автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности и качества формообразования полых тонкостенных шаров бесцентровым шлифованием

На правах рукописи

БОЧКАРЕВ Антон Петрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОЛЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ШАРОВ БЕСЦЕНТРОВЫМ ШЛИФОВАНИЕМ

Специальность 05.02.08 — Технология машиностроения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2013

005544911

005544911

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.»

Научный руководитель: Васин Алексей Николаевич

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Королев Альберт Викторович

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, лауреат премии Президента РФ, профессор кафедры «Технология машиностроения»

Иванов Александр Иванович кандидат технических наук, доцент, ОАО «Газпром газораспределение Саратовская область», Заместитель генерального директора -главный инженер

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Пензенский

государственный университет»

Защита диссертации состоится 11 декабря 2013 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан « 8 » ноября 2013 года Учёный секретарь .У

диссертационного совета А. А. Игнатьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы как в мировой, так и в отечественной экономике отчетливо проявляется тенденция значительного удорожания природных материальных и энергетических ресурсов. Вследствие технических, экономических и организационных изменений на производственных предприятиях возникает необходимость в соблюдении все более высоких требований по производительности, экономичности и гибкости производственных систем. Поэтому одной из основных задач, стоящих перед машиностроением, является ускоренный переход к ресурсо- и энергосберегающим, малоотходным и безотходным технологиям. Эффективное направление решения этой задачи в металлообрабатывающем производстве - значительное повышение коэффициента использования металла путем максимального приближения заготовки по форме и размерам к готовой детали. В мировой технической науке исследователи и технологи уже много лет пытаются решить сложную техническую проблему - создание полых тел качения сферической формы, имеющих меньшую, чем сплошные шарики, массу, но конкурентоспособных с ними по техническим характеристикам. Использование таких изделий в подшипниках качения позволяет значительно снизить давление на наружные кольца подшипников при высокой частоте их вращения и, тем самым, повысить их надежность, долговечность и ресурс эксплуатации. Кроме того, использование подшипников с уменьшенной массой очень актуально для применения в авиационной и космической технике, где идет борьба за снижение взлетного веса летательного аппарата. Помимо этого, замена сплошных шариков на полые в подшипниках качения при выпускаемых программах позволит значительно снизить металлоемкость производства, сократить время изготовления подшипниковых узлов, а значит, и снизить потребление всех видов используемой энергии, уменьшить основную и дополнительную заработную плату, амортизационные и накладные расходы и еще целый ряд связанных с этим затрат, т.е. позволит адекватно отреагировать на изменяющуюся конъюнктуру рынка. Поэтому работа по созданию теоретических основ в области исследования и создания принципиально новых объектов, вектор которой лежит в плоскости требований современности - перехода на малозатратные технологии, особенно актуальна на современном этапе развития науки.

Целью работы является повышение эффективности и качества изготовления полых тонкостенных шаров в условиях серийного производства.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования процесса формообразования сферической поверхности полых шариков осуществлялись с использованием положений, принципов и методов, принятых в технологии машиностроения, теории резания, теории трения и математической статистике, методов моделирования на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использовались методики планирования экспериментов и обработки статистических данных, полученных в результате проведения экспериментов в реальных производственных условиях.

Научная новизна работы:

1. Исследована и обоснована теоретическая схема бесцентрового шлифования полых шаров кругами с дискретной поверхностью, позволяющая повысить производительность их обработки напроход.

2. Обосновано оптимальное сочетание параметров рабочей зоны и режимов обработки на основе исследования механизма формообразования сферической поверхности при бесцентровом шлифовании шаров.

3. Разработана математическая модель формирования геометрических параметров наружной сферической поверхности полого шара бесцентровым шлифованием с учетом кинематических, динамических и стохастических факторов технологического процесса.

4. Получены регрессионные зависимости геометрических параметров наружной сферической поверхности полого шара от основных наладочных параметров технологической системы при бесцентровом шлифовании полых шаров, адекватно отражающие разработанную математическую модель и обеспечиваюшие оптимизацию условий обработки.

Практическая ценность и реализация работы:

- разработано технологическое оснащение для осуществления нового способа бесцентрового шлифования полых шаров в условиях мелкосерийного производства на серийном станочном оборудовании;

- определены рациональные наладочные параметры рабочей зоны бес-центрово-шлифовального оборудования и режимы резания для обеспечения эффективной и качественной обработки полых шаров;

- разработаны практические рекомендации для производственных предприятий по использованию нового способа бесцентрового шлифования полых шаров в условиях мелкосерийного производства с использованием штатного серийного оборудования.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО СГТУ имени Гагарина Ю.А. при изучении курса «Технология машиностроения», а также в виде методических указаний для выполнения научно-производственной работы студентами 4-го и 5-го курсов.

