалось смещение кольца из зоны деформации по линейному закону: б = бюах (0,5 Е>и - Rmt ) / (Rk - Riar)

где: Smax - максимальная величина смещения (8^ = 6 мм) ; R,^, R^ -соответственно, наружные радиусы заготовки и кольца после раскатки.

Так как кулачок совершает вращательное движение, то его профиль (угол ас и радиус у) рассчитывали в полярных координатах. Выражали угловую координату точки контакта кулачка с опорным роликом: Q = Q1 + Q2; Qi = (Htt-HJ/ri; 02 = «о.1,-аол ; Ни = J(0fiDM + 0,5ДИ)2-б1 +0,5¿y2+(¿-r)2 (16)

Полярный радиус точки контакта у определяли по теореме косинусов, а угол оо - по теореме синусов:

у = +/,2 -2/0/, - cosa, -г2 ; сц, = arcsm((/rsmai)/(y+r4)) (17) Входящие в формулы значения углов и расстояний принимали из геометрических соотношений чертежа конструкции механизмов зоны раскатки. Расчет профиля кулачка производили на ЭВМ ЕС 10-20, а его профилировку - на координатно-фрезерном станке. При прокатке опытной партии (280 колец) работа механизмов зоны раскатки была устойчивой.

В процессе подготовки технической документации, испытаний опытного образца СПК-1 и анализе материалов установлены основные требования и критерии проектирования оборудования кольцепрокатных станов. Основные из них следующие:

■ жесткость рабочей клети;

■ гидропривод радиального перемещения внутреннего валка с регулированием давления;

■ автономность приводов механизмов зоны раскатки или их жесткая кинематическая связь;

■ минимальное количество гидроприводов механизмов и их однотипность;

■ наличие подвижного упора.

Кольцепрокатные станы относятся к машинам квазистатического действия, работающим в режиме переменных нагрузок. При этом жесткость клети играет активную роль в процессе раскатки, особенно на стадии калибровки. Для стана СПК-1 были составлены расчетные схемы механизмов силовой цепи и определена их суммарная упругая деформация. При номинальном радиальном усилии 500 кН она составила: fj; = 1,636 мм. Расчетный модуль жесткости клети стана равен:

CM = P„/fE = 5-105/ 1,636 = 305,6 кН/мм. __________________ ___________________

------ При отладке оборудования СПК-I получено значение = 290 кН/мм.

Отклонение расчетных значений от экспериментальных равно 2%. Данные значения коэффициента жесткости укладываются в диапазон технических требований кривошипных прессов холодной штамповки по ГОСТ 7600-70 (См= 300+1200 кН/мм).

Из анализа расчетных значений получено, что 80% упругой деформации рабочей клети составляет деформация поворотного силового рычага. Для увеличения значения Си необходимо новое техническое решение данного узла. Предложен вариант его выполнения монолитным литым из стали 35JT с ребрами жесткости. С учетом новых технических решений упругая деформация клети составила: fj>„= 0,872 мм, а модуль жесткости: Скл = 5-105 /0,872 = 570 кН/мм.

Режим работы стана - повторно-кратковременный, поэтому на стабильность работы его механизмов большое влияние оказывают зазоры в соединениях. Они должны быть минимальные и симметричные относительно раскатываемых изделий. Для СПК-1 радиальные зазоры, приведенные к валкам, составили: для левой опоры - 0,661, для правой опоры - 0,560 мм. Предложены технические решения по уменьшению этих зазоров и их выравниванию: радиальные зазоры подшипниковых опор внутреннего валка выбирать тарельчатыми пружинами. Все соединения рекомендовано выполнять по 7 квалитету.

