автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности шлифования торцов колец крупногабаритных подшипников путём управления осевой упругой деформацией

На правах рукописи

Орлов Сергей Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ ТОРЦОВ КОЛЕЦ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ ПУТЁМ УПРАВЛЕНИЯ ОСЕВОЙ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Волгоград-2013

005543163

Работа выполнена на кафедрах «Технология и оборудование машиностроитель ных производств» и «Механика» Волжского политехнического института (филиа ла) федерального государственного бюджетного образовательного учреждени высшего профессионального образования «Волгоградский государственный тех нический университет»

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Носенко Владимир Андреевич.

Рябцев Сергей Александрович,

доктор технических наук, НИЦ «Новые технологи и инструменты» ФГБОУ ВПО «Московский госу дарственный технический университет «Стан кин»», ведущий научный сотрудник;

Сидякин Юрий Иванович,

доктор технических наук, профессор, Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Металлорежущие станки и инструменты», заведующий.

ФГБОУ ВПО «Государственный университет-учебно-научно-производственный комплекс», г. Орёл.

Защита диссертации состоится « 26 » декабря 2013 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.06, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В.И. Ленина, д.28, ауд. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «-25» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Быков Юрий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для подшипниковой промышленности шлифование является одним из основных методов обработки, определяющим геометрическую точность деталей подшипников. Пути повышения геометрической точности шлифования подшипников качения определены в многочисленных российских и зарубежных исследованиях. Однако изготовление крупногабаритных подшипников связанно со значительными трудностями.

Эти трудности обусловлены сложностью обеспечения геометрической точности колец подшипников, имеющих начальные отклонения от плоскостности торцов в результате термообработки или предшествующих операций механической обработки.

Для обеспечения заданных геометрических параметров торцовые поверхности подвергают шлифованию. Наличие отклонений от плоскостности торцовых поверхностей существенно усложняет процесс шлифования, поскольку под действием магнитного поля стола станка кольцо получает упругую деформацию. После шлифования и снятия магнитного поля упругие деформации возвращают определённую величину отклонения от плоскостности обработанному торцу.

Различные технологические приемы, использующиеся для устранения отклонений от плоскостности торцов колец подшипников, существенно увеличивают время обработки и стоимость операции.

При шлифовании колец крупногабаритных подшипников необходимо учитывать упругие деформации, возникающие от действия магнитного поля стола и силы резания. Управление величиной упругих деформаций позволит уменьшить время и стоимость операции при гарантированном обеспечении геометрической точности детали. Тем не менее, данный вопрос при шлифовании колец крупногабаритных подшипников исследован недостаточно.

В этой связи представляет научную и практическую значимость исследование влияния осевой упругой деформации, возникающей при закреплении и шлифовании колец крупногабаритных подшипников, на обеспечение заданных параметров качества обработанной поверхности.

Цель работы - повышение эффективности процесса плоского шлифования торцов колец крупногабаритных подшипников путем управления осевой упругой деформацией, возникающей при закреплении и обработке заготовки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать влияние осевой деформации при закреплении и шлифовании крупногабаритных колец конических подшипников на отклонение от плоскостности обработанной торцовой поверхности кольца;

- определить условия, обеспечивающие получение заданного допуска плоскостности торцовой поверхности колец подшипников с учетом их осевой упругой деформации при закреплении и шлифовании;

- разработать математические модели осевой упругой деформации, возникающей при закреплении и шлифовании торцовой поверхности колец подшипников;

- исследовать особенности плоского врезного шлифования в различных условиях заготовок из стали ШХ15 в связи с требованиями к качеству обработанной

поверхности, разработать математические модели составляющих силы резания и показателей качества обработанной поверхности;

- разработать алгоритм, методику и программное обеспечение для выбора условий шлифования торцов колец крупногабаритных подшипников, учитывающие их осевую упругую деформацию при закреплении и шлифовании;

- апробировать и внедрить в производство результаты исследований на операции шлифования торцовых поверхностей колец крупногабаритных подшипников их стали ШХ15.

Научная новизна

Разработаны условия обеспечения заданного допуска плоскостности торцовой поверхности кольца подшипника, учитывающие упругую деформацию при закреплении заготовки магнитным полем станка и шлифовании.

Разработаны математические модели осевой упругой деформации при закреплении и шлифовании колец крупногабаритных конических подшипников, имеющих начальные отклонения от плоскостности.

Разработаны эмпирические математические модели составляющих силы резания плоского врезного шлифования стали ШХ-15, параметра шероховатости обработанной поверхности На и коэффициента шлифования с учетом характеристики абразивного инструмента и режимов шлифования.

Разработаны алгоритм и методика выбора условий шлифования торцовой поверхности колец крупногабаритных подшипников, учитывающие осевую упругую деформацию кольца и обеспечивающие заданные требования к качеству обработанной поверхности.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Разработан способ получения заданного допуска плоскостности торцов колец шлифованием, новизна которого подтверждена патентом 2370354 РФ, МПК В 24 В 7/04.

Разработано программное обеспечение для практической реализации методики выбора оптимальных условий шлифования торцовой поверхности колец крупногабаритных конических подшипников.