Обоснованность и достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается производственными испытаниями способа и установки для бесцентрового шлифования полых шаров с использованием современных методов рационального планирования экспериментов и обработки экспериментальных данных, а также показателями эффективности использования разработанной технологической операции.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 научных конференциях различного уровня, в том числе на 7 международных конференциях: «Технология-2010» (Орел, 2010); «Фундаментальные и прикладные проблемы машиностроения» (Псков, 2009); «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010); «Технологическое обеспечение качества машин и приборов»

(Пенза, 2011); «Наука, образование, общество: тенденции и перспективы» (Москва. 2013).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 12 статей, из которых 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 - в зарубежном издании из базы данных Scopus, получен 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 103 наименований. Диссертационная работа изложена на 122 страницах, содержит 4 таблицы, 43 рисунка.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

• Способ формообразующего бесцентрового шлифования полых шаров.

• Математическая модель формирования сферической поверхности при бесцентровом шлифовании полых шариков.

• Результаты экспериментальных исследований влияния технологических факторов на погрешность получаемой сферической поверхности в виде отклонения от круглости.

• Практические рекомендации для промышленных предприятий по использованию нового способа бесцентрового шлифования полых шариков в условиях мелкосерийного производства с использованием штатного серийного оборудования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и научная новизна, а также научные положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу существующих на настоящий момент способов и устройств по механической обработке сферических тел качения. Рассмотрены способы и устройства, основанные на различных схемах удаления припуска и формообразования сферической поверхности. Принципиально эти схемы можно разделить на две крупные группы - это дисковая обработка шариков и бесцентровая, а также группу, в которой используются иные, реже применяемые схемы обработки. Дисковая, в свою очередь, подразделяется на двух-, трех-, четырех- и более дисковые схемы. Наиболее широко в настоящее время, применяются схемы 2-дисковой обработки для изготовления сплошных монолитных шариков в крупносерийном и массовом производствах подшипниковой промышленности. В таких устройствах для интенсификация процесса удаления припуска используется большая сила прижима (до Ют) шариков между верхним и нижним дисками. Для нежестких тел качения типа полых тонкостенных шариков это неприемлемо. В многодисковых схемах шарики поджимаются к обрабатывающим дискам с помощью воздушной или жидкостной среды под давлением пружин, жесткой кинематической связи и др. Схемы, основанные на бесцентровой обработке, традиционно содержат ведущий (абразивный или металлический) и шлифовальный абразивный круги, а также опорный нож. В целом ряде схем бесцентрового шлифования шариков используется ведущий круг с выполненной на

его периферии винтовой канавкой как постоянного углового профиля, так и с изменяющимся его расположением. Близким аналогом является способ, содержащий шлифовальный круг с нарезанными на его периферии кольцевыми канавками. Проанализирован и ряд других способов и устройств, основанных на центробежной обработке, использовании бесконечного прижимного ремня, качающегося опорного ножа и мн.др.

В диссертации проанализированы работы по шарообработке как российских, так и зарубежных ученых С.М. Андиона, A.A. Мулабаева, M.JI. Цнафа, П.И. Ящерицына, И.П. Филонова, С.Г. Редько, В.Д. Гундорина, И.В. Дунина-Барковского, А.Н. Резникова, С.П. Байкова, М.К. Клебанова, А.Н. Садовникова, А.И. Спришевского, R.I. Parker, H.W. Seibbi, H.H. Сое, T.A. Harrisa и др.

На основе анализа можно сделать вывод, что большинство известных способов и устройств предназначено для обработки сплошных шариков и для изготовления полых шариков использовано быть не может в силу того, что их отличительной особенностью является наличие высоких давлений на обрабатываемые шарики. Ряд других способов не позволяет обеспечить такой характер движения шарика в зоне обработки, который необходим для равномерного наложения следов контакта с инструментом на всю сферическую поверхность, что значительно снижает эффективность и качество обработки. И, кроме того, большая часть существующих в настоящее время устройств для обработки полых шариков имеют низкую производительность.

На основании вышеизложенного можно сформулировать основные задачи исследований:

1. Обосновать и исследовать технологическую схему обработки полых шаров бесцентровым шлифованием.

2. Исследовать механизм формообразования сферической поверхности полых шаров при бесцентровом шлифовании.

3. Определить характер и степень влияния основных технологических факторов и параметров рабочей зоны на точность геометрической формы сферической поверхности.

4. Разработать математическую модель процесса бесцентрового шлифования полых шаров, обеспечивающего эффективное формирование их сферической поверхности заданного качества.

5. Экспериментально проверить математическую модель и установить зависимость эффективности процесса бесцентрового шлифования полых шаров от условий обработки.

6. Разработать практические рекомендации по промышленному использованию результатов теоретических и экспериментальных исследований обработки полых шаров способом формообразующего бесцентрового шлифования.

