автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Расширение технологических возможностей метода точной холодной раскатки колец упорных подшипников

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи АСЛИБЕКОВ Виталий Аркадьевич

РАСШИРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДА ТОЧНОЙ ХОЛОДНОЙ

РАСКАТКИ КОЛЕЦ УПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ

05.02.08. - Технология машиностроения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, член корреспондент Российской инженерной академии, профессор Королев А.В.

Научный консультант -доктор технических наук, доцент Бочкарёв П.Ю.

Саратов - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ТОРЦОВОЙ РАСКАТКИ..............................................................................8

1.1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН..........................................8

1.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОРЦОВОЙ РАСКАТКИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ РАЗЛИЧНЫХ ЗАГОТОВОК.................................................................18

1.3. ПОДХОДЫ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССА ТОРЦОВОЙ РАСКАТКИ......25

1.4. ЦЕЛЬ И ЗАДА ЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................................31

ГЛАВА 2. МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА ТОРЦОВОЙ РАСКАТКИ ДЕТАЛЕЙ ТИПА КОЛЕЦ УПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ..................................................32

2.1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ, ПРИНЯТЫЕ ДОПУЩЕНИЯ...................... 32

2.2. МЕХАНИЗМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗАГОТОВКИ С МАТРИЦЕЙ........................................................................................................................40

2.3. МЕХАНИЗМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗАГОТОВКИ С ПУАНСОНОМ........................................................................................................................ 51

2.4. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТОРЦОВОЙ РА СКА ТКИ.............................................................................................60

ВЫВОДЫ.........................................................................................................67

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕ ДОВАНИЙ.............................................................................................................68

3.1. ОБЪЕКТЫ, СРЕДСТВА И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................................................68

3.2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ...................................................................................................................75

3.3. МЕТОДИКА ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.................................................82

ВЫВОДЫ.........................................................................................................91

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................................................................................................................92

4.1. ПРОВЕДЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО РАСКАТКЕ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ............................................................92

4.2. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ НА ГЕОМЕТРИЧЕСКУЮ ТОЧНОСТЬ И КАЧЕСТВО ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ..................98

4.3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МИКРОСТРУКТУРЫ КОЛЕЦ ИЗГОТОВЛЕННЫХ ТРАДИЦИОННЫМ МЕТОДОМ И МЕТОДОМ РАСКАТКИ..................................................................................................................106

4.4. ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ ПРИ РАСКА ТКЕ...................................................................110

4.4.1. ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОГЕОМЕТРИИ РА СКА ТАЙНЫХ КОЛЕЦ 110

4.4.2. ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОДШИПНИКОВ С ПАРАМЕТРАМИ КОЛЕЦ, ПОЛУЧЕННЫМИ ПРИ РАСКАТКЕ..........................................................115

ВЫВОДЫ.......................................................................................................119

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ................................121

5.1. ПРЕДЛАГАЕМОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАСКАТКИ ДОРОЖЕК КАЧЕНИЯ КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ.................121

5.2. ОБЛАСТЬ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕДЛОЖЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ....................................................................................................125

5.3. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬ ТА TOB ИССЛЕДОВАНИЙ...................................129

ВЫВОДЫ.......................................................................................................136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................137

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................139

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................157

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современного машиностроения характеризуется созданием конструкций и узлов машин, предназначенных для работы в различных условиях эксплуатации. Эти задачи решаются в соответствии с требованиями экономического и социального развития, предусматривающими сосредоточение усилий на повышении качества, надежности, экономичности и производительности оборудования, снижение материалоёмкости и энергопотребления. Большое значение имеет изыскание новых методов, позволяющих обеспечить высокую производительность, требуемую точность и качество обработанных поверхностей. В этом плане теоретические разработки, новые идеи, а так же повышение возможностей известных методов имеют особое значение.

Требования повышения качества, надежности и долговечности работы деталей в машине и машины в целом, в значительной степени определяются физико-механическими и геометрическими характеристиками металлов и поверхностей обрабатываемых деталей. Именно качество рабочих поверхностей практически во всех случаях предопределяет важнейшие эксплуатационные свойства деталей - прирабатываемость, износостойкость, сопротивление схватыванию и др. Более 80% деталей машин и приборов выходят из строя по причине износа и потери эксплуатационных качеств. Отсюда вытекает необходимость улучшения физико-механических характеристик металла и геометрических параметров рабочих поверхностей деталей. Кроме того, при применении прогрессивных технологических процессов следует стремиться к повышению производительности обработки и экономии металлов.

Решению указанных задач способствуют исследования, разработка и внедрение процессов, основанных на пластической деформации (ПД) металлов. Формообразующая ПД позволяет получать заготовки для деталей, а в ряде слу-

чаев и готовые детали, которые могут обладать повышенными эксплуатационными характеристиками.

Технико-экономическая эффективность процессов обработки, основанных на ПД металла, обеспечивается за счет:

1) повышения производительности и снижения трудоёмкости производства заготовок и высокоточной обработки деталей, так как при этом могут исключаться доводка, хонингование, термообработка и другие низкопроизводительные процессы;

2) экономии металла в результате приближения конфигурации заготовки к форме деталей и обработки поверхностей деталей без снятия стружки;

3) снижения себестоимости заготовок и деталей машин и приборов;

4) улучшения качества и эксплуатационных свойств деталей (износостойкость, прочность, сопротивление ползучести и др.) и узлов;

5) уменьшения затрат на эксплуатацию машин и приборов в результате улучшения качества и эксплуатационных свойств деталей.

Примеры успешного использования ПД при обработке поверхностей и улучшения за счет этого эксплуатационных свойств свидетельствуют о широких возможностях этих процессов.

