автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности изготовления колец шарикоподшипников с многоточечным контактом на основе совершенствования операции суперфиниширования

На правах рукописи

Л*:

САЛИМОВ Бакытжан Нуржанович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЕЦ ШАРИКОПОДШИПНИКОВ С МНОГОТОЧЕЧНЫМ КОНТАКТОМ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОПЕРАЦИИ СУПЕРФИНИШИРОВАНИЯ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2013

005061121

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

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель наук РФ, лауреат премии Президента РФ Королев Альберт Викторович

Официальные оппоненты:

Насад Татьяна Геннадьевна доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», заведующий кафедрой «Технология, оборудование электрофизических и электрохимических методов обработки материалов»

Ворыпаев Николай Иванович

кандидат технических наук,

ООО «НПО Прогресс-проект» (г. Саратов),

технический директор

Ведущая организация:

ОАО Научно-исследовательский технологический институт «НИТИ-Тесар» (г. Саратов)

Защита состоится 20 марта 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, г. Саратов, Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 319.

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

Автореферат разослан 4 февраля 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета

А. А. Игнатьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современном машиностроении особое внимание уделяется совершенствованию методов окончательной обработки как определяющего фактора качества получаемой поверхности высокоточных деталей. Для прецизионных деталей: шпинделей высокоточных станков, шеек коленчатых валов, желобов колец шарикоподшипников, удовлетворяющих современному спросу на рынке, заключительная операция суперфиниширования имеет особое значение. Именно на заключительных стадиях технологического процесса изготовления детали достигаются требования по шероховатости поверхностей и качеству геометрии ответственных деталей, происходит упрочнение поверхностного слоя и повышение долговечности деталей.

Проблемой повышения эффективности обработки и качества поверхностей ответственных деталей путем совершенствования суперфинишных операций занимались такие видные ученые как: Брозголь И.М., Королев A.B., Кремень З.И., Редько С.Г., Стратиевский И.Х., Фрагин И.Е., Худобин JI.B., Ящерицин П.И. и другие. Но, несмотря на это, некоторые вопросы, связанные с повышением эффективности суперфиниширования таких деталей как кольца шарикоподшипников с многоточечным контактом, остаются не решенными. В частности, неполно выполнены исследования формирования геометрии дорожки качения шарикоподшипников с многоточечным контактом на операции суперфиниширования. Поэтому тема работы по повышению эффективности изготовления колец шарикоподшипников с многоточечным контактом на основе совершенствования операции суперфиниширования является актуальной.

Целью данной работы является повышение эффективности изготовления колец шарикоподшипников с многоточечным контактом путем совершенствования операции суперфиниширования.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования процесса суперфиниширования осуществлялись с применением методов технологии машиностроения. Исследования по суперфинишированию желобов колец подшипников проводились с использованием методики планирования многофакторного эксперимента. В обработке полученных данных применены методы математической статистики. В качестве средств исследования по обработке колец шарикоподшипников использовалось современное оборудование ООО «Научно-производственного предприятия нестандартных изделий в машиностроении» (НПП НИМ) и ОАО «Саратовский подшипниковый завод» (ОАО «СПЗ»), в частности, суперфинишные автоматы МСА-2001 при обработке колец подшипников серии 176 220, прибор Роквелла ГОСТ 13407-87, прибор для измерения параметров точности TAYLOR-HOBSON и другие.

Научная новизна работы:

1. Построена математическая модель формирования рациональной геометрии дорожки качения шарикоподшипников с многоточечным контактом на операции суперфиниширования и предложены способ и устройство для суперфиниширования с угловой осцилляцией бруска, обеспечивающие возможность повышения частоты осцилляции, а следовательно, увеличение производительности и качества обработки.

2. Установлены регрессионные зависимости, отражающие влияние зернистости бруска, времени обработки, давления бруска и частоты осцилляции на основные показатели обработки колец шарикоподшипников: шероховатость, волнистость поверхности и отклонение от круглости, позволяющие уточнить механизм формирования геометрии поверхности при предложенном способе суперфиниширования с угловой осцилляцией бруска.

3. Разработана методика выбора рациональных режимов обработки на операции суперфиниширования с угловой осцилляцией бруска, позволяющая оптимизировать условия ее осуществления при обеспечении максимальной производительности процесса и требуемых показателей качества поверхности.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

- предложено устройство абразивной обработки дорожки качения колец шарикоподшипника с многоточечным контактом, обеспечивающее высокую производительность и качество обработки изделий;

- разработана программа расчета на ЭВМ с использованием программного продукта MathCAD 13 PRO оптимальных технологических параметров процесса и геометрических параметров заготовок;

- предложены рациональные условия осуществления процесса суперфиниширования с угловой осцилляцией дорожек качения колец шарикоподшипников с многоточечным контактом 176 220;

- разработана технология суперфиниширования шарикоподшипников с многоточечным контактом серии 176 220, которая внедрена на предприятии ООО «Научно-производственное предприятие нестандартных изделий машиностроения» (НПП НИМ). Экономический эффект от внедрения технологии составил для ООО «НПП НИМ» 496 062 руб.

Положения, выносимые на защиту:

1. Перспективная технология обработки суперфинишем дорожек качения колец шарикоподшипников с использованием разработанного устройства абразивной обработки, обеспечивающего высокочастотную угловую осцилляцию брусков.

2. Математическая модель процесса формообразования дорожки качения кольца шарикоподшипника на операции суперфиниширования с угловой осцилляцией бруска.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния характеристик абразивного инструмента и режимов обработки на шероховатость, волнистость поверхности и отклонение от круглости.

