автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение точности и производительности шлифования торцовых сферических поверхностей роликов на основе совершенствования способов установки и методов обработки

На правах рукописи

ПАРФЕНОВ Владимир Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ ТОРЦОВЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ РОЛИКОВ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СПОСОБОВ УСТАНОВКИ И МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ

05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

005554225

Самара - 2014

005554225

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарски» государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент,

Прилуцкий Ванцетти Александрович

Официальные оппоненты: Веткасов Николай Иванович,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Технология машиностроения»

Жук Александр Парфирьевич,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», доцент кафедры «Транспортные машины»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тольятгинский государственный

университет»

Зашита диссертации состоится «24» декабря 2014 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.02 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская 141, корп. №6, ауд. 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: 443100, Россия, г. Самара, ул. Первомайская, д. 18.

Автореферат разослан ЙСПиЯЛрМ 14г.

Ученый секретарь у^/У А/

Диссертационного совета /угг^р^^ Денисенко Александр Федорович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Успешная конкуренция на рынке машиностроительного производства может состояться только с решением проблемы обеспечения высокого качества изделия. Эта проблема еще в большей степени относится к производству подшипников качения. Особенно важным является обеспечение высокой точности вращения, долговечности и малошумности подшипников качения. Все служебные, эксплуатационные свойства подшипников качения обусловлены качеством поверхностного слоя и точностью рабочих поверхностей их колец и тел качения. Однако, мало работ посвящено изучению технологии обработки тел качения роликовых подшипников, конических, в особенности. Ролики конических подшипкиков имеют две рабочие поверхности: коническую образующую и сферический торец. Наименее изучена технология обработки сферической поверхности торца. В то же время, в работающем подшипнике, эта поверхность, имеющая относительно малую протяженность и площадь, передает существенные осевые нагрузки. Слабо изучены вопросы базирования заготовки ролика на операции шлифования сферической поверхности торца и методы ее обработки. Можно предположить, что здесь таятся большие резервы повышения точности и производительности. Таким образом, выбранная тема диссертации является актуальной.

Цель работы. Повышение точности и производительности при шлифовании сферических торцов конических роликов на основе совершенствования способов установки заготовки и методов обработки.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Выполнить анализ известных методов обработки торцовых сферических поверхностей и разработать критерии классификации способов установки при шлифовании сферических торцов роликов.

2. Произвести структурный анализ возможных способов установки и базирования заготовок роликов, схем их реализации и разработать методику выбора рационального способа установки.

3. Выполнить исследование механизма образования погрешностей обработки, вызванных колебаниями шлифовального круга (ШК) и предложить физическую модель формирования волнистости.

4. Провести аналитические и экспериментальные исследования механизма образования погрешности обработки, обусловленной периодическими погрешностями базовой конической поверхности.

5. Выполнить анализ влияния собственных частот элементов технологической системы на периодические погрешности обработки (ППО).

6. Выполнить исследование влияния элементов технологической системы, контактирующих с заготовкой ШК и дисков, режимов обработки, размерных параметров заготовки на ППО сферического торца и выдать обоснованные рекомендации по режимам обработки и величине радиального натяга, обеспечивающим минимальную величину ППО сферического торца.

7. Разработать проект модернизированного шлифовального станка по

предложенному способу шлифования с новым способом базирования заготовки, изготоеить станок с измененными элементами установки, пронести опытно-промышленную проверку в условиях ОАО «СПЗ» разработанного способа установки и выполнить необходимые исследования по выявлению механизма образования ППО, обусловленных новым предложенным способом установки заготовки.

8. Разработать новый способ обработки сферического торца роликов центробежным хонингованием и устройство динамической балансировки комплекта шпинделя широкого ШК.

Научная новизна. 1. Разработана система критериев классификации способов установки и шлифования сферических торцовых поверхностей тел качения и выполнено системное описание процессов установки заготовок роликов, позволившие обоснованно подойти к выбору рационального способа установки и метода обработки, обеспечивающих требуемую точность сферических торцов конических роликов по параметрам овальности, огранки, волнистости.

2. Выявлены закономерности образования ППО сферических торцов конических роликов при сквозном бесцентровом шлифовании периферией ШК, обусловленные колебаниями неуравновешенного ШК.

3. Установлены зависимости, определяющие условие работоспособности системы заготовки и диапазон применимости методов сквозного бесцентрового шлифования в зависимости от способа базирования и динамики процесса обработки.

4. Разработана физическая модель формообразования шлифуемой поверхности сферического торца ролика и выявлен механизм образования ППО, обусловленный наличием ППО базовой конической поверхности при разных способах базирования.

5. Разработана физическая модель процесса снятия припуска при бесцентровом сквозном способе шлифования периферией широкого ШК, определяющая скорость формообразования торца заготовки и границы зоны выхаживания.

6. Установлено влияние погрешностей элементов технологической системы ШК и приводных дисков, контактирующих с заготовкой, собственной частоты элементов системы «заготовка-инструмент-приспособление-станок» (ЗИПС) и режимов обработки на ППО сферического торца.

Практическая ценность и реализация работы:

1. Разработаны новые способы бесцентрового сквозного шлифования сферического торца конических роликов: с базированием в призме, с базированием в коническом отверстии шпинделя изделия, с базированием в переходной конической втулке, позволяющие повысить точность поверхности сферы и производительность процесса обработки.

2. Проведена опытно-промышленная проверка способа шлифования с базированием заготовок в призме и выполнено внедрение нового способа на ОАО «СПЗ» для шлифования сферического торца конических роликов 6-7807у.