В связи с этим предложена схема нового способа бесцентрового шлифования шариков (рис. 1), позволяющая использовать для его реализации серийное бесцентрово-шлифовальное оборудование. Сущность способа заключается в следующем. Устройство содержит шлифовальный круг / с выполнен-

плане это означает, что на поверхности сферы будет обрабатываться не кольцевая, а винтовая поверхность. Покажем такую возможность математически.

Кроме тангенциальных составляющих силы воздействия ведущего круга на заготовку, вращающих ее, имеет место воздействие на заготовку радиальных составляющих Ещ и действующих на нее по нормалям в точках контакта К и и К2г- Кроме того, в тех же точках контакта на заготовку действует осевая сила подачи, возникающая вследствие воздействия на нее одной из граней (на рис. 3 - правой) призматической канавки, выполненной на поверхности ведущего круга. Источником силового воздействия ведущего круга на заготовку является ее вес, который распределяется между ведущим кругом и ножом. На ведущий круг заготовка шара воздействует суммарной силой

Рис. 2 Рис. 3

Если профиль канавки симметричный, сила, определяемая соотношением (1), распределяется по ее граням поровну. Если же профиль несимметричный, то воздействие силы тяжести шарика на грани неравнозначно:

=-^- = -^-;^К2=-^- = -^-.Если ц/2 < VI, то ЕК2>ЕЯ,.

Вследствие того, что на грани канавки действуют разные по величине нормальные силы, разными по величине будут и их тангенциальные состав-

/¡0-1 /,<?«

ляюшие: = -——\К2 ~ ' • Относительно центра сферической заготовки

эти силы создают крутящие моменты: = ' 0дна из состав"

ляющих каждого момента вращает заготовку вокруг мгновенной оси КГК2, другие же составляющие моментов в плоскости, перпендикулярной мгновенной оси вращения , а,- \ КГК2 и проходящей через центр шарика, 1 1 направлены противоположно друг другу.

Но, имея различные величины и частично компенсируя действие друг друга, они создают момент, который стремится разворачивать заготовку в указанной плоскости в направлении большего момента:

После подстановки значений получим

Выражение (2) позволяет определить величину разворачивающего момента и определить условия, при которых этот момент преодолеет противодействие моментов трения на гранях канавки. Это приведет к появлению дополнительного кинематического движения - вращения в плоскости, не совпадающей с плоскостью основного вращения, что является условием формообразования сферической поверхности.

Рассмотрим возможность получения дополнительного формообразующего движения заготовки в зоне ее обработки за счет влияния силы продольной подачи. Причиной такого движения является действие тангенциальной составляющей силы РК2 (рис. 4) и тангенциальной составляющей силы осевой подачи:

«г ШЁ*!

(3)

Силу воздействия ведущего круга, обеспечивающую осевую подачу, можно определить следующим образом:

Ро=/„Окр Сов<5, (4)

Тогда

Рт = Р„Я,Л = (5)

Суммарная сила, создающая момент, разворачивающий заготовку в плоскости радиального сечения ведущего круга через точки его контакта с заготовкой:

б)

с ^

кр 2 -

Геометрическая сумма выражений Мтрн и (12) представляет собой величину момента трения, препятствующего развороту заготовки в направлении действия момента (8):

мТР=^{мгт, + м2тл).

После подстановки значений моментов и соответствующих преобразований получим

. оз)

" кр 2 \ " Ли4^'« Ч'.Л'и2^

При М = МТР система находится в состоянии неустойчивого равновесия, когда вращение может начаться, а может и не начаться. Условие, определяющее это состояние:

.(и)

тН.Ян'Ч', 7 2 ^ 5/ИЧ,,&'Я4,2 ) J 2 у" Яп^т^м^

Известно, что одним из основных факторов, определяющих поведение сферической заготовки в зоне обработки при бесцентровом шлифовании шариков, является наличие погрешностей формы на ее поверхности и их взаи-. модействие с вектором силы резания. Если величины погрешностей формы сферы в результате их исправления в процессе удаления припуска становятся одного порядка с зернистостью абразивных кругов: с величиной выступов (впадин) абразивных зерен, контактирующих с обрабатываемой поверхностью, то они начинают играть ту же роль, что и выступы (неровности) на поверхности заготовки. Взаимодействуя друг с другом случайным образом, они управляют поведением заготовки в зоне резания. Следует отметить, что аналогичные неровности на поверхности опорного ножа (меньшие по величине, чем зернистость), с определенного момента времени по мере исправления погрешностей формы заготовки также начинают существенно влиять на этот процесс. Взаимодействие в точках К\, К.2 и Ки (рис. 5) обеспечивает опосредованную «подачу» материала в зону резания, а взаимодействие в точке Л"з обеспечивает удаление образующегося при этом дополнительного асимметричного припуска. Кроме того, образующийся дополнительный асимметричный припуск во взаимодействии с силой резания вызывает интенсивный разворот заготовки в плоскости, не совпадающей с плоскостью основного вращения, что является формообразующим движением.