Разработаны и внедрены в производство в Волжском филиале ОАО «ЕПК Самара» рекомендации по определению условий, обеспечивающих возможность устранения отклонений от плоскостности торцов колец крупногабаритных подшипников шлифованием, и методика выбора оптимальных условий шлифования торцовых поверхностей колец крупногабаритных конических подшипников.

Результаты работы внедрены в учебный процесс по направлению «Конст-рукторско-технологическое обеспечение машиностроительного производства» при преподавании дисциплин «Технология абразивной обработки» и «Моделирование процессов абразивной обработки» в Волжском политехническом институте (филиал) ВолгГТУ.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на Междунар. науч.-технич. конф. «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (г. Волжский, 2006 г.); XX Междунар. науч.-технич. конф. «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20» (г. Ярославль, 2007 г.);

XVIII междунар. науч.-техн. конф. «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, Украина, 2011 г.); XIV междунар. науч.-техн. конф. «Технология -2011» (г. Орел, 2011 г.); XV междунар. науч.-техн. конференции «Технология -2012» (г. Орел, 2012 г.); III Междунар. науч.-техн. конф. (Резниковские чтения) «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» (г. Тольятти, 2011 г.); V-ой Междунар. науч. сту-денч. конф. и «Научный потенциал студенчества в XXI веке» г. Ставрополь 2011 г. (кубок и диплом Ш-ей степени); IV, V, VI, VII Всерос. конф. «Инновационные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2006, 2008, 2009, 2010 г.); V Межрег. науч.-практ. конф. «Взаимодействие вузов и промышленных предприятий для эффективного развития инновационной деятельности» (г. Волжский, 2009 г.); XI Регион, конф. молодых исследователей Волгоградской обл. (г. Волгоград, 2006 г.); XII Межвуз. науч.- практ. конф. молодых уч. и студ. г. Волжского, (г. Волжский, 2006 г.); VI, VII, VIII, IX, X, ХП науч.- практич. конф. ВПИ (филиал) ВолгГТУ (г. Волжский, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2013 г.), расширенный межкафедр, науч. семинар автомеханического факультета ВПИ (филиала) ВолгГТУ (2013г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 23 печатные работы, в том числе: 1 монография; 4 статьи в научных журналах, входящих в список изданий, рекомендуемых ВАК РФ; 1 статья переиздана в зарубежном журнале на англ.; получен 1 патент на изобретение РФ; 11 работ в сборниках трудов международных и республиканских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 123 наименования, 5 приложений. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 22 таблицы.

На защиту выносятся:

- условия обеспечения заданного допуска плоскостности торцовой поверхности кольца подшипника, учитывающие упругую деформацию кольца при закреплении заготовки магнитным полем стола станка и шлифовании;

- математические модели упругой осевой деформации при закреплении и шлифовании колец крупногабаритных подшипников с начальным отклонением от плоскостности торцов после термообработки;

- математические модели составляющих силы резания, шероховатости обработанной поверхности и коэффициента шлифования при плоском врезном шлифовании стали ШХ-15 с учетом зернистости и твердости абразивного инструмента, глубины шлифования, скорости подачи стола и наработки;

- алгоритм и методика выбора условий плоского врезного шлифования колец крупногабаритных подшипников, обеспечивающие заданные требования к качеству обработанной поверхности при максимальной производительности процесса.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дается общая характеристика работы, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе приводится литературный обзор по теме диссертации. Рас-

смотрены особенности механической обработки колец крупногабаритных подшипников, имеющих начальное отклонение от плоскостности торцов после термообработки.

Показано, что максимальная величина отклонения от плоскостности торцов колец, например, после операции термической обработки зависит от отношения наружного диаметра D к ширине кольца С, характеризующего жёсткость колец. При увеличении отношения D/C максимальное отклонение от плоскостности возрастает.

Проанализированы основные причины возникающих деформаций и способы их уменьшения. Отмечено, что полностью исключить начальные отклонения от плоскостности торцов колец после закалки не удается.

Наличие отклонений от плоскостности торцовой поверхности существенно усложняет процесс шлифования, поскольку под действием магнитного поля стола станка кольца получают дополнительную деформацию. После шлифования и снятия магнитного поля упругие деформации возвращают определённую величину отклонения от плоскостности обработанному торцу.

На основе сделанного литературного анализа сформулированы цель и основные задачи работы.

Во второй главе рассматривается методика проведения экспериментальных исследований. Приводится описание оборудования, приборов, материалов, методик проведения экспериментов и обработки данных.

Отклонение от плоскостности торцов колец подшипников измеряли на трехкоординатной измерительной машине Millennium и приборе СИ503.

Образцы из стали ШХ15 для исследований процесса шлифования в лабораторных условиях изготовлены на ОАО «Волжский подшипниковый завод» с термообработкой в соответствии с технологией производства колец подшипников. Исследования выполняли методом полного факторного эксперимента на плоскошлифовальном станке. Измеряли составляющие силы резания, износ круга, определяли наличие прижогов и шероховатость обработанной поверхности. Шероховатость поверхности измеряли непосредственно на столе станка профилографом-профилометром «Сейтроник ПШ8-4 С.С.». Прижоги определяли методом травления согласно инструкции ВНИПП.