3. Разработана методика расчета конструкции шпинделя изделия и выбора

режима шлифования, обеспечивающие допустимую зысоту огранки, волнистости.

4. Предложен новый способ шлифования сферического торна роликов торцом ШК одновременно трех зон подачи и вращения заготовок, обеспечивающий рост производительности процесса обработки в три раза.

5. Разработан новый способ обработки сферы абразивными брусками -центробежным хонингованном, обеспечивающий повышение производительности процесса обработки в два раза за счет сокращения числа операций.

Методы исследования. Теоретические исследования основаны на теории базирования, теории образования ППО, теории колебаний, теории вероятностей и математической статистике. В ходе теоретических и теоретико-экспериментальных исследований процесса формирования ППО (овальности, огранки, волнистости) шлифованной сферической поверхности применялись методы геометрического, кинематического и динамического моделирования, использования дифференциального и интегрального вычисления. Для структурного анализа способов установки заготовок использовался морфологический метод. Для исследования топографии рабочего профиля ШК, рабочих дисков и поверхностей обработанных заготовок применялся метод профилирования; для исследования профиля обработанных поверхностей применялся метод приборного гармонического анализа. На защиту выносятся:

1. Системное описание процесса и выбор рационального способа установки заготовки ролика для операции шлифования сферического торца.

2. Закономерности образования ППО сферического торца роликов при сквозном бесцентровом шлифовании периферией ШК, обусловленные колебаниями неуравновешенного ШК.

3. Методика расчета ППО (овальности, огранки, волнистости) шлифуемой поверхности сферического торца ролика, обусловленных погрешностями базовой конической поверхности при установке заготовки ролика между двумя дисками и сепаратором.

4. Способ шлифования сферического торца ролика периферией широкого ШК с установкой заготовки в призму.

5. Методика расчета ППО (овальности, огранки, волнистости) шлифуемой поверхности сферического торца ролика, обусловленных погрешностями базовой конической поверхности при установке заготовки ролика в призме.

6. Зависимости, определяющие условие работоспособности системы заготовки и диапазон применимости методов сквозного бесцентрового шлифования в зависимости от динамики процесса обработки при установке заготовки ролика: между двумя дисками и сепаратором, в призме.

7. Модель процесса снятия припуска при бесцентровом сквозном способе шлифования периферией широкого ШК, определяющая скорость формообразования сферического торца заготовки и границы зоны выхаживания.

8. Способы шлифования сферических торцов: одновременно трех роликов торцом ШК; периферией широкого ШК с установкой заготовки в коническое

отверстие шпинделя изделия; периферией широкого ШК с установкой заготовки в коническое отверстие переходной конической втулки.

9. Способы: обработки сферического торца ролика одновременно двумя абразивными брусками (способ центробежного хонингосания); динамической балансировки комплекта шпинделя ШК.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- VI Международная научно-техническая конференция «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (г. Брянск, Брянский гос. ун-т, 2008г.);

- Региональный научно-технический семинар «Актуальные проблемы трибологии», (г. Самара, 2008г.);

- Всероссийская научно-техническая конференция «Высокие технологии в машиностроении» (г. Самара, 2013г.):

- VI Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, СНЦ РАН, 2014г.);

- Заседание кафедры «Технология машиностроения» СамГТУ (18.12.2013г.);

- Расширенное заседание кафедры «Технология машиностроения» СамГТУ (11.04.2014г.);

- Заседания технического совета ОАО «Самарский подшипниковый завод».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 9 статей - в других журналах и сборниках трудов конференций, 5 патентов на изобретение и 1 положительное решение о выдаче патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация написана на русском языке, состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, приложения. Объем диссертации составляет 200 страниц, включая 134 рисунка, 18 таблиц. Список литературы содержит 116 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследований, описаны научная новизна, практическая ценность работы.

Первая глава содержит анализ причин образования ППО при шлифовании на основании обзора литературы. К известным ученым, изучавшим эти погрешности, относятся: М.М. Аршанский, Б.М. Базров, Э.С. Бранкевич, Б.М. Бржозовский, Р. Бруммерхоф, В.Г. Гусев, A.M. Дальский, П. Додок, П.Е. Дьяченко, В.Б. Ильицкий, И. Ихиро, Э.Ф. Капанец, А.И. Кондаков, A.B. Королев, В.А. Кудинов, A.M. Кузнецов, Д. Кумабэ, Т.С. Лоповок, П.Н. Орлов, В.А. Прилуцкий, Д.Н. Решетов, В.Н. Ряховский, В.И. Свирщев, А.П. Соколовский, А.Г. Суслов, А.Н. Филимонов, X. Хаберакер, Ж. Штаде, А.О. Этин, П.И. Ящерицын и др.

Непосредственно исследования шлифования сферического торца ролика выполняли А.Н. Авксентьев, А.Ф. Алексеенко, В.К. Белов, В.М. Волынкин, Е.С. Дымшиц, A.B. Еремин, A.B. Зарецкий, A.B. Ковалев, Б.И. Короткое, Б.П.

Кощейков, P.B. Кугель, Г.С. ГТазуткин. Г.Б. Лурье, H.H. Михайлов, Л.Н. Михайлова (Долгкнцева), A.A. Мурашев, Б.И. Мухин, В.А. Николаев, Ю.Г. Проскуряков, В.Г. Рахчеев, Н.Ф. Спицин, Л.И. Шпиц, П.И. Ящерицын и др.