В существующих конструкциях кольцепрокатных станов применяют две схемы: первая - упорный и контрольный ролики связаны высшей кулачковой связью, вторая - упорный ролик автономен, имеет индивидуальный гидропривод с гидросхемой управления. Обе схемы работоспособны, имеют положительные и отрицательные стороны и имеют свою область применения. Перемещение упорного ролика в первой схеме не зависит от усилия раскатки, механических характеристик металла заготовок. Оно определяется геометрическими размерами наружного диаметра кольца. Схема устойчива к вибрациям заготовок на начальной стадии раскатки. Изменяя профилировку кулачка, можно корректировать смещение кольца из зоны раскатки. Первую схему целесообразней использовать при раскатке черновых заготовок с повышенной разностенностью, в частности, штамповок, а также при большой их жесткости (D/t < 8).

Во второй схеме упорный ролик смещается под действием увеличивающегося диаметра кольца. Перемещение ролика зависит от механических свойств заготовок, от настройки гидросхемы управления. Схема чувствительна к вибрациям заготовок. Преимущества схемы -простота конструктивного исполнения. Область применения: раскатка колец из трубных заготовок с малой жесткостью (Do/to > 8).

Калибровка («выхаживание») колец производится за счет упругих деформаций деталей рабочей клети. При наличии жесткого упора возникают динамические нагрузки в приводе и силовых узлах стана, резко уменьшается подача внутреннего валка, происходит динамическое возрастание деформаций рабочей клети. Этот приводит к сокращению времени калибровки, непостоянству размеров изготавливаемых изделий, уменьшению долговечности узлов стана. Подвижной управляемый упор позволяет избежать этих недостатков. Кроме того, можно весь процесс раскатки вести на упоре, например, применяя профильный кулачок. Подвижный упор увеличивает мобильность управления процессами раскатки. Конструктивное его выполнение определяется номинальным усилием стана.

Рассмотренные выше критерии реализованы в технических решениях кольцепрокатного стана СПК-250.

Техническая характеристика стана: Наружный диаметр раскатываемых колец 200+250 мм

Ширина (высота) колец 40+80 мм

Радиальное усилие на валки (не более) 500 кН

Крутящий момент привода наружного валка 6,5 кН-м

Модуль жесткости рабочей клети стана 570 кН/мм

Производительность стана 120+140 шт/час

Отличительные особенности СПК-250:

1. Контрольный и упорный ролики зоны раскатки кинематически связаны кулачком в виде клина.

2. Гидропривод контрольного ролика одновременно выполняет функции механизма выдачи колец из зоны раскатки.

3. Радиальные подшипники обеих опор внутреннего валка снабжены устройством выбора радиальных зазоров в виде тарельчатой пружины и дополнительной опоры. Внутренний валок имеет электропривод для раскрутки его перед раскаткой.

4. Наружный валок составной, профильный калибр крепится на вал переходной посадкой 0360 Н7/к6 и фиксируется в окружном направлении торцевой шпонкой.

5. Устройство задачи заготовок в зону раскатки автономное, снабжено дозаторами, манипулятором с клещевой головкой.

6. Для радиальных и осевых перемещений механизмов используются только гидроприводы.

Ползун контрольного ролика имеет профильный кулачок в виде клина. Расчет кулачка производили в декартовых кординатах, угол наклона опорной поверхности клина определяли как:

% = агсГё (Ах/(Ау, +Ауг)) (18)

где: Ах - горизонтальное перемещение точки контакта кулачка с опорным роликом; Ау) - вертикальное перемещение кулачка; Ду2 -дополнительное вертикальное перемещение, обусловленное поворотом точки контакта.

Значения перемещений Ах и Ау имеют вид: Дх^фпан-втаю); Лу| = Н* - Н); Ау2 = А (сое аю - сое аи) (19)

Углы и геометрические параметры были определены по кинематической схеме механизмов зоны раскатки. Расчеты показали, что угол профиля кулачка постоянен и равен 6°10/ для колец 224.01.