В качестве абразивного инструмента использовали шлифовальные круги производства ОАО «Волжский абразивный завод».

Регистрацию и обработку экспериментальных данных, построение графиков и эмпирических моделей производили с использованием программного обеспечения (Power Graph, Excel, MathCAD, собственных программ).

Третья глава посвящена определению условий обеспечения заданного допуска плоскостности торцовой поверхности кольца подшипника, учитывающих упругую деформацию кольца при закреплении заготовки магнитным полем станка и шлифовании, разработке математических моделей упругой осевой деформации при шлифовании колец крупногабаритных подшипников с начальными отклонениями от плоскостности торцов.

Как показали исследования, основным фактором, определяющим начальное отклонение от плоскостности торцовой поверхности кольца, является деформация

заготовки кольца в процессе её термообработки в шестиупорных штампах. В связи с этим заготовка получает искривление торцовой поверхности с шестью выраженными волнами макроотклонений.

При моделировании деформаций выступы макроотклонений (изогнутость) представляли в виде цилиндрической поверхности, радиус которой принимали равным среднему значению радиуса выступа макроотклонений. С целью приближения к реальной поверхности цилиндрическая поверхность имеет определенную продольную и поперечную волнистость, продольную и поперечную шероховатость. Значения параметров волнистости и шероховатости поверхности определяли экспериментально.

Шероховатость и отклонение от плоскостности поверхности стола почти на порядок меньше, что позволяет поверхность стола в сравнении с торцовой поверхностью кольца считать идеально гладкой.

Максимальная осевая деформация при закреплении заготовки кольца магнитным полем стола будет равна:

Щ = + Щк,

где м>т, м>дтах - максимальная осевая упругая деформация кольца при изгибе, соответственно под действием массы заготовки и магнитного поля стола; - контактная деформация торцовой поверхности кольца с плоскостью стола.

При шлифовании торца к осевой деформации добавляется максимальная осевая упругая деформация кольца при изгибе м>ртах под действием радиальной составляющей силы резания, приложенной в центре пролёта между опорами, и контактная деформация торца кольца с плоскостью стола м>рк:

Щ = Щтах + ™рк-

Для исследования осевых деформаций, возникающих при закреплении и шлифовании торцовой поверхности, выбраны два наружных кольца конических роликовых подшипников, изготавливаемые на ОАО «ЕПК Самара». Некоторые геометрические размеры колец приведены в табл. 1, где : Д £>/, С - соответственно наружный, внутренний диаметры и ширина кольца; /? - угол конусности; г=Бо/2 - соответственно радиус и диаметр центральной оси кольца, проходящей через центр тяжести поперечного сечения; 11С, 1ус и /7, 1У - осевые моменты инерции относительно центральных осей гс, ус поперечного сечения кольца и главные центральные моменты инерции; цу - /У//2С; цК = £/у/2/^/гс/к) - вспомогательные коэффициенты; 1К - момент инерции поперечного сечения при кручении; Ей О -модули нормальной упругости и сдвига материала кольца; сч, а2 - коэффициенты для оценки применимости теории стержней малой кривизны.

Таблица 1

Кольцо А мм мм С, мм А град г, ММ Лс, мм4 4 мм4 мм ь Пк «/ 0-2

У-7866А.01 375 357,5 18 15,0 184,2 2939 3001 431,1 0,168 0,656 64,3 0,048

1077756.01 460 401 62 12,7 218,4 432500 439000 63610 0,162 0,656 22,1 0,130

Осевые макродеформации определяли из условия, что первоначальный контакт заготовки кольца с плоскостью стола станка происходит в трёх точках. На кольцо действует сила тяжести и сила прижима кольца к столу станка под действием магнитного поля, которые представляем в виде распределенной нагрузки по

периметру кольца. В результате осевой деформации кольца под действием нагрузки число точек контакта может увеличиваться до шести, что определяется шестью волнами макроотклонений.

В результате измерения отклонений от плоскостности торцовых поверхностей заготовок трех партий колец с объемом выборки 15 колец в каждой партии определена плотность распределения вершин макроотклонений. В качестве примера на рис. 1 показана диаграмма отклонений одного из колец 1077756.01.

Из табл. 1 следует, что для рассматриваемых колец а;= 2лг/С > 10, а2= 0,5(£> - А)/г <0,2. Выполнение данного условия позволяет использовать для определения максимальных упругих деформаций при изгибе кольца м>ртах и м>дтах теорию стержней малой кривизны.

Расположение главных центральных осей относительно плоскости торца кольца определяется углом а0 (рис. 2, 6). Кольцо представляем как неразрезную замкнутую балку с шарнирными опорами, нагруженную равномерно распределенной по центральной оси нагрузкой интенсивностью дс+ дт (от действия магнитного поля стола дс и массы заготовки дт) и сосредоточенной силой Ру (ра-

Рис.2. Исследуемое кольцо (а) и поперечное сечение кольца (б)

диальной составляющей силы резания), приложенной в середине пролёта между опорами (точка А).

Из уравнения равновесия моментов относительно оси качания В-В} (рис. 3,

г

а) находим одну реакцию: Я2 - (2щг - Р)/3. Реакция определяется из суммы проекций всех сил на вертикальную ось: = 2(щг + РуУ3.