4. Практические рекомендации по использованию суперфиниширования с угловой осцилляцией в технологическом процессе обработки колец подшипников серии 176 220.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается опытно-производственными исследованиями, выполненными с применением научно обоснованных средств измерений и обработки экспериментальных данных, а также соответствием результатов исследований современному уровню.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях различного уровня:

- Международной научно-практической конференции «Индустриально-инновационная политика: состояние и перспективы», Зап.-Каз. аграр. техн. ун-т им. Жангир хана (Уральск, 2006);

- Международной научно-технической конференции «Теплофизиче-ские и технологические аспекты управления качеством в машиностроении» (Тольятти, 2008);

- Всероссийской научно-технической интернет-конференции с международным участием «Высокие технологии в машиностроении», Самар. гос. техн. ун-т (Самара, 2008);

- Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию проф. Дубинина В.Ф. (Саратов, 2010);

- Международной научно-практической конференции «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (Санкт-Петербург, 2011);

- научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» СГТУ 2009-2012 гг.

Публикации. По результатам исследований опубликованы 10 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 118 наименований. Основная часть работы изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 35 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель, сформулированы научная новизна и практическая ценность, приведены сведения об апробации результатов работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе произведен анализ перспективных методов суперфиниширования и технических средств, применяемых в заключительных операциях при изготовлении колец шарикоподшипников. Дан анализ эффективности применяемых в настоящее время методов обработки суперфинишированием, проанализированы основные преимущества и недостатки существующих устройств абразивной обработки.

В условиях изготовления прецизионных подшипников точность и шероховатость дорожки качения должны иметь следующие характеристики: отклонение от круглости менее 1 мкм, волнистость менее 0,2 мкм, неци-линдричность и непрямолинейность образующей менее 2-5 мкм, параметр шероховатости Ra = 0,1 -0,2 мкм, отсутствие дефектов на поверхности металла. Для достижения этих требований на заключительных этапах формообразования поверхностей деталей обычно применяется классическая схема суперфинишной обработки.

С развитием суперфинишной обработки такими учеными как Б.М. Бржозовский, О.Ю. Давиденко, A.B. Королев, З.И. Кремень, C.B. Пи-негин, С.Г. Редько, М.К. Решетников, И.Х. Стратиевский, И.Е. Фрагин, JI.B. Худобин, П.И. Ящерицын и другими проведено множество исследований по улучшению самого процесса и качественных характеристик получаемой поверхности. Данные авторы предложили эффективные способы суперфиниширования, позволяющие устранить недостатки классического метода обработки и обеспечить высокую эффективность суперфинишной обработки. Однако задача обеспечения высокой эффективности и качества существующей обработки колец шарикоподшипников с многоточечным контактом остается не решенной. Особенность этих подшипников с многоточечным контактом состоит в том, что внутренние кольца выполнены разъёмными и поэтому два внутренних полукольца имеют разную геометрию. Чтобы обеспечить высокую эффективность обработки, абразивный инструмент должен обладать высокой режущей способностью и высокой прирабатываемостью к поверхности дорожки качения. Этого не всегда удается достичь существующими способами суперфиниширования. Поэтому для повышения эффективности и качества обработки дорожки качения шарикоподшипников с многоточечным контактом потребовалось разработать новый способ и устройство суперфинишной обработки.

На основе вышеизложенного материала сформулированы следующие задачи исследований:

- разработать способ и устройство суперфинишной обработки колец шарикоподшипников с многоточечным контактом, обеспечивающее повышение эффективности и качества обработки изделий;

- исследовать процесс формообразования дорожки качения кольца на операции суперфиниширования шарикоподшипников с многоточечным контактом;

- выполнить экспериментальное исследование эффективности обработки предложенным способом суперфиниширования с учетом влияния режимов обработки на качественные характеристики обрабатываемой поверхности;

- разработать практические рекомендации и выполнить экономическое обоснование промышленного применения результатов выполненной работы.

Во второй главе рассматривается способ и устройство суперфиниширования с угловой осцилляцией; построена математическая модель формирования рациональной геометрии дорожек качения шарикоподшипников на операции суперфиниширования с угловой осцилляцией; разработана программа в среде Ма1ЬСас1 15 расчета координат профиля получаемой поверхности в результате суперфинишной обработки; выполнен анализ влияния способа суперфиниширования с угловой осцилляцией на параметры получаемой поверхности дорожки качения.

На рис. 1 изображена конструкция устройства абразивной обработки для осуществления процесса суперфиниширования с угловой осцилляцией.

Рис. 1. Конструкция устройства абразивной обработки для суперфиниширования колец шарикоподшипников с многоточечным контактом: 1 - кронштейн, 2 - пиноль,

3,7- подшипники, 4 - шпиндель, 5 - шкив, 6 - стакан, 8 - многобрусковый патрон, 9 - державки, 10 - абразивные бруски, 11 - изделие, 12 - паз, 13 - упор