Технические решения СПК-250 выполнены на уровне эскизного проекта и приведены в диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Определены силовые параметры рабочих узлов кольцепрокатных станов, дана оценка скорости прокатки. Разработана и реализована на ПК математическая модель расчета режимов деформирования металла с учетом характеристики оборудования (жесткости рабочей клети, скорости подвижного упора, номинального усилия), и точности изготовляемых колец. Модель позволяет определить настройку механизмов зоны раскатки, рассчитать время раскатки и производительность стана.

2. Экспериментальными исследованиями показано, что раскатка наружных и внутренних подшипниковых колец происходит устойчиво при степенях увеличения диаметра до 60-65% и структуре зернистого перлита стали ШХ 15. Уровень пластических свойств материала колец даже при предельных деформациях высокий (5 >7+8 %, *Р > 34-5-36 %) и достаточный, чтобы не происходило разрушения металла. При структуре пластинчатого перлита разрушение металла происходит при степенях увеличения диаметра е = 5-10%, и такая структура ШХ 15 не должна применяться при прокатке колец.

3. Упрочнение металла по сечению колец неравномерное: максимальное в средних слоях желоба и буртов с образованием линзы равной прочности. С ростом степени увеличения диаметра коэффициент неравномерности упрочнения уменьшается: для наружных колец соответственно с 1,44+1,45 до 1,25+1,27, для внутренних - с 1,3+1,32 до 1,24+1,25. Кроме того, происходит смещение линз максимальной прочности к поверхности рабочего профиля кольца.

4. При раскатке относительная разностенность заготовок уменьшается в 810 раз, что позволяет получать стабильные размеры колец из заготовок горячекатаных труб по ГОСТ 801-78 и поковок по ГОСТ 7505-74. Материалы статистической обработки опытных партий и серийной

технологии показали, что предельные отклонения толщины стенки, конусность и овальность раскатанных колец укладываются в поле допуска на механическую обточку заготовок (0,2+0,25 мм).

' Коэффициент использования металла увеличивается в сравнении с горячей раскаткой с 0,56+0,67 до 0,75+0,85.

5. Проведена отладка и испытания оборудования опытного образца кольцепрокатного стана для изготовления колец диаметром до 250 мм. Прокатаны опытные партии, выданы рекомендации по освоению оборудования и технологии у заказчика.

6. Проведен анализ кинематики механизмов зоны раскатки и рассчитана профилировка кулачка упорного ролика стана. Дана оценка жесткости отдельных узлов и в целом рабочей клети, даны конструктивные решения по увеличению показателей жесткости. Разработаны критерии проектирования оборудования кольцепрокатных станов холодной раскатки.

7. Предложены конструктивные решения (на уровне эскизного проекта) стана раскатки колец диаметром до 250 мм, выполненные на основе предложенных в диссертационной работе критериев.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Шапошников Д.Ф., Половцев Е.И., Кишкин И.В. Разработка и внедрение открытой холодной раскатки подшипниковых колец. СбЛодшипниковая промышленность, 1985, № 5. НИИНАвтопром.

2. Кишкин И.В. и др. Определение смещения колец при холодной раскатке. Сб.трудов ВНИПП, 1986, № 15.

3. Половцев Е.И., Кишкин И.В., Вергизов А.М. Неравномерность деформации при холодной раскатке подшипниковых колец. СбЛодшипниковая промышленность. 1986, № 3. М.:НИИНАвтопром.

4. Кишкин И.В. Расчет и анализ режимов деформации холодной раскатки подшипниковых колец. В сб.Теория и технология процессов пластической деформации. Труды н.-т.конференции. М.:МИСиС. 1997г.

5. Кишкин И.В., Наумов СЛ., Половцев Е.И. Оборудование станов холодной раскатки подшипниковых колец. В сб.Теория и технология процессов пластической деформации. Труды н.-т.конференции. М.:МИСиС, 1997г.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Инженер Кишкин И.В.

ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ И ОСВОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ХОЛОДНОЙ РАСКАТКИ ПОДШИПНИКОВЫХ КОЛЕЦ

Специальность 05.03.05 - «Процессы и машины обработки

давлением»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

СИНИЦКИЙВ.М.