ö работах названных авторов показано существенное преимущество сопряжения сферической формы торца ролика и сферического борта кольца. Установлено, что площадь фактического контакта сферического торца ролика с опорным бортом кольца значительно меньше расчетной. Овальность, огранка и волнистость в несколько раз уменьшают фактическую опорную поверхность контактирующих деталей. Определены причины образования волнистости поверхности при шлифовании. Основными причинами шума и вибрации конических подшипников являются; отклонения поверхностей качения от правильной геометрической формы; расположение точки контакта рабочих поверхностей; разноразмерность роликов в собранном подшипнике; материал и опрессовка сепаратора; загрязненность и забоины на рабочих поверхностях подшипника. Доминирующей причиной является отклонения от правильной геометрической формы поверхностей качения в виде огранки и волнистости. Наиболее изученным является процесс шлифования конической образующей ролика. Вместе с тем, анализу технологии обработки и исследованию периодических погрешностей сферического торца уделялось до настоящего времени мало внимания.

Проведенный анализ литературных источников позволяет сделать следующие выводы:

- ППО сферического торца ролика оказывают существенное влияние на основные эксплуатационные показатели подшипников: грузоподъемность, общий уровень вибрации и шума, момент трения, износостойкость;

- отсутствуют системное описание и методика поиска способов и станков для шлифования сферических поверхностей, обеспечивающих снижение интенсивности ППО;

- практически отсутствуют исследования причин появления ППО на такой специфической поверхности, как сферический торец;

- существующие способы установки и шлифования сферического торца ролика не отвечают современным требованиям, предъявляемым к подшипникам.

Во второй главе обобщены имеющиеся и предложены новые критерии классификации схем установки заготовок роликов (рис.1).

Выполнен анализ известных и поиск новых технологических схем для обработки сферических торцов. За основу анализа принят морфологический метод, учитывающий 3 группы критериев (рис.2): основную технологическую базовую поверхность, определяющую положение заготовки ролика; вспомогательную базовую поверхность; характер проявления (по скрытым или явным базам) и способ базирования (бесцентровый, центровый, комбинированный). Проанализировано 239 способов, учитывающих все возможные технологические схемы, и выявлено 26 неизвестных ранее с разработкой схем реализации.

Разработан алгоритм выбора способа базирования, обеспечивающего требуемую точность. Предложена система описания эволюции технологической системы сферошлифовальных станков, раскрывающая поэтапное изменение

подходов и требований к структуре и точности оборудования для шлифования сферического торца ролика Сформулированы положительные тенденции развития способов шлифования сферического торца.

| _Критерии цстснобки (бпзироЬония и закрепления) роликоб |

Критерии Базирования роликой

Ъ типу оЗрц-5слпь£аемого

По мепоЗу базирсйания

] | Критерии закрепления роликсб | —| Г

По тили йазо&си поберхпиппи

Осю&мав Оала! 5аэи

По комплекту

базс&ых поберхностей

По &иду замыкания

По конгвн-гации погрешностей

По харатеру проявления

По характеру относительного 36ияения

По типу сйязи с установочными элементом:! приспособления

ГЪ стеггет прс^лнния ээпк. сил

X

По типу сил со^Зииишх силоблг. замыкание

Поредок ¡(волнения

По типу силового контура

Рис. 1 Критерии установки заготовок роликов при шлифовании сферического торца

В третьей главе выполнено аналитическое и экспериментальное исследование существующего способа (рис.3) сквозного бесцентрового шлифования периферией ШК сферического торца ролика.

Г/ у А/-зАг I А/ г/

I I

ЦБ 43 44 45 46 47 49

ЦМ 36 37 за 39 40 41

ФБ 29 30 31 32 33 34 35

ФМ 22 23 24 25 26 27 28

ТБ 15 16 17 18 19 20 21

ТМ В 9 10 11 12 13 14

0 1 2 3 4 5 6 7

_к «у/

О ТМ ТВ ФМ ФБ ЦМ ЦБ V

Вспомогательная технологическая база Рис.2. Морфологический ящик способов установки заготовок роликов на операции шлифования сферического торца

Увеличение поля рассеяния НПО базсзой конической поверхности (отклонения от круглости па 15%, волнистости на 8%) и шероховатости на 18% на операции шлифования сферического торца показало неустойчивый характер процесса сферошлифования по существующему методу обработки.

Анализ ППО базовой конической поверхности загетовки ролика показал, что в поперечном направлении наибольшую величину имеют 2, 3, 5, 6, 7-я гармонические составляющие. Следовательно, данные гармоники будут оказывать наибольшее влияние на формирование ППО торца.

Установлено, что амплитуда преобладающей части гармоник поперечного сечения конической поверхности имеет максимальное значение в средней части заготовки. Следовательно, для обеспечения устойчивого положения заготовки ролика в процессе установки, необходимо исключить контакт средней части базовой конической поверхности заготовки с опорной поверхностью дисков.

а б

Рис.3, а - Схемы базирования заготовок роликов, б - схема шлифовании сферического торца по существующему способу с базированием между дисками и сепаратором

Амплитуда гармоник со стороны большого торца (ТБ) больше соответствующих значений со стороны малого торца (ТМ). В силу этого, при анализе влияния базовой конической поверхности на формирование сферического торца, за основу расчета принимают погрешности со стороны ТБ.

В продольном сечении базовая поверхность имеет отклонение формы в виде выпуклости, точечный контакт которой с прямолинейной поверхностью приводных дисков приводит к неустойчивому положению заготовки.