Из шести неизвестных внутренних силовых факторов в кольце три, лежащие в плоскости кольца, равны нулю, так как внешняя нагрузка перпендикулярна плоскости кольца. При раскрытии статической неопределимости методом сил

Рис. 3. Расчетная схема кольца для максимального прогиба при трёх точечном (а) и четырёх точечном (б) контакте со столом

разрез кольца располагаем в плоскости симметрии в точке А (см. рис. 3, а), что позволяет использовать свойства симметрии (кососимметричные внутренние силовые факторы равны нулю) и остается неизвестным один изгибающий момент X) (рис. 4, а), который определяем из уравнения:

(-0,656qr -1,2 LPr)+ = 0,3 8 5Pr+0,209qr^,

где

X, = +Пк ~viyl=

+kУ-rily\-0,656qr2 -l,2IPr)J/ л[г,у+г,к-nly

S ="Z\M[sin(pd(p = -0,656qr2-l,21Pr,

K n <f

C=X \M[ccos<pdcp = -0,656qr2 -1,2\Pr.

Учитывая симметрию нагрузки, выражения изгибающих и крутящих моментов от внешней нагрузки М[а, Мрш в текущих сечениях основной системы на двух участках 0<ф1<л-/3и0<ф2< 2п/Ъ (см. рис. 4, а) вычисляются только для половины кольца. При движении от оси симметрии 1 для первого участка 0 < Ф I < п/Ъ и второго 0<ф2< 2л/Ъ получим:

к

= -0,5Prsin% - bf2sin(^, -a)da =~0,SPrsin(p]

М^, = -0,5Рг(1-сощ)- ^г![\-со!(<р1-а)}1а=-0>5Рг{\-соз<р1)з1Щ -дг2(<р,-$т<р,).

о

Мрх2 =-0,5Ргзт(^2 +яг/3) + Л,/-8тр2 -дг2[1-соз(<р2 +Я73)]; МЦ2 = -0,5Рг[1-со&{/р2 +я/3)] + 11/(\-со$<р2)-дгг[ф2 +л/3-&т(<р2 +ж/3)]. При действии указанной нагрузки максимальное осевое перемещение (прогиб) м>тах возникает в точке А. Формула Мора для перемещения в полярной системе координат примет вид:

м п

гдеМ^, - моменты от действия единичной силы (рис. 4, б); Мгс, Мк - моменты в эквивалентной системе (см. рис. 4, <з).

г 5т(срг-а)

/л

д Уда Ш

г 5тср 1 1г

/ <Р\( ]ЧД\

сЬ 0,5Ру г

Рис. 4. Эквивалентная система (а) и единичное нагружение (б)

Окончательное уравнение максимального осевого упругого перемещения (осевой деформации) кольца с произвольной формой поперечного сечения при трёхопорном контакте торцовой поверхности с поверхностью стола (см. рис. 3, а):

= г3/~Х'° 3 [РАыщ, + 38^.)+ г(9с + ?„,Хб4^ + 7,47к)] (1)

Значения /г и /гс, /ус, г(у, ^ для исследуемых колец подшипников приведены в табл. 1.

При нагружении кольца число опор будет увеличиваться.

Аналогично получена математическая модель максимальной упругой осевой деформации при четырех опорном контакте (рис. 3, б)\

М6Ч + 120+К<?с■ + ьХ1б,Ч +0.4)1 (2)

Максимальная осевая упругая деформация при изгибе разделяется в уравнениях (1), (2) на три слагаемых: м>тса = м>ртах + тл>чтах + м>т.

При дальнейшем увеличении числа опор точное решение существенно усложняется в связи с возрастанием степени внешней статической неопределимости системы. При переходе от четырехопорного контакта к пяти- и шестиопорному величину максимальных упругих деформаций определяли в пропорции длинам

пролётов на основании проведённого анализа прогибов в многопролётных неразрезных балках.

Контактную деформацию гладкой поверхности стола и шероховатой волнистой торцовой поверхности заготовки кольца, имеющей макротклонения в виде изогнутости, определяли методом Н. Б. Дёмкина. Проведённая оценка величины контактных деформаций позволяет сделать вывод, что её величина для исследуемых колец при наибольших нагрузках не превышает двух процентов допуска плоскостности. В связи с этим в дальнейших расчетах влияние контактных деформаций не учитывали. Экспериментальные исследования осевых деформаций колец под действием магнитного поля стола подтверждают это предположение.

Управление осевыми упругими деформациями, возникающими при закреплении и шлифовании заготовок колец, осуществляется из условия обеспечения допустимого значения [А]. Для расчета допустимой упругой деформации кольца предложена следующая формула:

[Д] = ЯД-ДИ,

где X - коэффициент запаса точности; А - допуск плоскостности торцовой поверхности на операции шлифования; Дт - допуск плоскостности при шлифовании жёсткой заготовки, определяемый из справочной литературы.

Применимость магнитного поля стола для закрепления заготовки кольца определяется условием:

*,<[Д]. (3)

При > [А] кольцо на столе станка закрепляется с помощью упоров.