Москва, 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение............. .............. ........ 4

1. Литературный обзор

1.1 о Влияние холодной пластической деформации на свойства

подшипниковой стали .......... ..............7

1„2»Анализ известных решений раскатки подшипниковых колец

в холодном состоянии. ...................... 9

2 о Напряженное состояние металла при холодной открытой

раскатке колец . ........... _ _ ХЗ

2„1 о Исследование напряжений поляризационно-оптическим

методом ............ ..................... . 13

2.2 о Оценка напряжений методом линий скольжения .............. 28

2„3„Расчет напряжений при раскатке колец с активным

контролем наружного диаметра .......................36

Зо Экспериментальное исследование деформированного

состояния металла подшипниковых колец .... ....... .60

3 о 1 о Упрочнение металла при холодной раскатке .............. 60

3„2 о Исследование деформаций металла методом координатной

сетки.................................. . 71

3 о 3.Исследование остаточных напряжений в раскатанных

кольцах , .......................................

3.4„Оценка деформируемости металла ШХ15 при раскатке„ ..... , ,34

4„ Разработка технологических параметров процесса ......... , 88

4 о 1 о Влияние исходной структуры заготовок на

деформируемость металла . .............,.,,., , 88

4.2.Геометрические размеры и тип заготовок.

Точность изделий , ....... v . ......93

4„3„Оценка эффективности раскатки ........ _ . . г .102

4 о 4.Определение скорости раскатки из теплового баланса

деформации „ _....... . , .....107

5. Оборудование станов кольцевой раскатки» Режимы деформирования о Конструктивные решения, их выбор

и анализ....................,. ............. . III

5.1 о Энергосиловые параметры раскатки колец. Опытные и

расчетные значения............ ....... . . ... . . .Ш

5.2.Разработка методики расчета режимов деформирования металла................................... 116

5.3.Анализ и выбор режимов деформирования металла.

Влияние жесткости рабочей клети на раскатку........ 121

5.4.Механизмы зоны раскатки. Кинематика. Схемы, расчет., 131

5.5.Конструктивные решения станов кольцевой раскатки. Кинематика механизмов. Критерии проектирования ........ 139

Литература ................ ...................... 162

Приложения....................jpr

ВВЕДЕНИЕ

Эксплуатационные показатели большинства машин и механизмов станков, автомобилей, железнодорожного подвижного состава, авиационных двигателей, прокатных станов в значительной степени зависят от точности, долговечности и надежности подшипников качения - одного из важнейших и наиболее распространенных элементов этих устройств.

Наиболее металлоемкими и трудоемкими деталями

подшипникостроения являются кольца. На их изготовление расходуется около 70% металла и 73% трудовых ресурсов. Существенный эффект дает рациональная схема их изготовления. На ГПЗ, в кузнечных цехах, получает широкое развитие производство кольцевых заготовок методом прокатки с формированием профиля поперечного сечения кольца в горячем и холодном состояниях.

Большой вклад в развитие теории и практики прокатки колец в горячем состоянии внесли А.И.Целиков, В.В.Смирнов, Л.В.Черневский, М.Я.Бровман, А.Д.Томленов, Г„А.Остроушкин и др.

Структура материала заготовок, направление волокон вдоль конфигурации рабочих поверхностей играют существенную роль в повышении контактной прочности элементов подшипников. Эти свойства заготовки получают при холодной пластической деформации раскатке. Холодная раскатка колец развивается в двух направлениях" точная с получением профиля изделия перед закалкой и черновая с последующей механической обработкой и закалкой. Первый способ получил развитие в зарубежной практике, по второму способу на ряде отечественных подшипниковых заводов внедрены открытая тангенциальная и торцевая раскатки колец. Большой вклад в разработку этих методов внесли ученые и практики Богоявленский К.Н., Лапин В.В., Половцев Е.И., Шапошников Д.Ф. Как отмечается в работе [1] холодная прокатка колец подшипников позволяет повысить использование металла с 50 до 70-75%. Однако решающего прорыва ее нет из-за недостаточности изученности процесса.