Исследование динамики процесса шлифования позволило установить силовые зависимости в зоне обработки, выявить условия работоспособности системы изделия, а также обосновать диапазон применения существующего способа шлифования:

- Величины сил трения F, и F2, должны быть больше на коэффициент запаса сцепления К 1,25... 1,5 соответствующих окружных сил Ft, и Ft, на дисках, обеспечивающих вращение ролика вокруг своей оси и окружную подачу:

геи- гру 11 jizmelj f<f гру 11 (wck)

\ /(1-4)/ V

где: F; и - силы трения между заготовкой и дисками; F,, и F,2 - окружные силы привода опорных дисков;/ - коэффициент трения между дисками и заготовкой; гт - радиус заготовки в среднем сечении; fCK - коэффициент трения между заготовкой и поверхностью паза сепаратора; а - угол между осью и образующей заготовки.

- коэффициент / оказывает большее влияние на динамику процесса шлифования и распределение усилий, по сравнению с коэффициентом трения^;

- силы реакции N¡, трения Fmp и окружная F, на ведущем диске больше чем на опорном;

- при а< 1 ° реакции на дисках N, и N2 в 21 ...25 раз больше радиальной составляющей силы резания Ру, что вызывает преждевременный выход из строя подшипников в опорах дисков и ограничивает диапазон применения способа шлифования;

- при а>3° окружная сила F, уменьшается до 0,37...0,43^ что приводит к проскальзыванию заготовок по поверхности дисков и неустойчивому положению заготовки.

Аналитически исследован механизм образования волнистости торца заготовки ролика вследствие колебаний неуравновешенного ШК, который связан с особенностями отношения частот ролика и ШК (пр / лШ(1> 1) и наличием одновременно двух зон контакта ШК с заготовкой, обеспечивающих образование удвоенного количества волн.

Исследовано влияние ППО базовой конической поверхности заготовки ролика на точность обрабатываемого сферического торца. Текущий радиус поперечного сечения базовой поверхности заготовки р представляют в виде гармонической функции с разложением в ряд Фурье: р(<р)= Ro+Tm=i h-ncos(n<p \ <pn);

где: R0 - радиус прилегающей окружности, А„ - амплитуда п-й гармоники, <р„ - фаза; 2 член разложения при п=2 - овальность, п=3 - трехвершинная огранка и т.д.

Уравнения траектории движения центра ШК для случая базовой конической поверхности, имеющей преимущественно форму третьей гармоники:

Zx = R0cp - А3 sin 3 <р, X = Rcosa + RKp — — (p. (1)

Уравнения профиля волнистой поверхности обрабатываемого торца описывают огибающую семейства окружностей радиусом RKp при движении центра

R All

ШК согласно (1): ZBl = R0(<p ~Ksin3cp) Н--, кр — ,

XB= Rcosa + /?„„ —- (p--. — , (2)

B Kp 71 —6k cos 3(p ' v '

где: Л - начальный радиус образующего конуса в оскозании ролика; /\кр -радиус 111К, /г, - припуск за один оборот заготовки, ¡с -А//?,,..

Уравнения траектории движения центра ШК (рис.4,а) для базовой поверхности, имеющей преимущественно форму второй гармоники:

гг г. г, . г. 2Агхт2т

= X = ЙС05Й -(-йкр — -^(р —

tga

(3)

Уравнения профиля волнистой поверхности торца (рис.4,б):

2Ш1 = Й0<Р 4

Якр

Л|й02+^ггп51п2?)+1т25т22())

, 2Лг

Где

¡да

Хв = ЙС05Я + йкр - — <р - 1т$т2ф - -7=

Г<

Дкр До

о2+^1т$т2<р+1т2г;1п22<р

(4)

Волнистость торца в случае с преимущественно четным числом волн на базовой поверхности (рис.4), существенно больше волнистости при нечетном числе волн. При Аср >1мкм наступает эффект самоперерезания волн, при котором траектория рабочей поверхности ШК представляет собой петлю (рис.4,б).

Экспериментальные исследования обработки торца партии роликов 6-7807у и последующий гармонический анализ с применением статистических методов (рис.5), показали:

- значениям отклонений от крутости базовой поверхности на 2, 3, 5 и 7-й гармониках соответствуют значения волнистости торца на 4, 6, 10 и 14-й гармониках, что подтверждает аналитические выводы об удвоении числа волн;

Х.т

37Я

07.Я

07.43

Хя. н»

07М6

а б

Рис.4.Графики: а - траектория движения центра ШК за оборот заготовки; б - форма профиля обрабатываемого торца; при Ь1=3мкм; Я=138мм; Ккр=400мм; 1*0=4,847мм; а=2°; Аг=0,1; 0,25;

0,5; 1 мкм

- коэффициенты влияния волнистости образующей Аср на волнистость торца \Уср по гармоникам \Уср/Аср: 3-0,57; 4-1,46; 5-0,39; 6-1,06; 7-0,57; 8-1,14 показывают, что на четных гармониках волнистость торца значительно больше волнистости образующей, что согласуется с аналитическими выводами.

Исследовано влияние диаметра и длины заготовок роликов на величину волнистости и биения обрабатываемого торца. Линейная аппроксимация дает следующие зависимости:

Б - !0,259Ь - 194,65; Г = 7,797 Ь - 147,22:

Б = - 68,45! О*, + 667,95; Г = - 104,96 0„ + 1023,50, где: Б - величина биения торца; Г- огранка торца; Ь - длина ролика; -диаметр ролика со стороны обрабатываемого торца.

Величина биения и огранки торца растут с увеличением высоты ролика и снижаются при увеличении диаметра, что объясняется увеличением припуска и натяга между дисками и заготовкой ролика, обеспечивающими максимальную контактную жесткость стыка.