Определим величину дополнительного припуска. Он образуется путем перемещения всей заготовки в направлении шлифовального круга (точка Ку) при набегании неровностей заготовки с амплитудой Ак на грани канавки ведущего круга в точках К| и К2 и на поверхность ножа в точке Кн. (рис. 5). При этом неровности поверхности заготовки взаимодействуют с неровностями поверхностей граней канавки ведущего круга Ав (рис. 6) и с неровностями поверхности опорного ножа Д,. Все эти взаимодействия являются случайными процессами, а их результат - перемещение заготовки - случайной величиной. Случайные величины суммируются по правилу геометрической суммы. Поэтому при набегании неровности А на неровность поверхности канавки величина перемещения центра масс заготовки в направлении нормали к ее поверхности в точке контакта составит

Получение точной сферической поверхности в реальном производстве в большинстве случаев связано с максимальным обеспечением случайных условий ее образования. Если же имеет место действие мощных детерминированных факторов, необходимо создавать дополнительные возможности с целью усиления стохастической составляющей процесса. Поэтому на поверхности шлифовального круга мы выполняем винтовую канавку, периодически прерывающую его контакт с заготовкой, разделяя, таким образом, непрерывный случайный процесс на множество независимых случайных эпизодов.

Определим оптимальные соотношения параметров такой канавки. Целесообразно выбрать направление винтовой канавки, противоположное направлению канавки ведущего круга (рис. 7), т.к. в этом случае тангенциальная составляющая силы резания Рт будет создавать благоприятно направленный крутящий момент, способствующий более эффективному развороту заготовки (рис. 8).

А - А

Рис. 7 Рис. 8

Величину Рт можно определить следующим образом:

РТ=Р Cose = Р ^^ . (20)

d,„

Тогда крутящий момент от этой составляющей будет равен

Mt = p!Lz* (2i)

d,„ 2 2

Этот крутящий момент суммируется с крутящим моментом, возникающим из-за кинематической асимметричности профиля канавки ведущего круга, по правилу геометрической суммы, т.к. эти векторы неколлинеарны:

вверх. Из-за того, что снимаемый припуск по поверхности шарика распределяется неравномерно, величины этих сил переменны во времени и имеют импульсный характер. Это приводит к колебаниям положения центра шарика с амплитудой, величина которой находится в пределах суммарной величины упругих деформаций контактирующих тел. При величине превышения Л, составляющей примерно 6-7 мм, эти два фактора уравновешивают друг друга, поэтому отклонения формы являются минимальными. При дальнейшем увеличении Л второй фактор начинает превалировать, и при некоторых условиях это может привести даже к многократным мгновенным разрывам контакта шарика с опорным ножом и кругами, т.е. к появлению значительных вибраций. А это, несомненно, приводит к увеличению амплитуды погрешностей формы.

Экспериментальные исследования влияния на погрешность формы сферической поверхности полого шарика в виде отклонения от круглости, частоты вращения п ведущего круга показали (рис. 15), что чем больше частота вращения ведущего круга л, тем меньше время контакта обрабатываемого шарика со шлифовальным кругом, объем снимаемого припуска, количество попаданий заготовки в разрядную винтовую канавку шлифовального круга и, тем самым, меньше число актов ее разворота в зоне резания, а значит эффективность получения развертки и формирования сферы ниже.

Многофакторные экспериментальные исследования позволили получить следующую математическую модель в виде степенной зависимости:

Д = 0.588 • б0,121 • /,°-284<1+°.12|"">. п°-т

Как показывает анализ полученной зависимости наибольшее влияние на погрешность формы сферической поверхности полого шарика в виде отклонения от круглости в диаметральных сечениях сферы оказывает величина превышения А центра шарика над осями ведущего и шлифовального кругов; в меньшей степени ширина винтовой канавки шлифовального круга Ь и частота вращения ведущего круга п. Кроме того, значимым оказалось взаимовлияние величины А и и.

Оптимизация режимов резания и наладочных параметров установки выполнялась на основе симплекс-метода. Для этого на основе полученных моделей процесса была получена математическая модель бесцентрового шлифования полых шариков. Результаты оптимизации позволили получить рациональную величину настройки опорного ножа А = 6,3 мм и частоту вращения ведущего круга п = 60 об/мин.