С учетом изменения количества опор при закреплении кольца магнитным полем станка осевая упругая деформация будет равна:

Щ=У\ + ъ>ф, (4)

где - уровень (мкм), соответствующих 1-му количеству опор (у3 принимаем равным нулю); мгч-, — осевая деформация при / опорах, 3 < г < 6.

Если н>?3<у4, осевая упругая деформация в формуле (4) м>ч=

Если и»9з >у>4, находим \Vq4- При ж^^уз —у4, м>ч=уг,+ 4.

Если и\4.>у$ -У4, находим При \\>ф<у(, -у?,, ы^уь + мд5.

Если 1У?5 >Уб-У5,™ч~Уб.

Как показывает практика, получение требуемой шероховатости торцовой поверхности кольца подшипника возможно без использования выхаживания. Выхаживание применяют для обеспечения допуска плоскостности. Основное время обработки возрастает при этом в среднем на 40%.

При закреплении заготовки кольца магнитным полем стола возможность шлифования без выхаживания определена неравенством:

\уч + м>р<[А]. (5)

При шлифовании заготовки кольца без закрепления магнитным полем допустимое значение допуска плоскостности обеспечивается при выполнении неравенства:

м^<[Д]. (6)

Допустимое значение радиальной составляющей силы резания, при которой заданное значение допуска плоскостности обеспечивается шлифованием без вы-

хаживания, найдем подстановкой математических моделей упругой деформации в (5) и (6). Например, для четырехопорного контакта и закрепления заготовки кольца магнитным полем стола:

И, М"»__16,8^+0.8?« ■

без закрепления магнитным полем стола:

И . М-^.-у« Где л = Ю"3.

А(б4^у +12??,) Д Е1.1,

Четвёртая глава посвящена исследованию влияния режима обработки и характеристики абразивного инструмента на показатели процесса шлифования. Здесь же методом полного факторного эксперимента разработаны математические модели приведённых к ширине образца составляющих силы резания (ру, рг), коэффициента шлифования (Кш) и шероховатости обработанной поверхности (параметр Яа).

В качестве входных факторов при моделировании процесса шлифования выбраны следующие параметры характеристики абразивного инструмента и режима шлифования: Г - зернистость, меш. (ГОСТ Р 52381); с, (х,) - твёрдость шлифовального круга, определяли звуковым методом по приведенной скорости распространения акустических волн, м/с (ГОСТ Р 52710); ( (х2) - глубина шлифования, мм/ход; (х3) - скорость подачи стола, м/мин. В скобках дано условное обозначение кодированных значений фактора.

С учётом производственного опыта были выбраны следующие диапазоны варьирования входных факторов: F- от Л50 до Мб; сх - от 4504 м/с (К) до 4930 м/с (I); < - от 0,01 до 0,02 мм/ход; у5 - от 10 до 20 м/мин.

В результате сравнения дисперсий выходных факторов процесса по критерию Кохрена было установлено, что в рассматриваемом диапазоне варьирования дисперсии выходных факторов неоднородны, то есть не выполняется обязательное условие математического моделирования с использованием методики рационального планирования эксперимента. Снижение различия дисперсий достигается уменьшением интервала варьирования факторов. Наибольшие дисперсии выходных параметров наблюдаются при шлифовании кругами различной зернистости. Исходя из этого, математические модели выходных параметров процесса шлифования разрабатывали в отдельности для каждой зернистости. Дисперсии составляющих силы резания для кругов одной зернистости в данном случае можно считать однородными.

В результате анализа экспериментальных данных установлено, что в рассмотренном интервале варьирования составляющие силы резания на некоторых режимах шлифования значимо зависят от наработки. В связи с этим наработка V (х4) была введена в математические модели в качестве четвертого входного фактора. Исследования выполняли методом полного факторного эксперимента типа 24, где к - число факторов. С учетом парных взаимодействий математические модели выходных факторов процесса шлифования искали в следующем общем виде: у = ь0+ Ь,Х; + Ъ2Х2 + ЬзХз +•••+ ъ 12X1X2+ Ь2}Х2Хз +...+ ъ 123X1X2X3+... + ь1234X1X2X3X4,

где у - выходной фактор; х - кодированное значение входного фактора; Ъ - коэффициенты полинома.

Для составляющих силы резания, приведенных к единице ширины обрабатываемой поверхности, ру и рг число факторов к = 4, для коэффициента шлифования КшиЯа — к=3.

В результате обработки экспериментальных данных и проверки на значимость коэффициентов полиномов получены математические модели выходных факторов при шлифовании кругами зернистостью Е46 и Г60 (табл. 2).