AJt

mt ms

ОАО 0.S 0.30 Q2S ОЛ1 CS 0Ю

2 4

[ I —1— 1 ! 1

1- — -С ôpi т5в 71Ы Ье чью m ope ц- —■

- i

ь L —t / Яр аз1 i шщая

н- 1

\!Л

I

6 7 в 9 Ю 1/ Л* coaixÈ.nmmi

ц

hкм 0.25

020

as

аю

m

¡2 в ч а

\ / i 1 i ! 1 1 1 i —05ра5аоыйаепыи торец

/ i (

№ ( m TVI inifl ая\

\ X / f !

î i

о . I

f согтИлпщеи

б

Рис.5. Графики зависимости отклонения от круглости образующей и волнистости обрабатываемого торца от номера составляющей гармоники N: а - для средних арифметических значений Аср и Wq,; б - среднеквадратических отклонений а^ и а^

Моделирование систем детали и инструмента с использованием программного комплекса конечно-элементных расчетов Ansys позволило установить, что существенное влияние на волнистость торца оказывают собственные колебания комплекта шпинделя ШК и вала шпинделя изделия. Уменьшению ППО обрабатываемого торца способствует подбор режимов обработки, позволяющий уйти из зоны совпадения частот вращения элементов системы ЗИПС с собственными частотами.

Аналитическое исследование процесса изменения припуска в направлении продольной подачи позволило установить, что скорость изменения припуска уменьшается от входа к выходу из зоны обработки:

е sin(o)ct- arcsin(ez/e)) Vtr -ojcesm(a>ct+aKS\n(ex/e))(l- — . . ), (5)

V Rn~ezsin(<uct+arcsin(ex/e))

где: cùc - скорость круговой подачи; R„ - радиус правки; е, ех, ez - расстояние между центрами круговой подачи и правки и проекции на оси X и Z.

Формирование профиля волнистой поверхности торца целесообразно рассматривать на выходе из зоны обработки, где влияние припуска на волнистость торца минимальное.

В ходе экспериментальных исследований выявлен повышенный износ рабочей поверхности опорного диска по сравнению с поверхностью ведущего

диска, обусловленный неравномерным силовым кагружением дисков и подтверждающим аналитические выводы о соотношении сил при шлифовании.

Уменьшение волнистости опорного диска с 34 до 1мкм приводит к снижению амплитуд всех составляющих гармоник торца. Наибольшее уменьшение волнистости торца наблюдайся в низкочастотной составляющей волнистости (НСВ) на 2...6, 8, 9, 12, 15...17-ой гармониках. Среднеквадратическое отклонение уменьшилость по всем гармоникам, что говорит о существенном повышении стабильности процесса шлифования. Осевое биение торца уменьшилось на 41,7%. Среднеквадратическое отклонение длины заготовок роликов уменьшилось на 45,4%, биения на 62,9%.

Исследован характер образования волнистости торцов роликов, вызванный износом сборного ШК. Правка IIIK вызывает снижение волнистости торца роликов 7515А на 2-й...5-й гармониках на 35...70% с 0,421.„2,477 мкм до 0,126...1,47 мкм. По высоте ШК от входа в зону обработки к выходу износ и волнистость поперечного сечения ШК уменьшаются вследствие уменьшения скорости снимаемого припуска */,„ что согласуется с теоретическими выводами (5). Получение требуемого профиля ШК возможно обеспечить регулированием скорости правки, обеспечив ее минимальное значение на входе.

Правка уменьшает величину низкочастотной составляющей волнистости (НСВ) обработанного торца и увеличивает высокочастотную ВСВ. Период приработки ШК незначительный и наблюдается только к концу межправочного периода. Между правками растут НСВ торца и радиус сферы и уменьшается ВСВ. Признаками критического износа и необходимости правки ШК являются рост НСВ торца и увеличение разброса значений радиуса сферы.

Увеличение скорости круговой подачи приводит к росту амплитуды НСВ торца со 2 по 10-ую гармоники, шероховатости и радиуса сферы.

В четвертой главе разработана методика экспериментальных исследований, позволившая изучить процесс формирования ППО (овальности, огранки, волнистости) сферической поверхности торца в зависимости от геометрических и технологических факторов процесса шлифования. Замер огранки и волнистости сферического торца и образующей по гармоникам производились с помощью кругломеров Talyrond 252 и Talyrond 73. Шероховатость и радиус сферы контролировались на приборах Surtronic 25 и Form Talysurf, соответственно.

Разработан проект модернизации системы ЗИПС сферошлифовального станка по предложенному способу шлифования с базированием заготовки в призме [патент 2351454]. Изготовлена и прошла опытно-промышленную проверку в условиях ОАО «СПЗ» измененная система ЗИПС по предложенному способу установки.

Предложен новый способ нивелирования самого интенсивного источника волнистости и огранки путем динамической балансировки ШК на ходу.

Предложен новый способ базирования заготовок роликов по двойной направляющей базе (наружной конической поверхности) посредством их установки в сквозных конических отверстиях бесцентрово вращающихся дополнительных втулок [патент 2452603]. Это позволяет повысить точность за

счет исключения зависимости радиуса сферы от диаметра и угла образующей ролика. Наружную поверхность дополнительной втулки выполняют сосной сквозному коническому отверстию, с угол наклона образующей наружной поверхности втулки определяют по формуле: Р = аг————

2(г?сф Л Я)

где Д,„ - наибольший диаметр втулки, й„т с1р + 2е; с/р- номинальный диаметр конического ролика; в - толщина стенки дополнительной втулки; ЯСф -номинальный радиус сферы торца ролика; Д - величина коррекции радиуса сферы; а - вылет ролика из дополнительной втулки.