В пятой главе представлены практические рекомендации по использованию технологии бесцентрового шлифования полых шариков в серийном производстве и приведен расчет ожидаемого экономического эффекта от практического использования предложенной технологии.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполненные в работе теоретические и экспериментальные исследования позволили решить поставленную актуальную задачу по исследованию и

обоснованию нового способа бесцентрового шлифования полых шаров, отличающегося пониженными силами резания и высокой эффективностью исправления погрешностей геометрической формы сферической поверхности.

2. В работе исследован механизм формообразования сферической поверхности при бесцентровом шлифовании полых шаров, раскрыты причины и установлены виды формообразующих движений шара, определены настроечные параметры установки для бесцентрового шлифования полых шаров.

3. В ходе проведения теоретических и экспериментальных исследований раскрыто влияние различных технологических факторов при бесцентровом шлифовании полых шаров на геометрические параметры получаемой сферы.

4. Получены экспериментальные зависимости показателя эффективности процесса бесцентрового шлифования полых шаров от геометрических параметров рабочей зоны и наладки станочного оборудования.

5. Показано, что наибольшее влияние на погрешность формируемой сферы в виде отклонения от круглости оказывает величина превышения центра шара над плоскостью, проходящей через оси ведущего и шлифовального кругов.

6. В результате выполненной оптимизации технологической операции определены оптимальные режимы бесцентрового шлифования полых шаров и наладочные параметры станка, позволяющие обеспечить заданную точность размеров в пределах допуска ±0,01 мм, и отклонение от круглости в пределах 50% от поля допуска на размер, при этом такт обработки составил 1 iuapZc.

7. Разработаны методические рекомендации по использованию нового способа бесцентрового шлифования полых шариков в условиях серийного производства с использованием штатного серийного оборудования.

Основные научные положения и результаты исследований опубликованы в следующих работах:

Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Бочкарев А.П. Совершенствование метода обработки полых тел сферической формы Z А.П. Бочкарев It Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 3 (58). Вып. 2. С. 17-20.

2. Бочкарев А.П. Математическая модель процесса формообразования при бесцентровом шлифовании пустотелых шаров Z А.Н. Васин, Б.М. Изнаиров, А.П. Бочкарев ZZ СТИН: научно-технический журнал. 2013. № 1. С. 28-32.

3. Бочкарев А.П. Повышение эффективности исправления погрешностей формы при бесцентровом шлифовании шариков Z А.Н. Васин, Б.М. Изнаиров, А.П. Бочкарев ZZ СТИН: научно-технический журнал. 2013. № 3. С. 17-19.

4. Бочкарев А.П. Взаимодействие заготовки со шлифовальным кругом при бесцентровом шлифовании шариков Z А.Н. Васин, Б.М. Изнаиров, А.П. Бочкарев ZZ СТИН: научно-технический журнал. 2013. № 7. С. 18-21.

Публикации в зарубежных изданиях, входящих в базу данных Scopus

5. Bochkarev А.P. Shaping in the Centerless Grinding of Hollow Spheres Z A.N. Vasin, B.M. Iznairov, A.P. Bochkarev ZZ Russian Engineering Research. 2013. Vol. 33. № 8. P. 490-494.

Публикации в других изданиях

6. Бочкарев Л.П. Исследования напряжений нежестких тел сферической формы в подшипниках качения / Л.П. Бочкарев, П.Ю. Бочкарев, А.Н. Васин // Исследование сложных технологических систем: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2008. С. 4-14.

7. Бочкарев А.П. Способ получения заготовок полых бесшовных тел сферической формы / А.П. Бочкарев, П.Ю. Бочкарев, А.Н. Васин // Автоматизация и управление машино- и приборостроении: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2008. С. 4-6.

8. Бочкарев А.П. Кинематические особенности оборудования для шлифования шариков / А.П. Бочкарев, П.Ю. Бочкарев, А.Н. Васин // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч. практ. конф. молодых ученых: в 2 т. Саратов, 15-16 сент. 2009 г. / СГТУ. Саратов, 2009. Т. 2. С. 69-73.

9. Бочкарев А.П. Расчет контактных напряжений полых тел сферической формы в подшипниковым производстве / А.П. Бочкарев, П.Ю. Бочкарев, Л.П. Васин // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22: сб. тр. XXII Междунар. науч. конф.. в 10 т. / ППИ. Псков, 2009. Т. 5. С. 13-15.

Ю.Бочкарев А.П. Три задачи, решаемые при производстве полых тел сферической формы / А.П. Бочкарев, П.Ю. Бочкарев, А.Н. Васин Н Фундаментальные и прикладные проблемы машиностроения - Технология 2010: материалы 12-й Междунар. науч.-техн. конф. Орел, 7 ноября 2010 г. Орел: ОрелГТУ, 2010. С. 140-143.