Таблица 2

ру(Г46), Н/мм ру= 19,9 + 5,45*1 + 3,43*2 + 0,99*3+3,67*4+ 1,02*1*2-2,40*1*3 +2,6 *]*4 + 0,69*2*з --1,42 *з*4 - 1,49*1*3*4

РАРЩ. Н/мм ру = 31,42+0,91*у-3,21*2-1,02*^+1,78*^3,44*2*3+0,77*^+ +1,93*,*2*з*<+ 2,0 6*да*з - 3,078 */*2*<- 0,73 х 1X3X4

рЛР-46), Н/мм рг =6,21 + 0,82*1 + 0,9*2 + 0,82*з + 0,49*4 - 0,54*1*3 + 0,23 *1*4

РгФ60), Н/мм рг = 9,18+1,86 */+ 0,67*з- 0,27*4+ 0,32*,*з~ 0,38*2*з+ 0,37*з*<+0,37*/*2*з*< +,72*дао - 0,35 х 1X2X4

КШ(Р4 6) Кш = 44,77 - 5,06*2 - 13,51*з + 6,15х,х3

кш(т) =22,75-1,97*;-5,83*2-1,68*з-2,61ад+1,71*,*3-4,77*2*з

46) Яа = 1,81- 0,22*,+ 0,46*з- 0,22*,*3

Д„(Л50) ЛЛ = 1,92+ 0,27*, + 0,2*2 + 0,29*,*2+ 0,3*,х3+ 0,2 6X1X2X3

Для проверки адекватности полученных математических моделей были проведены дополнительные эксперименты. Сравнение полученных по результатам экспериментов дисперсий адекватности с ранее найденными дисперсиями воспроизводимости по критерию Фишера при 5%-ном уровне значимости показало их однородность, что свидетельствует об адекватности разработанных математических моделей.

В пятой главе рассматривается методика определения оптимальных параметров шлифования колец крупногабаритных подшипников, обеспечивающая выполнение требований к качеству обработанной поверхности (отсутствие шлифовочных прижогов, заданные значения Яа и допуска плоскостности Д) при максимальной производительности процесса.

На первом этапе при выборе оптимальных условий шлифования заготовку рассматривают как абсолютно жёсткую и оптимизацию параметров осуществляют из условия выполнение первых двух требований, т.е. обеспечения бесприжо-говой обработки и заданного значения Яа.

С использованием математических моделей (табл. 2) определяют области существования параметров оптимизации, обеспечивающих выполнение требований к данным параметрам качества.

Параметр Яа задан в технологическом процессе. Образование шлифовочных прижогов на обработанной поверхности заготовки определяется касательной составляющей силы резания Рг. В результате проведенных исследований установлено, что шлифовочные прижоги появляются при значенияхрг> 6 Н/мм.

С использованием математических моделей Яа и рг определены области допустимых значений параметров оптимизации.

Дальнейшая оптимизация параметров в области допустимых значений осуществляется из условия обеспечения максимальной производительности процесса (рис. 5).

да

Использование ^магнитного поля стола^ Щ 5 [Д]

Рис. 5. Алгоритм выбора оптимальных условий шлифования заготовок колец крупногабаритных подшипников с начальными отклонениями от плоскостности торцов

Второй этап оптимизации при шлифовании колец подшипников заключается в необходимости учета упругих деформаций при закреплении заготовки. Возможность использования магнитного поля стола станка для закрепления заготов-

ки кольца реализуется при выполнении неравенства (3), шлифование без выхаживания - неравенствами (5) и (6). Если неравенства (5) и (б) не выполняются, заготовки кольца шлифуют с выхаживанием, что приводит к увеличению основного времени шлифования.

В таком случае в области ранее определенных допустимых значений параметров процесса целесообразно найти такие условия шлифования, при которых возможно выполнение следующих условий:

(7)

где Т0 „¡„ - основное время шлифования без выхаживания при максимальной производительности обработки, параметры реализации которой были определены ранее. При существовании области параметров процесса, удовлетворяющих (7), выбор оптимальных условий шлифования осуществляется по критерию максимальной производительности.

Аналогичный подход реализован при определении оптимальных условий шлифования заготовок колец подшипников, закрепление которых на столе станка осуществляется магнитным полем, представлен в алгоритме (см. рис. 5).

На основании выполненной работы предложен и запатентован способ устранения начальных отклонений от плоскостности торцов колец подшипников шлифованием, при котором шлифование первого торца производится без действия магнитного поля стола с радиальной составляющей силы резания, обеспечивающей осевую упругую деформацию кольца меньше допуска плоскостности торцов (пат. 2370354 РФ, МПК В 24 В 7/04).

Разработанная методика выбора оптимальных условий шлифования торцовых поверхностей колец конических подшипников апробирована на Волжском филиале ОАО «ЕПК Самара». С целью автоматизации расчетов разработано программное обеспечение. Выбор оптимальных условий шлифования сделан на примере трех колец конических подшипников (см. табл. 1). В соответствии с разработанной методикой определены оптимальные режимы шлифования и характеристика инструмента. Результаты производственных испытаний показали, что рекомендованные условия шлифования обеспечивают заданные параметры качества обработанной поверхности кольца подшипника 1077756.01 при повышении производительности процесса на 20%. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы в производство более 300 тыс. руб.

Акты внедрения результатов работы приведены в приложении диссертации.

Общие выводы

1. Решена актуальная научная задача повышения эффективности шлифования торцов колец крупногабаритных подшипников, имеющих начальные отклонения от плоскостности торцов, путем управления осевыми упругими деформациями, возникающими при закреплении заготовок колец и шлифовании под действием радиальной составляющей силы резания.