На кронштейне 1 неподвижно закреплена суперфинишная головка, состоящая из пиноли 2, в подшипниках 3 которой в вертикальной плоскости соосно с осью шпинделя изделия 11 установлен инструментальный шпиндель 4. На торце инструментального шпинделя 4 жестко закреплен стакан 6. В стакане 6 выполнено отверстие, ось которого расположена под заданным углом а к оси инструментального шпинделя 4. В отверстии стакана 6 в подшипниках качения 7 установлен многобрусковый патрон 8. Многобрусковый патрон 8 имеет, по крайней мере, две державки 9 с закрепленными в них абразивными брусками 10 и механизм подвода-отвода брусков (не показан) относительно обрабатываемой поверхности изделия 11. В многобрусковом патроне 8 выполнен паз 12, в котором установлен упор 13, неподвижно закрепленный на станине станка.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Изделие 11 устанавливается на шпинделе изделия и получает от него вращение вокруг своей оси, расположенной в вертикальной плоскости. Кронштейн 1 подводит инструментальную головку и многобрусковый патрон 8 с державками 9 и абразивными брусками 10 к изделию 11. После этого от механизма вращения (не показан) через шкив 5 включается вращение шпинделя 4 в подшипниках 3 пиноли 2, а державки 9 с абразивными брусками 10 подводятся к обрабатываемой поверхности изделия 11. Так как многобрусковый патрон 8 удерживается от вращения вокруг оси инструментального шпинделя 4 упором 13, установленным в пазу 12, при вращении инструментального шпинделя 4 и стакана 6 с подшипниками 7 ось многобрускового патрона 8 описывает с частотой вращения инструментального шпинделя 4 коническую поверхность с вершиной, расположенной в центре симметрии обрабатываемой поверхности изделия 11, и с углом при вершине, равным а. При этом абразивные бруски 10 получают осциллирующее движение, а именно движение прецессии, с частотой, равной частоте вращения инструментального шпинделя 4. Это обеспечивает высокую производительность обработки и качество получаемой поверхности. По предложенному изобретению подана заявка ФИПС № 2012120496 «Устройство абразивной обработки», авторы Королев A.B., Салимов Б.Н.

Схема рассматриваемого процесса суперфиниширования с использованием разработанного устройства приведена на рис. 2. Заготовка 1 вращается вокруг своей оси, а к ее обрабатываемой поверхности с силой Р прижимается абразивный брусок 2. Ось осцилляции бруска наклонена под углом а к оси заготовки. Рабочая поверхность абразивного бруска охватывает обрабатываемую поверхность заготовки и контактирует с ней по сложной кривой, расположенной вдоль рабочей поверхности бруска. После приработки абразивный брусок приобретет тороидальную форму. Тем самым в процессе суперфиниширования сохранится исходный профиль дорожки качения и обеспечится равномерный съем припуска вдоль профиля обрабатываемой поверхности.

/

л

Л

При построении математической модели формирования рациональной геометрии дорожек качения шарикоподшипников с многоточечным контактом были приняты некоторые допущения, основные из которых следующие:

1.При суперфинишировании поверхности дорожки качения абразивный брусок контактирует с заготовкой рабочей поверхностью, ограниченной по ширине абразивного бруска В.

2. Абразивная обработка осуществляется одновременно двумя брусками. В работе рассматривается форма рабочей поверхности одного абразивного бруска, так как абразивные бруски находятся в равном положении относительно обрабатываемой поверхности и имеют одинаковую форму.

3. В уравнении поверхности бруска не учитывается смещение бруска относительно оси заготовки. Поскольку влияние данного смещения на процесс обработки поверхности является незначительным.

4. Рабочая поверхность абразивного бруска и обрабатываемая поверхность имеют тороидальную форму.

Введем две декартовы системы координат заготовки Oxyz и бруска

0хьУь1ь■ Обе системы имеют общее начало О, расположенное в точке пересечения осей симметрии заготовки 1. Ось OZ направлена вдоль оси вращения заготовки 1. Оси Оу и Oyh проходят через центральную точку контакта абразивного бруска и обрабатываемой поверхности (рис. 2).

Уравнение рабочей поверхности бруска в параметрической форме будет иметь следующий вид:

xh(S,\j/) = (Ra + r-r-cosS)-cosy/\ • yh(S,y/) = (Rn+r-r-cosS) ■ siny/\ zb{S,\j/) = r-s'mS; при-0,5-В<гь <0,5B

Рис. 2. Схема расположения заготовки 1 и абразивного бруска 2 в процессе суперфиниширования с угловой осцилляцией

(1)

r — h

при & ^ arceos-и 0 < у/ < 1к,

где R0- радиус дорожки качения по дну желоба, мм; г - радиус профиля абразивного бруска, мм; 8 - полярный угол профиля абразивного бруска, град; у - полярный угол диаметрального сечения рабочей поверхности абразивного бруска, град; В - ширина абразивного бруска, мм; h - глубина дорожки качения, мм.

Уравнение (1) преобразовали к обычному виду:

х2 + у2 — (Ro + г)2 + 2- (Ro + г)• л/г2 -z2 ~(r2-z2) = 0. (2)

Из равенства (2) несложно определить

Rz =(Ro + r)2-2-(Ro + r)-Jr2-z2 +(r2-z2), (3)

где Rz - радиус диаметрального сечения дорожки качения при фиксированном значении г-

Выразим уравнение рабочей поверхности абразивного бруска в системе координат:

X2 +у2-{Ro+rf +2-{Ro + r)-4r2-z2 ~{гг-z2) = 0. (4)

Рис. 3. Контакт абразивного бруска и изделия в сечении г.=сотг

Уравнение поверхности бруска в системе Охуг после поворота на угол а будет иметь вид (х-сож+г-ьта)2+у2 -^о+г)2 +2-№о+г)-т[г2 -и-сож-х-ыпа)2 -

-(г -(г-совог-дс-зта) ) =0

На основе выражения (5) определим координаты точек контакта бруска в каждом из сечений плоскостью XOY (z=const) с получаемой при обработке поверхностью.