11. Бочкарев А.П. Повышение эффективности исправления погрешностей формы при бесцентровом шлифовании шаров / А.Н. Васин, Б.М. Изнаиров, А.П. Бочкарев // Технологическое обеспечение качества машин и приборов: материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: ПГУ,!2011. С. 5-7.

12. Бочкарев А.П. Процесс формообразования сферической поверхности при бесцентровом шлифовании шаров / А.Н. Васин, Б.М. Изнаиров, А.П. Бочкарев // Технологическое обеспечение качества машин и приборов: материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: ПГУ, 2011. С. 8-10.

13. Патент № 2415004. Способ бесцентрового шлифования шариков / Бочкарев А.П., Бочкарев П.Ю., Васин А.Н. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 27 марта 2011 г.

Патент па изобретение РФ

БОЧКАРЕВ Антон Петрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОЛЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ШАРОВ БЕСЦЕНТРОВЫМ ШЛИФОВАНИЕМ

Автореферат

Подписано в печать 06.11.13 ; Бум. офсет. Тираж 100 экз.

Усл. печ. л. 1,0 Заказ 175

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,0 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77 Тел. 24-95-70, 99-87-39. E-mail: izdat@sstu.ni

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

04201 45^74 На правах рукописи

Бочкарев Антон Петрович

УДК 621.7

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОЛЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ШАРОВ БЕСЦЕНТРОВЫМ ШЛИФОВАНИЕМ

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

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

А.Н.Васин

Саратов - 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ... 8

1.1 Анализ современного уровня способов и устройств для обработки сферических тел качения...........................................................................8

1.2 Способ формообразующего бесцентрового шлифования шаров на проход...........................................................................................29

1.3 Цель и задачи исследований.......................................................32

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПРИ БЕСЦЕНТРОВОМ ШЛИФОВАНИИ ПОЛЫХ ШАРОВ.........................................................................................34

2.1. Обеспечение условия формообразования сферической поверхности........34

2.2. Условия повышения эффективности исправления погрешностей формы при бесцентровом шлифовании шаров....................................................47

2.3. Взаимодействие заготовки со шлифовальным кругом при бесцентровом шлифовании шаров......................................................................53

2.4 Выводы.....................................................................................63

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...........................................................................66

3.1 Объект исследования....................................................................66

3.2 Экспериментальная установка.........................................................67

3.3 Методика планирования одно- и многофакторных экспериментов и обработки экспериментальных данных..................................................73

3.4 Выводы.....................................................................................82

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................84

4.1 Анализ влияния технологических факторов на показатели качества изготовления полых шаров при бесцентровом шлифовании..................................84

4.2 Регрессионные зависимости показателей эффективности процесса бесцентрового шлифования полых шариков от технологических факторов..............90

4.3 Оптимизация условий обработки полых шаров способом бесцентрового шлифования.....................................................................................96

4.4 Выводы......................................................................................99

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИИ БЕСЦЕНТРОВОГО ШЛИФОВАНИЯ ПОЛЫХ ШАРОВ. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.............................................................................100

5.1 Практические рекомендации по использованию технологии бесцентрового шлифования полых шаров в серийном производстве................................100

5.2 Расчет технико-экономической эффективности использования результатов исследования при производстве полых шаров в серийном производстве........104

5.3 Выводы....................................................................................111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................112

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...................................113

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние машиностроительного производства характеризуется повышением частоты сменяемости выпускаемой продукции, расширением широты номенклатуры изделий, требованиями сокращения длительности производственного цикла и обеспечения качества продукции. Удовлетворение этим задачам в области технологической подготовки производственных систем возможно только при условии, если техническому проектированию предшествуют глубокие технологические разработки.

Значительную технологическую трудность в машиностроении представляет обработка точных сферических поверхностей, рабочих поверхностей подшипников.

Шарики подшипников качения относятся к группе деталей, имеющих своей поверхностью сферу высокой точности. Повышение качества изготовления шариков, наряду с другими проблемами производства подшипников качения, имеет очень важное значение, так как шарики имеют наиболее высокую удельную нагруженность в эксплуатации по сравнению с другими деталями подшипника.

В настоящее время ведётся поиск новых материалов, разрабатываются новые конструкции подшипников. Одним из направлений усовершенствования конструкций подшипников является появление подшипников с полыми шариками, которые позволяют значительно снизить давление на наружное кольцо подшипника при высокой частоте вращения. Применение таких полых шариков качения наиболее целесообразно в конструкциях воздушно-летательных аппаратов, подводном флоте, что позволяет существенно снизить вес воздушного судна.

Однако, широкое использование пустотелых шариков в настоящее время сдерживается относительно высокой стоимостью, низкой производительностью и низким качеством их изготовления. Полые шарики имеют меньшую жёсткость, по сравнению со сплошными, а значит, обладают большей податливо-

стью. Для их обработки практически нельзя использовать современное шарооб-рабатыватывающее оборудование.