Предложен способ обработки сферы принципиально другим абразивным инструментом (центробежное хонингование): поочередно двумя парами брусков разной характеристики, что позволяет сократить число операций в 2 раза.

Предложен способ базирования заготовок в коническом отверстии втулок, приводимых во вращение посредством дифференциальной конической зубчатой передачи [патент 2460623]. В результате повышается точность сферического торца за счет нивелирования некоторых источников погрешностей.

Предложен способ шлифования торцом круга одновременно 3-х систем подачи роликов, повышающий производительность в 3 раза [патент 2419531].

В пятой главе приведены результаты разработки и исследования нового способа сквозного бесцентрового шлифования торцов с базированием заготовок роликов в призмах (рис.6).

В предлагаемой конструкции этот процесс выполняют посредством трех базирующих элементов (двух - на призме, одного - на опоре), располагаемых на одном общем основании - опорном диске. Уменьшили погрешность базирования за счет сокращения числа подвижных размерных цепей с трех до двух.

а б

Рис.6. Схемы: а - базирования заготовок роликов в призмах; б - обработки при шлифовании сферического торца по предлагаемому способу

Результаты расчета формы и взаимного расположения базирующих и приводных элементов шпинделя изделия новой конструкции приведены на (рис.7,а). С целью обеспечения технологичности изготовления, призмы имеют постоянное сечение по высоте. Угол между конической поверхностью диска для установки призм и плоскостью круговой подачи <р' (рис. 7,6) для этого

14

определяют по формуле: ip'~

tg« ,

\sir

2i2tg«

^sin ЗОд(Од—2L) / '

где: / - 1/2 расстояния между опорами корпуса призмы; а - угол между осью и образующей заготовки; ß - половина угла раскрытия призмы; I,- .длина опорной части ролика; D, - диаметр диска.

¿¿¡•Х' да-О"" г' Щ'ЯГ

Угон ораны, Д гной

б

Рис.7. Схема и график: а - установки заготовки ролика в призму; б - зависимости угла <р' от угла раскрытия призмы (5 при значениях угла заготовки ролика а: 1°; 2°; 3°

Исследование динамики процесса шлифования позволило определить условие устойчивого вращения заготовки в призме:

тт /тр

где: Ртр - сила трения между заготовкой и упругим ведущим диском (УВД); /V сила привода ведущего диска; /тр - коэф. трения качения между заготовкой и УВД; / - коэф. трения между заготовкой и призмой; гт - радиус заготовки в среднем сечении.

Анализ процесса установки заготовки позволил выбрать оптимальную форму рабочей поверхности призм в продольном сечении с плоскими опорными поверхностями и наклонным пазом в средней части опор, обеспечивающую технологичность изготовления и стабильность процесса установки.

В ходе экспериментальных исследований процесса установки выявлено снижение геометрических отклонений базовой поверхности: волнистости на -46,53% и -64,4%; отклонения от круглости Д на -2,6% и -27%; шероховатости Ка на -11,2% и -76,7%, соответственно.

Уменьшение ППО в процессе установки заготовки способствует: устойчивому положению заготовки в призмах за счет увеличения относительной опорной поверхности; уменьшению колебаний заготовки в радиальном направлении при вращении заготовки; уменьшению колебаний величины натяга между заготовкой и УВД; увеличению контактной жесткости поверхности заготовки; созданию положительных сжимающих напряжений в поверхностном слое.

При установке заготовки, имеющей ППО поперечного сечения преимущественно в виде третьей гармоники в призму с плоскими опорами, имеющими угол разведения р=90°, уравнения траектории движения центра ШК:

Zj - Rr,<p — A3 cos 3 <p , X = Rcosa + RKp — — <p . (6)

Уравнения профиля волнистой поверхности торца при движении центра

IIIK согласно (5): ZB1 = R0(<Р — к cos 3<р) +

hi

^кр hi

Хв = /ícosa + - — <р-

где /с = A3/R0.

(7)

27гй0,/1 +бк sí7i 3<р'

RKp (1 +3Ks£n3<p) jl+6KSÍP.3<p

Сравнительный анализ уравнений (1-4, 6, 7) показывает, что:

- в случае преобладания ППО (огранки или волнистости) базовой поверхности с нечетным числом волн, в зависимости от амплитуды, волнистость торца по предлагаемому способу на 5,3%...32% меньше, чем по существующему;

- в случае преобладания ППО базовой поверхности с четным числом волн, волнистость торца по существующему способу значительная, а по предлагаемому способу не образуется.

После шлифования торцов роликов на модернизированном станке БСШ-200БПД коэффициенты влияния волнистости образующей Аср на волнистость торца Wcp по гармоникам Wcp/Acp составили (рис.8): 2-0,84; 3-0,57; 4-1,46; 5-0,3; 6-1,06; 7-0,57; 8-1,14, что подтверждает аналитические прогнозы.