Введем полярную систему координат:

[х = púncp

(6)

[>' = pcosq)

Тогда уравнение (6) с учетом равенств (7) перепишем следующим образом:

F = p2{ sin2 <рсо£ a+coi <psin2 a)+2zp(sin<pcosa-cos(psiná)+p2 eos2 <p+

+z2-{Ro+rf +2-(Ro+r)-^jr2 -{z-cosa-p-úx\<p-smaf -r2 =0

Поверхности касаются в точке, если они в этой точке имеют общую касательную. Определим величину угла <р, для которого величина р из уравнения (7) будет минимальной, т.е. будет выполняться условие

По теореме о дифференцировании неявных функций

3F

др _ Ъ(р

(9)

Эр

Из (8) и (9) можно записать

Э£ = 0 (Ю)

Э (р

Дифференцируя (7) по (р, получим систему уравнений относительно

р и ¡р:

р2(sin2 (pcoi а+eos2 f>sin2 a) + 2zp(s\n<pcosa—cos<ps\na)+p2 eos2 (p+ +z2-(Ro+r)2 +2-(Ro+r)-^r2-(z-cosa-p-sinp-sma)2 -r2 =0 p-z(cos^cosa+sin^sina)-sin^cos^sin2o(/?2 -1)+ ^ ^

+(Rn+r)--. и Y и \-=0

д/г" -(z-cosa-ps\n<p-s\nay

Таким образом, получена система уравнений обработанной поверхности в неявном виде. Из системы (11) можно определить р и <р, а из (6) координаты точки (х, у) взаимодействия абразивного бруска с изделием в плоскости z=const при заданных значениях R0, г. Обрабатываемая деталь, проходя через точку (х, у) в заданном сечении z, описывает окружность

радиуса р, =^]х2 + Таким образом, точки (рг,г) образуют профиль желоба кольца шарикоподшипника.

Для построения профиля желоба кольца требуются координаты точек профиля кольца шарикоподшипника при известных параметрах суперфиниша с угловой осцилляцией. Для этого разработана программа в среде МаШСа«!, которая задает значения Р для расчета значений абсциссы профиля желоба .

Убедиться в правильности выполненных задач можно с помощью построения графика зависимости V (У-а3 от ^ , представленного на рис. 4. На графике видно отклонение профиля, обработанного суперфинишем, с угловой осцилляцией в большую сторону. Это говорит о том, что в данном способе обеспечивается более близкий контакт с бруском, чем в стандартном профиле, что обеспечивает повышенную несущую способность дорожки качения шарикоподшипника.

Рис. 4. Профили дорожки качения кольца шарикоподшипника: стандартного профиля (сплошная линия) и полученного при обработке с угловой осцилляцией 3 градуса (пунктирная линия)

Адекватность математической модели с результатами опытов проверяли путем сравнения расчетного и фактического профиля дорожки качения колец шарикоподшипников. Расчетные значения находятся в пределах границ экспериментальных значений с доверительной вероятностью 95%, что подтверждает соответствие расчетных значений экспериментальным данным.

В третьей главе представлена методика проведения экспериментальных исследований. Изложены объекты, средства и условия проведения экспериментальных исследований.

Для проведения экспериментальных исследований использовали суперфинишный автомат МСА-2001 для доводки дорожек качения шарикоподшипников 176 220 (рис. 5).

Сложность процесса суперфиниширования с угловой осцилляцией, взаимодействие большого числа факторов делают целесообразным использование методов математической статистики при его исследовании.

Среди большого количества способов планирования экспериментов наиболее объективным является метод полного факторного эксперимента, который позволяет получить экспериментально-аналитическую модель с высокой доверительной вероятностью.

Разработана методика экспериментальных исследований влияния режимов суперфиниширования на показатели качества обработанной поверхности. Помимо времени обработки, к числу эффективных управляющих факторов относится частота колебаний инструментальной головки с закрепленными на ней абразивными брусками. При использовании мелкозернистого инструмента благоприятные условия для самоочищения и самозатачивания инструмента оказывают осциллирующие движения головки автомата, тем самым достигается низкая шероховатость обработанной поверхности.

По результатам исследований получены регрессионные зависимости. Оценка достоверности уравнений регрессии оценивалась по критерию Фишера.

В исследовании режимы обработки имели следующие постоянные значения: частота вращения изделия 2500 об/мин, угол осцилляции (скрещивания осей вращения заготовки и инструмента) 3° и варьируемые параметры: зернистость брусков М7-М14, давление брусков Р-20-100 Н, время обработки Т=6-18 с и частота колебаний инструментальной головки пЬ=8-20 Гц.

В четвертой главе приведены результаты и выполнен анализ экспериментальных исследований процесса суперфиниширования с угловой осцилляцией, разработана методика выбора рациональных режимов обработки на операции суперфиниша, оптимизированы рациональные условия формирования геометрии колец шарикоподшипников с многоточечным контактом.

При полном многофакторном эксперименте после обработки экспериментальных данных получены следующие регрессионные зависимости шероховатости, волнистости и отклонения от круглости поверхности от технологических факторов: зернистости брусков давления брусков Р, времени обработки Т и частоты колебаний инструментальной головки пЬ:

Рис. 5. Многобрусковый суперфинишный автомат МСА-2001

/?„=-1,583-Z014' Wz = -1,467 Z0J5 Д = 0,908 Z

. p(),056 j-0,121 . pO.216 ^--0,306 .„¿"fl-087

-0,107 pO.227 J--0.254

'•ni)

-0,048

(12)

(13)

(14)

Результаты исследований представлены в наглядной графической форме, выполнен анализ характера влияния технологических режимов на показатели обработки. В качестве примера показаны графики шероховатости поверхности дорожки качения в зависимости от времени обработки (рис. 6) и зависимости волнистости от частоты колебаний инструментальной головки (рис. 7).