Цели и задачи исследований. Целью данной работы является повышение эффективности и качества изготовления полых тонкостенных шаров на основе исследования механизма их формообразования и разработки технологии бесцентрового шлифования тел сферической формы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать и обосновать технологическую схему обработки полых шариков бесцентровым шлифованием.

2. Исследовать механизм формообразования шариков при бесцентровом шлифовании.

3. Определить характер и степень влияния основных технологических факторов и параметров рабочей зоны на точность геометрической формы сферической поверхности.

4. Разработать математическую модель процесса бесцентрового шлифования полых шариков, позволяющую определить оптимальные режимы шлифования полых шариков.

5. Экспериментально исследовать зависимость эффективности процесса бесцентрового шлифования полых шариков от условий обработки.

6. Разработать технологию обработки полых шариков способом формообразующего бесцентрового шлифования и практические рекомендации по ее промышленному использованию.

Научная новизна работы.

1. Исследована и обоснована теоретическая схема бесцентрового шлифования полых шаров кругами с дискретной поверхностью, позволяющая повысить производительность их обработки на проход.

2. Обосновано оптимальное сочетание параметров рабочей зоны и режимов обработки на основе исследования механизма формообразования сферической поверхности при бесцентровом шлифовании шаров.

3. Разработана математическая модель формирования геометрических параметров наружной сферической поверхности полого шара бесцентровым шлифованием с учетом кинематических, динамических и стохастических факторов технологического процесса.

4. Получены регрессионные зависимости геометрических параметров наружной сферической поверхности полого шара от основных наладочных параметров технологической системы при бесцентровом шлифовании полых шаров, адекватно отражающие разработанную математическую модель и обеспечивающие оптимизацию условий обработки.

Обоснованность и достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается производственными испытаниями способа и установки для бесцентрового шлифования полых шариков с использованием современных методов рационального планирования экспериментов и обработки экспериментальных данных, а также показателями эффективности использования разработанной технологической операции. Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Способ формообразующего бесцентрового шлифования полых шаров.

2. Математическая модель формирования сферической поверхности при бесцентровом шлифовании полого шарика.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния технологических факторов на погрешность получаемой сферической поверхности в виде отклонения от круглости.

4. Практические рекомендации для промышленных предприятий по использованию нового способа бесцентрового шлифования полых шариков в условиях мелкосерийного производства с использованием штатного серийного оборудования.

Практическая ценность и реализация работы:

- разработано технологическое оснащение для осуществления нового способа бесцентрового шлифования полых шаров в условиях мелкосерийного производства на серийном станочном оборудовании;

- определены рациональные наладочные параметры рабочей зоны бесцен-трово-шлифовального оборудования и режимы резания для обеспечения эффективной и качественной обработки полых шаров;

- разработаны практические рекомендации для производственных предприятий по использованию нового способа бесцентрового шлифования полых шаров в условиях мелкосерийного производства с использованием штатного серийного оборудования.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО СГТУ имени Гагарина Ю.А. при изучении курса «Технология машиностроения», а также в виде методических указаний для выполнения научно-производственной работы студентами 4-го и 5-го курсов.

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ современного уровня способов и устройств для обработки

сферических тел качения

Обработка полых тонкостенных шаров, обладающих значительно меньшей, чем сплошные монолитные шары жесткостью, является довольно-таки серьезной задачей для обрабатывающего машиностроения. Получение сферы, и особенно шаров, не фасонным инструментом связано с обеспечением ее развертки на плоскость. При этом необходимо обеспечить разворот шара в процессе обработки вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, что могут обеспечить далеко не все существующие способы и устройства шарообработки. Кроме этого, необходимо учитывать, что при обработке шаров базирование происходит по обрабатываемой поверхности, а значит, технологическая наследственность оказывает свое влияние на получаемую точность и качество обработки. Еще одним немаловажным фактором при выборе способа и шарообрабаты-вающего устройства является производительность процесса. Все эти и ряд других факторов привело к тому, что к настоящему моменту было создано большое количество различных способов и устройств, в которых эти задачи решались самым разным образом. Рассмотрим те из них, которые представляют интерес для темы наших исследований.

В существующих устройствах обработка шаров ведется как периферией, так и торцом круга [59].

Одним из самых первых устройств для обработки шаров, которое было широко использовано в обрабатывающей промышленности, предполагало использование двухдисковой схемы [69, 82] (рис. 1.1.). В этом устройстве шары располагаются между торцами двух чугунных дисков, где нижний диск имеет концентрические канавки. Шары прижимают верхним диском к нижнему, так как последний служит для базирования, а так же выполняют функцию притира. Диски вращают в противоположных направлениях. Благодаря этому поверх-

8

ность кругов шаржируется и способна к выполнению функций режущего контура.