Отсутствуют:

• аналитическое описание и экспериментальное исследование силовых условий деформирования металла;

• методика расчета режимов раскатки колец;

• критерии выбора заготовок под холодную раскатку;

• оценка деформированного состояния и эффективности процесса.

Работа посвящена экспериментальному и промышленному исследованию, разработке технологии и оборудования холодной открытой тангенциальной раскатке подшипниковых колец [2].

В работе ставились и решались следующие задачи:

■ аналитическое описание и экспериментальное исследование силовых условий деформирования металла;

■ разработка методики расчета режимов раскатки колец;

■ разработка критериев выбора заготовок под холодную раскатку;

■ оценка деформированного состояния и эффективности процесса;

И выполнение опытно-конструкторских работ по отработке

оборудования стана прокатки колец;

Ш расчеты кинематики, профилировки рабочего инструмента и оценка конструктивных решений узлов стана;

■ разработка критериев проектирования оборудования кольцепрокатных станов и технических решений.

На защиту выносятся основные материалы теоретических и конструкторских разработок, результаты экспериментальных исследований. А именно:

1. Анализ напряженного состояния металла кольца при раскатке с учетом действия внешних сил, методика определения этих сил и коэффициента напряженного состояния металла контактной зоны, а также основных энергосиловых параметров процесса.

2. Экспериментальное исследование деформированного состояния с оценкой коэффициентов неравномерного упрочнения металла подшипниковых колец. Влияние неравномерности деформации на механические свойства материала и остаточные напряжения раскатываемых колец.

3. Критерии выбора заготовок по геометрическим размерам и структуре металла для достижения степеней увеличения диаметра

в пределах 50-60%, обеспечивающих высокую конечную контактную прочность изделий. Оценка эффективности раскатки вследствие высокой точности геометрических размеров изготавливаемых полуфабрикатов и приближением их формы к профилю чистовых колец.

4. Разработка математической модели расчета режимов деформирования металла по стадиям процесса раскатки с учетом характеристики оборудования и точности изготавливаемых колец. Режимы деформирования определяются скоростями прокатки и радиального перемещения рабочего валка. Анализ режимов деформирования позволил оценить влияние на процесс раскатки таких параметров как модуль жесткости клети стана, скорость перемещения подвижного упора, номинальное усилие стана. Модель позволяет рассчитать настройку механизмов, время раскатки и производительность стана.

5. Материалы опытно-конструкторских работ по отработке оборудования стана прокатки колец СПК-1 и кинематическая схема стана. Расчеты кинематики механизмов зоны раскатки, профилировки кулачка упорного ролика кольцепрокатных станов.

6. Основные требования и критерии проектирования оборудования кольцепрокатных станов, их реализация в конструктивных решениях узлов стана СПК-2 50, кинематическая схема стана.

1„ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1 о 1 » Влияние холодной пластической деформации на свойства

подшипниковой стали

Эксплуатационные характеристики динамической и

статической грузоподъемности, а также долговечности подшипников определяются твердостью и контактной выносливостью их элементов (колецу тел качения). Стабильность геометрических размеров последних определяет класс точности подшипников [3] о Высокие многократно повторяющиеся напряжения в местах контакта элементов качения предъявляют высокие требования к структуре и свойствам подшипниковой стали„

В исходном состоянии подшипниковая сталь имеет основу, состоящую из мартенсита и остаточного аустенита, вкрапленных в нее карбидов (Fe3C или (FeCr)3C) и неметаллических включений (оксидов, глобулей, сульфидов)» Карбидная неоднородность

проявляется в виде карбидной ликвации, карбидной и структурной полосчатости, карбидной сетки [4]. Отрицательную роль на долговечность подшипников оказывает структурная полосчатость, в то же время мелкие не растворившиеся карбиды увеличивают ее [5]. Уменьшение балла структурной полосчатости и карбидной сетки до единицы увеличивает контактную прочность образцов [4]„ Мелкозернистые карбиды, переходя при нагреве под закалку в твердый раствор, увеличивают после термообработки (закалка с низкотемпературным отпуском) твердость стали, а вместе с ней и износостойкость„ Авторы [6] установили, что растворимость карбидов должна быть такова, чтобы обеспечить оптимальное содержание углерода в твердом растворе на уровне 0,5-0,6%.