Сравнивая полученные в работе зависимости с результатами исследований других авторов, следует отметить, что они не противоречат общепринятым представлениям о механизме влияния режимов суперфиниширования на выходные параметры обработки. Некоторые расхождения результатов в сторону повышения величины отклонения от круглости при увеличении давления вызваны сложной геометрией поверхности дорожки качения в профиле колец 176 220.

Рис. 6. Зависимость шероховатости от времени обработки при различной зернистости инструмента (М7, М14, М28)

Рис. 7. Зависимость волнистости от частоты колебаний инструментальной головки при различной зернистости брусков (М7.М14, М28)

Экспериментальная проверка теоретических предпосылок показала, как именно качественные параметры поверхности, получаемые при суперфинишировании, зависят от основных технологических факторов, что дайт возможность получить геометрию дорожки качения колец подшипников 176 220 с необходимыми характеристиками. На основе разработанной методики выбора условий суперфиниширования колец шарикоподшипников показано, что рациональными режимами обработки колец шарикоподшипников с многоточечным контактом являются: время обработки Т=12 с, 14

зернистость брусков А/7, давление брусков Р=60 Н, частота колебаний инструментальной головки пЬ=15 Гц.

В пятой главе приведены практические рекомендации и технико-экономическая эффективность результатов исследования.

Выполненные исследования процесса суперфиниширования с угловой осцилляцией позволили глубже понять механизм этого сложного процесса и предложить технологию обработки с использованием разработанного устройства абразивной обработки в автомате МСА-2001. При суперфинишировании рассматриваемым способом по полученным лабораторным результатам наблюдались снижение шероховатости и достижение более точных результатов по микрогеометрии дорожки качения.

Внедрение результатов исследований осуществлялось в ООО «НПП НИМ» СГТУ при изготовлении колец шарикоподшипников с многоточечным контактом 176 220, предназначенных для комбинированных (радиальных и осевых) нагрузок. Имеется акт о внедрении научно-исследовательской работы в ООО «НПП НИМ».

Расчет экономического эффекта от практического использования предложенной технологии осуществлялся приближенным к условиям ОАО «СПЗ». Расчет показал, что при потребном объеме выпуска подшипников 176 220 в количестве 120 тыс. шт. в год экономический эффект составляет 496 062 руб. в год, срок окупаемости капитальных вложений - 2,5 года. Расчет технико-экономических показателей выполнен, исходя из привлечения автомата МСА-2001, где высокая производительность автомата объясняется наличием автоматической загрузки заготовок, высокой частотой вращения заготовки, а главное, применением разработанного устройства абразивной обработки в конструкции.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований и внедрения их результатов в промышленность решена актуальная научная задача, которая заключается в повышении эффективности изготовления радиалыю-упорных шарикоподшипников с многоточечным контактом на основе совершенствования операции суперфиниширования с применением разработанного способа и устройства абразивной обработки.

2. Разработана математическая модель формирования сложной геометрии дорожки качения шарикоподшипников с многоточечным контактом на операции суперфиниширования с угловой осцилляцией бруска. Расчетные значения находятся в пределах границ экспериментальных значений с доверительной вероятностью 0,95.

3. Выполнены экспериментальные исследования, которые позволили установить регрессионные зависимости влияния основных технологических факторов: силы прижима брусков к обрабатываемой поверхности, зернистости, времени обработки, частоты вращения инструментальной го-

ловки и изделия, на показатели операции суперфиниширования шарикоподшипников: шероховатость обработанной поверхности, волнистость и отклонение от круглости дорожки качения. Показано, что наиболее существенное влияние на результаты суперфиниширования оказывают зернистость инструмента и сила прижима брусков к обрабатываемой поверхности. С увеличением значений этих факторов шероховатость поверхности и волнистость возрастают, а с уменьшением - снижаются. С увеличением же времени обработки и частоты колебаний бруска качественные характеристики поверхности улучшаются.

4. Экспериментально установлены рациональные технологические режимы обработки суперфинишированием (значения Т-12 с, Z=7мкм, Р-60 Н, п=15 Гц, при постоянных для данного метода параметрах: пдет=2500 об/мин, угол осцилляции а=Зн), обеспечивающие требуемые параметры качества при максимально возможной производительности обработки.

5. Предложена перспективная технология изготовления колец шарикоподшипников с применением процесса суперфиниширования с угловой осцилляцией взамен полирования, которая показала ее значительные преимущества перед существующей технологией. Результаты работы внедрены на ООО «НПП НИМ».

По теме диссертации опубликованы следующие работы, раскрывающие ее основное содержание:

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Салимов Б.Н. Технология суперфиниширования сложного профиля дорожек качения полуколец шарикоподшипников с многоточечным контактом / Б.Н. Салимов, A.B. Королев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. № 1 (30). С. 31-33.

2. Салимов Б.Н. Моделирование процесса формообразования дорожки качения кольца шарикоподшипника на операции суперфиниширования развернутым бруском / Б.Н. Салимов, Т.А. Балтаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 3 (58). С. 129134.

3. Салимов Б.Н. Устройство обработки дорожки качения колец шарикоподшипников с многоточечным контактом / Б.Н. Салимов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. № 4(63). С. 121-124.