2. Определены условия, обеспечивающие получение заданного допуска плоскостности торцовой поверхности колец подшипников с учетом осевой упругой деформации при закреплении и шлифовании.

3. Разработана математическая модель осевой упругой деформации заготов-

ки кольца конического подшипника, имеющего начальные отклонения от плоскостности торцовой поверхности, возникающей при закреплении и шлифовании заготовки.

4. С учетом допуска плоскостности торцовой поверхности для операции шлифования разработана математическая модель допустимой радиальной составляющей силы резания, определяющей возможность обработки без выхаживания.

5. Разработаны алгоритм и программное обеспечение для определения оптимальных условий шлифования торцовой поверхности колец конических подшипников, обеспечивающие получение заданных требований к качеству обработанной поверхности {Ra, допуск плоскостности, отсутствие шлифовочных прижо-гов) при максимальной производительности процесса.

6. Разработан способ получения заданного допуска плоскостности торцов колец на операции шлифования, новизна которого подтверждена патентом 2370354 РФ, МПК В 24 В 7/04.

7. Разработаны и внедрены в производство рекомендации по определению условий, обеспечивающих возможность устранения отклонений от плоскостности торцов колец крупногабаритных подшипников шлифованием, и методика выбора оптимальных условий шлифования торцовых поверхностей колец крупногабаритных конических подшипников.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Исследование процессов шлифования внутренних и наружных конусов деталей класса колец / Б.И. Коротков, С.Б. Коротков, В.Н. Тышкевич В. Н., C.B. Орлов: Монография // Под ред. Б.И. Короткова/ ВолгГТУ. - Волгоград, 2007. - 133 с.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

2. Орлов, С. В. Определение допускаемых значений вертикальной составляющей силы плоского шлифования подшипниковых колец малой осевой жесткости / В. А. Носенко, В. Н. Тышкевич, С. В. Орлов // Справочник. Инженерный журнал. -2008,-№4.-С. 24-32.

3. Орлов, С. В. Определение осевых перемещений при шлифовании торцов подшипниковых колец / В.А. Носенко, В.Н. Тышкевич, C.B. Орлов, В.Б. Светличная // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2010. - № 2. - С. 70 -74.

4. Орлов С. В. Влияние режимов обработки и твёрдости круга на составляющие силы шлифования подшипниковой стали / В.А. Носенко, C.B. Орлов, A.A. Крутикова // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии / - 2011. -№ 4/3 (288) - С. 94-99.

5. Орлов С. В. Влияние упругих деформаций на погрешность формы при закреплении и обработке колец подшипников / A.A. Копецкий, В.А. Носенко, В.Н. Тышкевич, C.B. Орлов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии / - 2012. - № 2/3 (292) - С. 103-107.

Статьи, переизданные в зарубежных журналах

6. Орлов С. B.The determination of axial displacements during bearing end face grinding / S.V. Orlov, V.A. Noseiiko, V.N. Tyszkiewicz, V.B. Svetlichnaya // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. - 2010. - Vol. 39, No 2. - C. 157-160.

Патент на изобретение РФ

7. Пат. 2370354 РФ, МПК В 24 В 7/04. Способ устранения изогнутости торцов деталей класса колец шлифованием / C.B. Орлов, В.Н. Тышкевич, Б.И. Коротков, В .А. Носенко. - Опубл. 20.10.2009, Бюлл. № 29.

Публикации в сборниках научных трудов международных и всероссийских

конференций

8. Орлов, C.B. Устранение изогнутости торцов колец подшипников шлифованием / В .А. Носенко, Б.И. Коротков, В.Н. Тышкевич, C.B. Орлов // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы ( Шлифобразив - 2006 ) : сб. науч. тр. Междунар. конференции (Волжский 11-17 сентября 2006г.). В 2 т. Т. 2./ ВИСТех ( филиал ) ВолгГАСУ. - Волжский, 2006. - С.163-166.

9. Орлов, C.B. Определение усилий шлифования торцов колец подшипников/

B.А. Носенко, Б.И. Коротков, В.Н. Тышкевич, C.B. Орлов // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы ( Шлифобразив - 2006 ) : сб. науч. тр. Международной конференции (Волжский 11-17 сентября 2006г.). В 2 т. Т. 2./ ВИСТех ( филиал ) ВолгГАСУ. - Волжский, 2006. - С. 166 - 169. Ю.Орлов, С. В. Использование моделей МДТТ для определения усилий шлифования торцов колец подшипников / В.А. Носенко, C.B. Орлов // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: матер. IV всерос. конф., г. Камышин, 1820 октября 2006 г. В 2 т. Т.1 / КТИ (филиал) ВолгГТУ [и др.] - Камышин, 2006. -

C. 98-100.

11 .Орлов, С. В. Моделирование допустимых усилий торцового шлифования колец малой жесткости подшипников качения. / В.А. Носенко, В.Н. Тышкевич, C.B. Орлов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ - 20. [Текст] : сб. трудов XX Междунар. науч. конф. В 10 т. Т. 4. Секция 5 / под общ. ред. B.C. Балакирева. - Ярославль : Изд-во Яросл. Гос. Техн. Ун-та, 2007. - С. 69-70. 12.0рлов, С. В. Определение осевых деформаций подшипниковых колец/ В. Н. Тышкевич, С. В. Орлов // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер V Всерос. конф., г. Камышин, 4-6 декабря 2008 г.: В 3 т. Т.1. - Волгоград, 2008.-С. 130-132.