Экспериментальные исследования показали, что новый способ базирования в призме позволяет: уменьшить разброс величины фактического припуска (рис.9) в 2,94 раза; мгновенный разброс радиуса сферы с 10,2мм до 1,1 мм (рис. 10,а); разброс значения радиуса сферы Ясфср с 18,3мм до 2,7 мм (рис. 10,6); разноразмерность заготовок по длине относительно исходной на 26%.

hí,, лот

0.8 0.7 0,6 0,5 OA OJ 0.2 0.1

j

i i

i !

k a Эрозивная

!

jkL [ферм mopeu

' i \ ч J •^llll \ 1 /

i-sr

i т Y F f '

0.070

мхм

amo

0.050

ото

от

2 3 i 5 6 7 8 9 10

! a Ipz уощ 'ОЯ

¿y

Сф Й» IV Г we. ч i

i i í 1 1

Ю 11 12 13 % 15 16 17 18 19 20 21 № актабшщгй

а б

Рис.8. Графики значений гармонических составляющих волнистости обрабатываемого и сферического торца: а - для НСВ со 2 по 10-ю гармоники; б - для ВСВ с 10 по 11 гармоники

Опыты показали незначительное влияние диаметра заготовки и исходного торцевого биения на волнистость обрабатываемого торца, вследствие высокоэластических и демпфирующих свойств материала УВД. Демпфирующие свой-

ства способствуют снижению влияния знакопеременных нагрузок, вызванных вибрацией. Высокоэластические свойства позволяют компенсировать ППО и разноразмерность по диаметру и углу базовой поверхности. Увеличение радиального натяга и частоты вращения УВД приводит к увеличению фактического припуска вследствие роста динамического модуля упругости с увеличением скорости деформации материала УВД.

Л" детали

Рис.9. Графики изменения фактического припуска / при шлифовании торцов роликов 7807У: 1 - по предлагаемому способу в призмах; 2 - по известному способу базирования в дисках

Правка вызывает увеличение амплитуды волнистости по всему спектру гармоник. В процессе работы после правки гармоники уменьшаются по всему спектру. К окончанию межправочного периода НСВ возрастает на 2...4 гармониках. Амплитуды остальных гармоник продолжают уменьшаться либо остаются на постоянном уровне. При увеличении подачи на 20% уровень волнистости остался неизменным.

а б

Рис. 10. Графики: а - радиуса сферы ДК (в трех сечениях), б - среднее значение радиуса сферы Лсф ср, заготовки ролика 7807У после шлифования торцов

Подтверждено обеспечение требуемого уровня волнистости торца с сохранением всех требований по качеству (радиус сферы, шероховатость) при увеличении скорости круговой подачи на 42% при одновременном увеличении частоты вращения заготовки на 43%, позволяющее существенно повысить производительность процесса обработки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе анализа известных методов обработки сферических торцовых поверхностей предложены критерии классификации способов установки, с

17

помощью морфологического метода выполнен структурный анализ возможных способов установки заготовок роликов и схем их реализации, найдены 26 новых способов установки и схем обработки, разработана методика выбора рационального способа установки.

2. Разработана физическая модель формировании и исследован механизм образования ППО (волнистости и огранки), обусловленные колебаниями неуравновешенного ШК. Выявлена уникальность шлифования методом напроход, заключающаяся в том, что первая гармоника ППО образуется лишь на втором обороте заготовки, вследствие отношения частот вращения заготовки и ШК Пр/ПетИ, и наличия двух одновременно работающих зон шлифования, что приводит к удвоению количества волн по сравнению с классическим круглым шлифованием в центрах.

3. Выявлены диапазоны применимости и условия работоспособности системы изделия для разных способов шлифования. Существующий способ шлифования с базированием между торцами двух дисков и пазом сепаратора имеет ограниченный диапазон применения, связанный со значительными разжимающими усилиями на дисках, в 20...25 раз превышающими радиальную составляющую силы резания Ру при а<1° и уменьшением окружной силы Р, до 0,37...0,43^ при а>3°, что способствует неустойчивости и проскальзыванию заготовки. Предложенный способ с базированием в призмах лишен ограничений по минимальному углу а, обеспечивает устойчивость положения заготовки, что подтверждено экспериментально при шлифовании заготовки ролика 6-7807у.

4. Выполнены аналитические и экспериментальные исследования механизма образования ППО сферического торца, обусловленных погрешностями базовой конической поверхности. При преобладании нечетной составляющей (огранки или волнистости) на базовом конусе, высота аналогичных погрешностей на торце уменьшается на 5,3%...32% при шлифовании с базированием заготовки в призме. При четной составляющей базовой конической поверхности в первом случае на торце образуется аналогичная составляющая значительной высоты, а во втором случае базирования она не возникает.

5. Выполнен анализ влияния собственных частот элементов технологической системы на ППО сферического торца с использованием программного комплекса конечно-элементных расчетов Апэуз. Наибольшее влияние оказывают собственные колебания комплекта шпинделя ШК и вала шпинделя изделия.

6. Проведенные экспериментальные исследования показали, что новый способ обработки по сравнению с известным позволяет: уменьшить разброс припуска в 2,94 раза; снизить мгновенный разброс радиуса сферы с 10,2мм до 1,1 мм; уменьшить колебание значений радиуса сферы с 18,3мм до 2,7 мм. Установлена возможность повышения производительности шлифования за счет увеличения скорости круговой подачи при одновременном увеличении частоты вращения заготовки. Внедрение в производство позволит получить только на одном типе роликов 6-7807у годовой экономический эффект свыше 98 тыс. руб.

7. Выданы обоснованные рекомендации по режимам обработки к величине радиального натяга, обеспечивающим минимальную величину ППО сферического торца. Установлена возможность многопроходной обработки при неизменной настройке станка, обусловленная минимальным уменьшением радиального натяга при снятии припуска и уменьшением разноразмерное™ заготовок по длине на 20...30%.