Публикации в других изданиях

4. Салимов Б.Н. Приспособление для нового метода обработки с изменением угла направления инструмента на операции суперфиниширования при изготовлении крупногабаритных колец роликовых подшипников / Б.Н. Салимов // Индустриально-инновационная политика, состояние и пер-

спективы: материалы Международной научно-практической конференции. Уральск: ЗКАТУ им. Жангир хана, 2006.

С. 98-99.

5. Салимов Б.Н. Технология суперфиниширования дорожек качения полуколец шарикоподшипников сложной геометрической формы / Б.Н. Салимов // Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении: труды II Международной научно-технической конференции. Тольятти: ТГУ, 2008. Ч. 1. С. 197-198.

6. Салимов Б.Н. Исследование процесса суперфиниширования дорожки качения сложного профиля колец шарикоподшипников 176 220 БТ/ Б.Н. Салимов // Экономическое, социальное и культурное развитие Западного Казахстана: история и современность: материалы Международной научно-практической конференции. Уральск: ЗКАТУ им. Жангир хана, 2008. С. 507-509.

7. Салимов Б.Н. Обработка колец шарикоподшипников 176 220 суперфинишированием на автомате МСА-2001 / Б. Н. Салимов // Высокие технологии в машиностроении: материалы докладов Всероссийской научно-технической интернет-конференции с международным участием, 22-25 окт. 2008 г. / СамГТУ. Самара, 2008. С. 158-159.

8. Салимов Б.Н. Суперфиниширование сложного профиля дорожки качения колец шарикоподшипников 176 220БТ с многоточечным контактом / Б.Н. Салимов, А.Н. Тюрин, И.Ю. Тюрин // Международная научно-практическая конференция, посвященная 70-летию проф. Дубинина В.Ф.: материалы конференции. Саратов, 2010. С. 208-210.

9. Салимов Б.Н. Технология суперфиниширования дорожки качения колец шарикоподшипников 176 220 БТ с многоточечным контактом / Б.Н. Салимов, А.Н. Тюрин // Технология ремонта, восстановления, и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня: сборник трудов 13-й Международной научно-практической конференции. СПб., 2011. С. 238-241.

10. Салимов Б.Н. Математическая модель ультразвукового выглаживания / Б.Н. Салимов, A.C. Носков, A.B. Королев, Т.А. Балтаев // Наука и образование: науч.-практ. журнал. Зап.-Каз. аграр.-техн. ун-та. Уральск, 2012. №4 (8). С. 90-93.

САЛИМОВ Бакытжан Нуржанович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЕЦ ШАРИКОПОДШИПНИКОВ С МНОГОТОЧЕЧНЫМ КОНТАКТОМ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОПЕРАЦИИ СУПЕРФИНИШИРОВАНИЯ

Автореферат

Подписано в печать 31.01.13 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 12 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

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

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

На правах рукописи

Салимов Бакытжан Нуржанович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЕЦ ШАРИКОПОДШИПНИКОВ С МНОГОТОЧЕЧНЫМ КОНТАКТОМ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОПЕРАЦИИ СУ IIЕ РФ И Н И Ш И РОВ АН И Я

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Дисс ертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д.т.н., профессор Королев Альберт Викторович

00

ю со

см

со

о

см ^

о ^

см

Саратов 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ С У ПЕРФИНИШ ИРОВАНИЯ............................................................................. 10

1.1 Анализ основных методов и средств суперфинишной обработки........... 10

1.2 Перспективные методы суперфиниширования...........................................23

1.3 Цели и задачи исследования.........................................................................34

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДОРОЖКИ КАЧЕНИЯ КОЛЬЦА ШАРИКОПОДШИПНИКА НА ОПЕРАЦИИ СУПЕРФИНИШИРОВАНИЯ С УГЛОВОЙ

ОСЦИЛЛЯЦИЕЙ.................................................................................................36

2 Л Исходные данные, принятые допущения....................................................36

2.2 Формирование рациональной геометрии дорожек качения шарикоподшипников с многоточечным контактом на операции суперфиниширования..........................................................................................37

2.3 Программа расчета рациональных параметров настройки процесса суперфиниширования желобов колец шарикоподшипников..........................45

2.4 Выводы по главе.............................................................................................49

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...............................................................................................51

3.1 Условия выполнения экспериментальных исследований..........................51

3.2 Технологическое оборудование и наладка его для проведения экспериментальных исследований..................................................................... 55

3.3 Экспериментальные исследования влияния условий проведения суперфиниша на качественные характеристики получаемой поверхности.....................................................................................59

3.4 Методика проведения экспериментальных исследований........................62

3.5 Выводы............................................................................................................ 71

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ОБРАБОТКИ НА КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДОРОЖКИ КАЧЕНИЯ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ........................................73

4.1 Влияние основных технологических факторов на качественные характеристики дорожки качения колец подшипников...................................73

4.2 Методика определения рациональных условий суперфиниширования колец подшипников 176 220........................................ 84

4.3 Выводы............................................................................................................88

ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРЕДЛАГАЕМОМУ МЕТОДУ...................................................................89

5.1 Предлагаемое оборудование для суперфиниширования колец шарикоподшипников с многоточечным контактом.........................................89

5.2 Обоснование рациональной формы деталей подшипников и область

их применения......................................................................................................93

5.3 Экономическая эффективность от практического применения результатов работы..............................................................................................98

5.4 Выводы............................................................................................................ 106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................... 108

Список использованной литературы.................................................................. 110

Приложения.......................................................................................................... 122

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Развитие технологий в современном машиностроении определяет технический прогресс по всем отраслям народного хозяйства и оказывает решающее влияние на создание материальной базы новою общества. Первостепенное значение имеет улучшение возможностей технологического процесса изготовления изделий и оборудования, используемого при их обработке.