Рис. 1.1. Схема 2-х дисковой обработки шаров

Когда шар перекатывается по криволинейному желобу, который образован концентрическими канавками, происходит двухосное вращение шара, это значит, что точки шара, которые находятся в контакте с периферией желоба, получают окружную скорость больше, чем точки, которые находятся в контакте с внутренней частью желоба. Вследствие этого появляются различные по величине силы трения и разность скоростей проскальзывания. Образуется пара сил, которая не только перекатывает шарики вокруг оси, но и создает дополнительный разворот его в области обработки вокруг другой оси, которая повернута на некоторый угол и пересекается с осью доводочного диска. Благодаря этому на шарах появляются лыски, которые в течение времени покрывают всю их поверхность. Значительное влияние на производительность обработки оказывает давление, которое необходимо приложить к верхнему диску, так как с увеличением давления производительность возрастает, поэтому обработку необходимо вести используя большое давление и значительную по величине частоту вращения нижнего диска. Данный способ прост по кинематике и позволяет достигнуть высокого качества получаемых шаров. Недостатками можно считать

высокое давление в области контакта, которое способствует образованию на шарах различных дефектов, таких как ожоги, порубы, невозможность снятия больших припусков и низкую производительность. При значительной величине разноразмерности шаров в процессе обработки в контакте с режущим инструментом находятся только три шара. В связи с этим необходимо выполнять дополнительную межоперационную сортировку. Помимо этого, взаимодействие обрабатываемого шара с кругом носит случайный характер, поэтому эффективно управлять процессом обработки затруднительно. Другим минусом этого способа является высокая стоимость изготовления больших чугунных дисков высокой точности.

Одним из способов повышения эффективности обработки шаров было использование вместо 2-х дисковой 3-4-х дисковой и многодисковых конструкций.

Так устройство для чистовой обработки шаров, представленное на рис. 1.2 работает по принципу использования 4-х дисков.

Рис. 1.2. Схема 4-х дисковой обработки шаров.

Диски выполнены в виде 2-х концентрично расположенных планшайб, которые образуют канавку для шаров и связаны с различными приводами. Скорости вращения планшайб периодически изменяются, а также меняется направление их вращения по синусоидальному закону. Обрабатываемые шары, находящиеся во взаимодействии с планшайбами, в результате этого совершают сложные движения вокруг своего центра. Абразивная обработка шаров осуществляется в результате воздействия доводочной пасты, подача которой происходит периодически или непрерывно в кольцевую полость. Благодаря применению 4-х планшайб раздельного привода и кинематической связи появилась возможность осуществить возможность главного движения обрабатываемого шара вокруг мгновенной оси вращения и разворачивать ее в плоскости, которая проходит через ось вращения планшайб. Конструкция установки с раздельными приводами и реверсивными движения дисков с изменяющимися частотами вращения является довольно-таки сложной, а для замены обработанных шаров необходимо процесс останавливать. С точки зрения регулирования исправления погрешностей формы, процесс является слабоуправляемым.

В устройстве, показанном на рис. 1.3 для обработки пустотелых шаров использованы компрессионные свойства среды под давлением.

Рис. 1.3. Схема абразивной обработки шаров с использованием среды под давлением

В устройстве имеется 2 вращающихся диска, верхний абразивный имеет на нижнем торце кольцевые канавки. Нижний диск, является базирующим и имеет сопла для индивидуальных шаровых камер и камеру для среды под давлением. Авторы предлагают использовать СОЖ в качестве среды под давлением. Процесс обработки шаров происходит при постоянном вращении основания дискового инструмента при подаче в камеру распределения среды под давлением. Благодаря поступлению среды под давлением в шаровые камеры, шары поднимаются в своих камерах и поджимаются к кольцевым канавкам дискового инструмента, создавая взаимодействие с режущим инструментом. Отсутствие механического прижимного узла упрощает конструкцию устройства и позволяет увеличить скорость вращения дискового инструмента, повышая, тем самым, производительность процесса обработки. К недостаткам этого способа можно отнести необходимость тщательной герметизации зоны обработки, а так же регулярной очистки среды под давлением от шлама и стружки. Кроме того, во время обработки не происходит смешивание шаров, что затрудняет получение одноразмерности и нуждается в отдельном снятии шаров с каждой канавки. По законам кинематики, процесс разворота шаров в зоне обработки практически не управляем.

Сотрудниками Белорусского политехнического института было предложено устройство для обработки шаров [13], которое содержит вращающийся инструмент барабанного типа с рабочими кольцевыми канавками для шаров на его поверхности и установленный на горизонтальном шпинделе прижимной инструмент в виде бесконечного ремня с приводом (рис. 1.4). Электродвигатель передает движение на бесконечный ремень, который сообщает движение ша