8. Разработан проект модернизации технологической системы сферошлифовального станка согласно предложенному способу шлифования с базированием заготовки в призме. Технологическая система изготовлена, прошла опытно-промышленную проверку в условиях ОАО «СПЗ».

9. Разработанный новый способ обработки сферы точеных роликов центробежным хонингованном позволяет уменьшить число операций вдвое. Годовой экономический эффект от внедрения свыше 840 тыс. руб.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Парфенов В.А. Структурный аначиз технологических баз при шлифовании сферических торцов роликов / Известия Самарского научного центра РАН. - 2013. -Том 15. - №6(2). - С. 443-447.

2. Парфенов В.А., I (рилуцкий В.А. Морфологический анализ схем базирования и способов обработки роликов при шлифовании сферического торца [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2014, №1. - Режим доступа: http://ivdon.Tu/raagazirie'archive/nly2014/2258 (доступ свободный) - Загл. с экрана - Яз. рус.

3. Парфенов В.А. Исследование влияния погрешностей базовой конической поверхности при шлифовании сферических торцов роликов / Известия Самарского научного центра РАН. - 2014. - Том 16. - №1(2). - С. 495-502.

Патенты на изобретение

4. Пат. 2351454 РФ, MI1K В24В 11/00. Способ шлифования сферических торцов конических роликов / Прилуцкий В.А., Парфенов В.А., Бурик A.B.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Самарский гос. техн. ун-т. - .№ 2007107293, заявл. 26.02.2007; опубл. 10.04.2009. - Бюл. №10.-12с.

5. Пат. 2419531 РФ, МПК В24В 11/00. Способ шлифования сферических торцов конических роликов / Прилуцкий В.А., Парфенов В.А., Кравцов A.A.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Самаре, гос. техн. ун-т. - № 2009100252, заявл. 11.01.2009; опубл. 27.05.2011. - Бюл. №15.- 11с.

6. Пат. 2460623 РФ, МПК В24В 11/00. Способ шлифования сферических торцов конических роликов / Прилуцкий В.А., Парфенов В.А., Дегтярев С.Ю.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Самарский гос. техн. ун-т. - № 2010142599, заявл. 18.10.2010: опубл. 10.09.2012.- Бюл. №25.-7с.

7. Пат. 2452603 РФ, МПК В24В 11/00. Способ шлифования сферических торцов на конических роликах / Прилуцкий В.А., Парфенов В.А; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Самарский гос. техн. ун-т. - № 2010108560, заявл. 09.03.2010г.; опубл. 10.06.2012г. - Бюл. №16.-12с.

8. Пат. 2497649 РФ, МПК В24В 11/00. Способ обработки поверхностей вращения и инструмент для «го осуществления/ Прилуцкий В.А., Парфенов В.А., Арапов О.Ю.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Самарский гос. техн. ун-т. -

№ 20? Ш0997, заявл. 23.03.201i г. опубл. 27.09.2012г. - Бюл-Ns 31- 9с.

9. Положительное решение от 19.02.2014г. о выдаче патента по заякке № 2012125808 от 20.06.2012г. Способ шлифования сферических торцоз конических роликов / Прилуцкий В.Л., Парфенов В.А., Лрапоз О.Ю.

Публикации е других изданиях

10. Прилуцкий В.А., Парфенов В.А. Обеспечение требуемой точности сферы конических роликов при шлифовании новым способом / Сб. трудов 6-й Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» - Брянск: БГУ, 2008. - с.230.

11. Прилуцкий В.А., Парфенов В.А., Бурик A.B. Исследование влияния размерных параметров ионических роликов на периодические погрешности сферического торца при их сферошлифовании - Самара, СамГТУ, 2010. Деп. в ВИНИТИ 29.09.2010г., № 553-В2010. -22с.

12. Прилуцкий В.А., Парфенов В.А., Кравцов A.A. Исследование частотных связей периодических погрешностей обработки и свойств системы ЗИПС сферошлифовального станка - Самара, СамГТУ, 2010. Деп. в ВИНИТИ 29.09.2010г., jVs 554-В2010. - 25с.

13. Парфенов В.А. Анализ способов установки конических роликов при шлифовании сферического торца — Самара, СамГТУ, 2010. Деп. в ВИНИТИ 23.05.2013г., № 143-В2013. -70с.

14. Прилуцкий В.А., Парфенов В.А. Способ шлифования сферических торцов конических роликов / Информационно-технический журнал «Изобретатели-машиностроению» - М.: 2011 г. № 11 (86) -с.26-27.

15. Прилуцкий В.А., Парфенов В.А. Способ шлифования сферических торцов на конических роликах / Информационно-технический журнал «Изобретатели-машиносгроенню» - М: 2013 г. № 8 (107) -с.22.

!6. Парфенов В.А. Способ шлифования сферических торцов конических роликов и устройство для его осуществления/ Информационно-технический журнал «Изобретатели-машиностроению» - М.: 2013 г. № И (110) -с.2.

17. Прилуцкий В.А., Парфенов В.А. Обеспечение надежности конических подшипников повышением точности шлифования сферы роликов Сб.: «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности»: Актуальные проблемы трибологии: Сб. тр. регионального науч.-технич. семинара - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. - с.30.

18. Парфенов В.А. Классификация способов установки роликов при шлифовании сферического торца // Всероссийская научно-техническая интернет-конференция с международным участием «Высокие технологии в машиностроении». — Самара: Самарский гос. техн. ун-т, 2013. - с.50-53.

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.02 Протокол № 70 от 15.10.2014 г.

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 859 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» Отпечатано в типографии СамГТУ. 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, корпус 8.

1