В современном машиностроении особое внимание уделяется совершенствованию метода окончательной обработки как определяющего фактора качества получаемой поверхности высокоточных деталей. Для прецизионных цилиндрических поверхностей деталей: шпинделей высокоточных станков, шеек коленчатых валов, желобов колец подшипников, удовлетворяющих современному спросу на рынке, заключительная доводочная операция имеет особое значение. Именно на заключительных стадиях технологического процесса изготовления детали достигаются требования по шероховатости поверхностей и качеству геометрии ответственных деталей, происходит упрочнение поверхностного слоя деталей, повышение долговечности деталей машин. Для достижения технических требований деталей, предъявляемых современными рыночными условиями, создается новое технологическое оснащение производства и оборудование, разрабатываются направления малоотходных технологий и автоматизации технологической подготовки производства.

В настоящее время при производстве прецизионных деталей большое внимание уделяется качественным параметрам точности поверхности. Для деталей, используемых в условиях трения скольжения или качения, на заключительных этапах формообразования применяются такие современные виды обработки, как хонингование, суперфиниширование, алмазное выглаживание и т.д.

Основой современного научного прогресса в точном машиностроении является совершенствование технологий для получения высокоточных поверхностей деталей. Это положение, прежде всего, относится к подшипниковому производству, так как качество подшипников оказывает немаловажное влияние на работу основных агрегатов и узлов машин.

В условиях жесткой конкурентной борьбы в области реализации прецизионных деталей немаловажную роль играет точность выполнения технологии изготовления, рекомендаций и методик по производству прецизионных подшипников. Для достижения точных результатов следует применять полученные знания в области исследования подшипников, регулируя технологические параметры, оказывающие влияние на качество поверхности. При изготовлении поверхностей высокой точности следует учитывать, что на качество влияют технологические условия проведения работ, физико-механические свойства материала детали и технологическая наследственность деталей.

В настоящее время машиностроение характеризуется постоянным увеличением интенсивности работы изделий - повышением нафузок, рабочего давления и температуры ответственных поверхностей. В ходе работы >злов машины в наиболее напряженном состоянии находится поверхностный слой контактных участков соприкасающихся деталей, от качества и прочности которых зависят эксплуатационные свойства всего механизма, его надежность и долговечность. Часто в условиях эксплуатации машин приходиться заменять подшипники как особо ответственные и нагруженные детали при достижении ресурса использования. Одной из основных задач современного подшипникового производства является максимальное увеличение ресурса работы подшипника.

Основной рабочей поверхностью подшипников является дорожка качения, именно эта поверхность испытывает циклические переменные

напряжения, вызывающие контактную усталость рабочей поверхности. Поэтому увеличение долговечности работы поверхности дорожки качения колец подшипников ведет к увеличению срока службы всего узла или машины, в работе которой участвуют данные подшипники. Долговечность подшипников увеличивается обеспечением размерно-геометрической точности дорожки качения, высокой твердостью материала и стойкостью к износу поверхности. При этом должны достигаться высокая производительность и экономичность изготовления подшипников.

Проблемой повышения эффективности обработки и качества поверхностей ответственных деталей путем совершенствования суперфинишных операций занимались такие видные ученые как: Бржозовский Б.М., Брозголь И.М., Давиденко О.Ю., Игнатьев A.A., Королев A.B., Королев A.A., По гораздо в В.В., Решетников М.К. и многие другие. Но несмотря на это, некоторые вопросы, связанные с повышением эффективности суперфиниширования таких деталей как кольца шарикоподшипников с многоточечным контактом, остаются не решенными. В частности, неполно выполнены исследования формирования геометрии дорожки качения шарикоподшипников с многоточечным контактом на операции суперфиниширования. Поэтому тема работы по повышению эффективности изготовления колец шарикоподшипников с многоточечным контактом на основе совершенствования операции суперфиниширования является актуальной.

Целью данной работы является повышение эффективности изготовления колец шарикоподшипников с многоточечным контактом путем совершенствования операции суперфиниширования.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования процесса суперфиниширования колец шарикоподшипников осуществлялись с использованием методов технологии машиностроения. Экспериментальные

исследования по обработке желобов колец подшипников проводились с применением мечодов математической статистики и планирования эксперимента. В качестве средств исследования по обработке наружных и внутренних колец подшипников использовались современное оборудование научно-производственного предприятия нестандартных изделий в машиностроении (ОАО «НПТТ НИМ») и Саратовского подшипникового завода (ОАО «СПЗ»), в частности суперфинишные автоматы МСА-2001 при обработке колец подшипников серии 176 220, прибор Роквелла ГОСГ 13407-87, прибор для измерения параметров точности ТАУЪ0К.-Н0В801\[, координатно-измерительпая машина КИМ-750 и другие.

Научная новизна работы:

1. Построена математическая модель формирования рациональной геометрии дорожки качения шарикоподшипников с многоточечным контактом на операции суперфиниширования; предложены способ и устройство для суперфиниширования с угловой осцилляцией бруска, обеспечивающее возможность повышения частоты осцилляции, а следовательно увеличение производительности и качества обработки.