Влияние неметаллических включений на долговечность подшипников не однозначно» По данным [4] оксидные и глобулярные включения почти в равной степени оказывают вредное влияние на эксплуатационные свойства стали. В то же время умеренное содержание сульфидов оказывает положительную роль„ Такие же результаты получены в работе [5] „При этом наибольшее влияние оказывают крупные глобулярные и оксидные включения [4].

Уменьшить величину зерна карбидов, хрупко разрушить неметаллические включения позволяет холодная пластическая деформация металла о Схема термомеханического упрочнения, при которой термической обработке (закалке с отпуском) предшествует холодная пластическая деформация, получила название ПТМО (предварительная термомеханическая обработка)„ При этой схеме холодная пластическая деформация может быть отделена от термообработки в технологическом цикле сколь угодно большим промежутком времени. ПТМО подвергают сталь со структурой феррито-карбидной смеси той или иной степени дисперсности„ Установлено [3] , что при пластическом деформировании происходят существенные изменения дислокационной структуры феррита и тонкого строения цементитных частиц,, в сильной степени зависящие от формы карбидов и расстояния между ними. Когда цементит в исходной структуре имеет глобулярную форму, его присутствие не оказывает какого-либо влияния на дислокационную структуру феррита при наклепе. При повышении степени деформации

увеличивается плотность дислокаций в ферритной матрице, карбидные же частицы в виде глобулей размером 1-5 мкм не претерпевают изменений, не изменяется и расстояние между ними. Возможность сохранения дислокаций, а следовательно„ и структуры дислокаций при у—их переходе связана с тем, что при мартенситном превращении вследствии кооперативного характера перестройки решетки в стали полностью сохраняется взаимное расположение близлежащих атомов» При нагреве высокодисперсных структур, когда каждый межкарбидный промежуток претерпевает

самостоятельное превращение, также возможно сохранение дислокаций.

На изменение в дислокационной структуре металла при холодной деформации отмечается в работе [4]: "эффект холодной прокатки заключается в создании дислокационной ячеистой структуры с трехмерными стенками ячеек, состоящих из дислокационных сплетений". Между снятием упрочнения в

результате уничтожения дислокационных несовершенств и рекристаллизацией существует известная независимость [7]. В некоторых условиях развитие рекристаллизации значительно опережает разупрочнение - рекристаллизация может пройти на 60% и

более, прежде чем начнется интенсивное снижение количества внесенных наклепом искажений (дислокаций), фиксируемое по уменьшению ширины рентгеновских интерференционных линий. Это означает, что возможно сохранение несовершенств строения и при переходе от наклепанной структуры к частично

рекристаллизованной, особенно в случае начальных стадий рекристаллизации.

Влияние холодного упрочнения на свойства стали после двойной а—»у (нагрев под закалку) и у—ш (м) - перекристаллизации обычно проявляется в увеличении прочностных характеристик. Такое изменение свойств при ПТМО установлено, например, на сталях 40Х, 40ХН, 40ХНВ, 65Г„ Важным следствием применения ПТМО является увеличение конструкционной прочности стали.

Металлическая основа структуры стали заготовок оказывает влияние на стабильность геометрических размеров колец после закалки. Чем выше величина остаточного аустенита в закаленной стали, тем выше величина структурных и линейных ее изменений. Наибольшее количество остаточного аустенита сохраняется при исходной структуре пластинчатого перлита, наименьшее - при структуре зернистого перлита. Последнюю структуру, как отмечалось выше, позволяет получить схема ПТМО.