13.Орлов, С. В. Определение осевых перемещений при шлифовании торцов подшипниковых колец / В. А. Носенко, В. Н. Тышкевич, В.Б. Светличная, С. В. Орлов //Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. VI Всерос. конф., г.Камышин, 15-16 декабря 2009 г.: В 6 т. Т. 1. - Волгоград, 2010. Т.1 - С. 182-185.

И.Орлов, С. В. Разработка регрессионных математических моделей составляющих силы шлифования стали ШХ15 / В.А. Носенко, C.B. Орлов, A.A. Крутикова // Машиностроение и техносфера XXI века : сб. тр. XVIII междунар. науч.-техн. конф. (г. Севастополь, 12-17 сент. 2011 г.). В 4 т. Т. 2 / Донецкий нац. техн. ун-т [и др.]. - Донецк, 2011. - С. 255-259.

15.0рлов, С. В. Исследование влияния характеристик абразивного инструмента и режимов обработки на силу шлифования Ру / В.А. Носенко, C.B. Орлов, A.A. Крутикова // Научный потенциал XXI века : матер. V междунар. науч. конф. T. I. Естественные и технические науки / ГОУ ВПО Сев.-Кав гос. техн. ун-т, Ком. Ставропольского края по делам молодёжи. - Ставрополь, 2011. - С. 249-251.

16. Орлов, С. В. Исследование влияния характеристик круга и режимов обработки на радиальную составляющую силы шлифования / В.А. Носенко, C.B. Орлов, A.A. Крутикова // Инновационные технологии в обучении и производстве : матер. VII всерос. науч.-практ. конф., г. Камышин, 22-23 дек. 2010 г. В 5 т. Т. 2 / ГОУ ВПО ВолгГТУ, КТИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - С. 41-43. П.Орлов, С. В. Исследование влияния твердости инструмента и режимов обработки на радиальную и тангенциальную составляющие силы шлифования / В.А. Носенко, C.B. Орлов, A.A. Крутикова // Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства : труды III Международной науч.-техн. конф. (Резниковские чтения) / под ред. JI.A. Резникова [и др.]. - Тольятти : ТГУ, 2011. - С. 128 - 134.

18.Орлов, С. В. Влияние наработки, твёрдости круга и режимов на радиальную и тангенциальную составляющие силы шлифования / В.А. Носенко, C.B. Орлов, A.A. Крутикова // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии - Технология - 2011 : сб. науч. тр. XIV междунар. науч.-техн. конф. (г. Орел, 5-7 окт. 2011 г.). / Технологический институт им. H.H. Поликарпова ФГБОУ ВПО « Госуниверситет - УНПК». - Орел, 2011. - С. 56-58.

19. Упругие деформации при закреплении и обработке колец конических роликовых подшипников / Копецкий A.A., Носенко В.А., Тышкевич В.Н., Орлов C.B. // Фундаментальные проблемы техники и технологии "Технология - 2012" : сб. тез. и аннотаций науч. докл. XV междунар. науч.-техн. конф., г. Орёл, 5-8 июня 2012 г. I Технол. ин-т им. H.H. Поликарпова ФГБОУ ВПО "Госуниверситет - УНПК". -М. ; Орёл, 2012.-С. 57-60.

Другие публикации 20.0рлов, С. В. Расчетная схема для определения усилий торцового шлифования подшипниковых колец с систематической изогнутостью / С. В. Орлов // 6-я научно-практическая конференция проф.-препод. состава ВПИ (филиал) ВолгГТУ (г. Волжский, 2007 г.): сб. матер, конф. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2007. - С. 138-140. 21. Орлов, С. В. Экспериментальная зависимость величины допускаемой подачи от прогиба подшипниковых колец с осевой изогнутостью / С. В. Орлов // 7-я научно-практическая конференция проф.-препод. состава ВПИ (филиал) ВолгГТУ (г. Волжский, 2008 г.): сб. матер, конф. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. - С. 72-74. 22.Орлов, С. В. Способ устранения изогнутости торцов подшипниковых колец шлифованием. / В. А. Носенко, С. В. Орлов, В. Н. Тышкевич // Сборник трудов IX Научно-практической конференции проф.-препод. состава ВПИ (филиал) ВолгГТУ: РПК «Политехник» ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - С. 72-73. 23.Орлов, С. В. Определение осевых деформаций при шлифовании подшипниковых колец / В.А. Носенко, В.Н. Тышкевич, В.Б. Светличная, C.B. Орлов // Взаимодействие вузов и промышленных предприятий для эффективного развития инновационной деятельности : [сб. тр.] V межрегион, науч.-практ. конф. (г. Волжский, 24-25 апр. 2009 г. ) / ВПИ (филиал) ВолгГТУ [и др.]. - Волжский, 2010. - С. 100-104.

Подписано в печать й4. 11 2013 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Печ. л. ¿,0. Тираж ¿00 экз. Заказ № 791

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005,г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.