2. Установлены регрессионные зависимости, отражающие влияние зернистости бруска, времени обработки, давления бруска и частоты осцилляции на основные показатели обработки колец шарикоподшипников: шероховатость, волнистость поверхности и отклонение от круглости, позволяющие уточнить механизм формирования геометрии поверхности при предложенном способе суперфиниширования с угловой осцилляцией бруска.

3. Разработана методика выбора рациональных режимов обработки на операции суперфиниширования с угловой осцилляцией бруска, позволяющая оптимизировать условия ее осуществления при обеспечении максимальной производительности процесса и требуемых показателей качества поверхности.

Практическая ценность и реализация работы:

- предложено устройство абразивной обработки дорожки качения колец шарикоподшипника с многоточечным контактом, обеспечивающее высокую производительность и качество обработки изделий;

- разработана программа расчета на ЭВМ с применением программы MathCad 15 оптимальных технологических режимов обработки и геометрических параметров заготовок;

- предложены рациональные условия осуществления процесса суперфиниширования с угловой осцилляцией дорожек качения колец шарикоподшипников с многоточечньгм контактом 176 220;

- разработана технология суперфиниширования шарикоподшипников с многоточечным контактом серии 176 220, которая внедрена на предприятии -ООО «Научно-производственное предприятие нестандартных изделий машиностроения» (НЛП НИМ). Экономический эффект внедрения технологии с у п е р ф и н и ш и р о ва и и я составил для ООО «НЛП НИМ» 496062 руб.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Перспективная технология обработки суперфинишем дорожек качения колец шарикоподшипников с использованием разработанного устройства абразивной обработки, обеспечивающего высокочастотную угловую осцилляцию брусков.

2. Математическая модель процесса формообразования дорожки качения кольца шарикоподшипника на операции суперфиниширования с угловой осцилляцией бруска.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния характеристик абразивного инструмента и режимов обработки на шероховатость, волнистость поверхности и отклонение от круглости.

4. Практические рекомендации по использованию суперфиниширования с угловой осцилляцией в технологическом процессе обработки колец подшипников серии 176 220.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на международной научно-технической конференции «.Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении» (Тольятти, 2008); Международной научно-практической конференции, (Уральск, Зап.-Каз. аграрн. техн. ун-т им. Жангир хана, 2006), Всероссийской научно-технической интернет-конференции с международным участием: Самара, Самарский гос. техн. ун-т, 2008); Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию проф. Дубинина В.Ф. (Саратов, 2010), Международной научно-практической конференции «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано-до макро>ровня» (Санкт-Петербург, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц и 35 рисунков, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 118 наименований и приложений.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н., заслуженному деятелю РФ, лауреату премии президента РФ, профессору Королёву A.B., коллективу кафедры «Технология машиностроения» СГТУ им. Гагарина Ю.А. за большую помощь при выполнении работы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ С У ПЕРФИI IИШИ Р (ЗВАНИЯ

1Л Анализ основных методов и средств суперфинишной обработки

В современном машиностроении к качеству выпускаемой продукции предъявляются высокие требования, и наряду с методами регулирования качества процессов по международным стандартам необходимо непрерывно улучшать базовые техпроцессы с применением новых методов доводочных операций. В условиях изготовления прецизионных подшипников точность и шероховатость поверхности должны иметь следующие характеристики: волнистость менее 0,2 мкм, отклонение от круглости менее 1 мкм, нецилиндричность менее 5 мкм, параметр шероховатости И.а = 0,02-0,8 мкм, отсутствие дефектов на поверхности металла [52]. Для достижения этих требований на заключительных этапах формообразования поверхностей цилиндрических деталей применяется суперфинишная обработка.

Рис. 1.1. Схема движений инструмента и заготовки ри классическом суперфинишировании: 1 — деталь; 2 - брусок (уок - окружная скорое 1ь, Я - осевая подача, \'ос ^ скорое I ь осевой подачи, гц, — часю 1а колебаний, а - размах колебаний, - угол сетки)

Схема суперфинишной обработки представлена на рис. 1.1. Гидравлический привод прижимает суперфинишную головку с бруском к

7

а

заготовке, заготовка вращается с высокой частотой, бруски совершают koj I еб ате j i ьн ы е д в и жени я.

С начала появления суперфиниширования проведено множество исследований но улучшению самого процесса и качественных характеристик поверхности такими учеными как A.B. Королев, Д.Г. Евсеев, С.Г. Редько, О.Ю. Давиденко, З.И. Кремень, И.Х. Стратиевский, C.B. Пинегин, И.П. Фрагин. Франк, Л.В. Худобин, П.И. Ящерицын и многие другие.

Процесс суперфиниширования протекает поэтапно, lia начальном этапе происходит срезание абразивными частицами микровыступов на поверхности. Скорость съема металла составляет 2-4 мкм/с [52]. Из-за особенности кинематики процесса, при котором движется и заготовка и брусок, абразивное зерно не повторяет предыдущую траекторию по обрабатываемой поверхности. При контакте поверхности с абразивными зернами происходит сглаживание микронеровностей, показатель шероховатости улучшается. В место рабочего контакта детали и брусков непрерывно подается СОЖ, вследствие чего между ними образуется тонкая масляная пленка, которая впоследствии продавливается абразивами. По мере увеличения площади контакта уменьшается удельное давление на выступы микронеровностей. На следующем этапе масляная пленка вновь препятствует работе граней абразивных зерен, и происходит смятие средних и малых выступов на поверхности детали [107]. В заключительный период между брусками и обрабатываемой поверхностью процесс резания затухает, преобладает процесс трения, про