Контактная выносливость закаленной подшипниковой стали зависит от ориентировки волокон: для образцов с их продольным расположением она в 5 раз выше, чем у образцов с поперечным расположением [4]. При стендовых испытаниях почти у 90% шариков и колец разрушение металла начинается в зонах с торцевым выходом волокон на дорожку качения. Получить благоприятную по отношению к вектору скоростей контакта тела качения и кольца текстуру металла позволяет холодная раскатка.

1.2. Анализ известных решений раскатки подшипниковых колец в холодном состоянии

В зависимости от схемы деформирования раскатку разделяют на закрытую, полузакрытую, открытую и полуоткрытую [8] . Она развивается в нескольких направлениях:

- закрытая раскатка колец в разъемной матрице или на разъемной оправке [9];

- полузакрытая раскатка в матрице блоком роликов [10];

- открытая тангенциальная раскатка колец с активным контролем наружного диаметра [11];

- точная раскатка колец [12] ;

- торцевая раскатка профильных колец [14].

Холодная профильная закрытая раскатка колец разработана английской фирмой "Форм-Фло" для радиальных шарикоподшипников в двух вариантов: для внутренних колец стан модели ¿УК-ЮОО, для наружных колец модели 0/13.-1000. Раскатка производится из полуфабрикатов повышенной размерной и весовой точности без дефектов на поверхности (заготовки растачиваются и обтачиваются). Внутренние кольца раскатывают на разъемной оправке по 4-х валковой схеме г двумя профильными приводными и двумя холостыми поддерживающими валками, наружные кольца - в разъемной матрице консольным валком. Недостатки метода"

- повышенное требования к точности заготовок (отклонения 0,2% от номинального веса);

- утяжка металла по цилиндрической поверхности кольца с образованием круговой канавки глубиной 0,3-0,5 мм.

Многороликовой раскаткой в калибрующей приводной матрице [10] изготавливает наружные кольца радиальных подшипников диаметром до 100 мм с профилем^ приближающимся к чистовым размерам. Раскатка производится блоком из 3-х внутренних холостых роликов с коническими шейками, опирающимися на подвижную в осевом направлении оправку. При перемещении последней производится синхронное радиальное разведение роликов. Течение металла по оси не сдерживают жесткими упорами, раскатка производится с образованием торцевого облоя. К недостаткам способа следует отнести"

высокий износ рабочего инструмента из-за проскальзывания трущихся конических поверхностей;

- требования повышенной твердости рабочих роликов (НИс>60-б2);

- ненадежная центровка заготовок в осевом направлении, вызывающая не симметричность дорожки качения относительно торцев -0,3 мм.;

- высокие требования заготовок по соосности наружной и внутренней поверхностей (отклонение не более 0,08-0,1 мм)„

Технология и оборудование точной раскатки колец разрабатываются фирмами Bad Düben (Германия) и Kyvei Seiko (Япония)о В работах фирм для уменьшения торцевых трещин в кольцах предусматривается осевой подпор металла закаленными шайбами, упирающимися в упругие элементы (полиуретан, пружины)„ С этой же целью рекомендовано на заготовках выполнять специальные черновые канавки на концах. Разработана схема аксиальной раскатки на многошпиндельных автоматах. Создан автомат усилием 160 кН изготовления колец радиальных подшипников диаметром до 120 мм и шириной до 4 0 мм под шлифовку [13] . Управление автоматом посредством ЭВМ. Недостатки метода:

- сложная и трудоемкая подготовка заготовок;

- сравнительно небольшие диаметры колец.

Способы торцевой раскатки [14] разработаны для специфичных колец уголкового, Z-образного и таврового профиля с узким фланцем. Раскатывают выступающие за торец матрицы концевые участки заготовок, фактически производя отбортовку металла.

Основной недостаток способа - пластическая деформация металла на ограниченном торцевом участке заготовок, которая приводит к большой неравн