Однако, в виду недостаточной изученности применительно к подшипниковому производству, применение ПД в подшипниковой промышленности ограничивается, в основном, получением исходных заготовок в горячем состоянии. Но это влечёт за собой повышение расхода металла и повышении трудоёмкости изготовления подшипников. Методы холодной пластической деформации при изготовлении деталей подшипников используются слабо, поэтому исследование новых эффективных процессов точной холодной обработки деталей подшипников давлением, а также расширение технологических возможностей известных методов, основанных на пластическом деформировании, является актуальной задачей.

В связи с вышеизложенным можно сформулировать следующие основные положения диссертации, выносимые на защиту:

•Математическая модель процесса раскатки, отражающая механизм влияния основных технологических факторов на эффективность обработки;

• Результаты исследования влияния условий раскатки на основные показатели процесса;

• Технологический процесс раскатки обкатыванием, практические рекомендации по его применению в производстве;

• Конструкция основных узлов и механизмов специализированной установки для раскатки обкатыванием дорожек качения колец подшипников.

Благодаря результатам исследований работы разработан технологический процесс изготовления тугих колец шарикоподшипников 108804, который внедрён на ведущем предприятии - НЛП НИМ и в ООО "Станкоподшипник", а также установка для изготовления колец упорных подшипников методом раскатки. Акты о внедрении см. в приложении №11. Экономический эффект от внедрения равен 6300 у.е. Срок окупаемости 1,5 года.

Автор выражает глубокую искреннюю благодарность научному руководителю, профессору Королёву A.B., а также зав. лабораторией Саратовского НЛП НИМ, к.т.н., Болкунову В.В., за большую помощь при выполнении этой работы.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ РАСКАТКИ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ РАБО ЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

В подшипниковой промышленности почти все кольца упорных подшипников характеризуются большим значением отношения размеров колец (в плане) к их высоте, что затрудняет получение их традиционной штамповкой. В связи с этим велик объём механической обработки при их изготовлении. Относительное количество таких колец довольно велико и возрастает; их изготовление требует большого расхода материальных и сырьевых ресурсов, а также дорогостоящего оборудования.

Действующие технологические процессы изготовления колец упорных подшипников предусматривают для получения дорожек качения на кольце токарные операции и несколько уступающие им по производительности операции шлифования и суперфиниширования. Операции шлифования дорожек качения колец подшипников вызваны необходимостью получения правильной их геометрии, удаления дефектного слоя, рисок, улучшения шероховатости после токарной обработки и термообработки. При термообработке и врезном точении дорожек из-за больших усилий и высоких температур в зоне резания происходит коробление заготовок, что приводит к нежелательным последствиям.

Кроме того недостатки обработки резанием общеизвестны - это повышенный расход материала, дорогостоящее оборудование, загрязнение окружающей среды и т.п.

В качестве альтернативных способам обработки резанием известны способы обработки металлов давлением. Большинство традиционных способов об-

работки давлением (ОМД) направлено на обработку металлов, находящихся в горячем или полугорячем (пластическом) состоянии, поэтому имеют место затраты на нагрев, на нагревательное оборудование и т. п., кроме того, необходимо учитывать такие недостатки как тяжелые условия труда, экологические проблемы, безвозвратные отходы. Необходимо заметить также, что наиболее эффективными из ОМД являются методы объёмной обработки (штамповки, например), основанные на локальном приложении деформирующей нагрузки. Их суть в том, что формоизменение производится только над частью заготовки и при повторении и перемещении охватывает весь объем [21, 33, 74, 76, 120]. При локальном нагружении пластическое состояние металла в зоне деформации достигается при значительно меньшем значении усилия. Это даёт возможность осуществлять процесс на оборудовании меньшей мощности и перейти на обработку в холодном состоянии.

Подсчитано [24, 135, 152], что общие затраты при горячей штамповке в 1,5...2,5 раза превышают затраты по сравнению с полугорячей и в 2...3 раза по сравнению с холодной штамповкой. При горячей штамповке отходы металла составляют 20%, при полугорячей - 6% [188]. Установлено, так же, что при изготовлении деталей такими способами как полугорячей, горячей штамповкой, механической обработкой (резанием) или холодной объёмной штамповкой, полезное использованием металла (коэффициент использования металла КИМ) составляет 80%; 75...80%; 40...50%; 85-90% соответственно [141, 142]. Изготовление деталей холодной объёмной штамповкой позволяет уменьшить последующую механическую обработку до минимума и получать детали практически с готовыми рабочими поверхностями.

В зависимости от характера течения металла процессы изготовления заготовок холодной объемной штамповкой можно представить состоящими из ряда технологических операций (рис. 1.1) [23], последовательное или одновременное

применение которых позволяет осуществить заданное формоизменение заготовки при изготовлении детали.

Рис. 1.1. Классификация технологических операций холодной объёмной обработки давлением

Одним из наиболее употребляемых к изготовлению колец упорных подшипников методов холодной объёмной штамповки является метод прецизионной штамповки (чистовой вырубки) на прессах тройного действия. Детали после чистовой вырубки имеют высокую точность и не требуют в ряде случаев дальнейших механических операций. Первые такие образцы получены ещё в 30-е годы швейцарским учёным Шисом, однако лишь в 60-е годы этот метод начал применяться в подшипниковой промышленности.

Прецизионная штамповка была применена впервые в 1969 году на ГПЗ-2 для изготовления заготовок колец упорных подшипников. Опыт производства колец подшипников методом чистовой вырубки взамен токарной обработки показал, что производительность труда при этом возрастала в 2-2,5 раза, по точности изготовления методом прецизионной штамповки заготовки не уступают шлифованию. Детали штамповались из листовой или полосовой стали, и ввиду благоприятного расположения волокон металла долговечность подшипников увеличивалась.

В настоящее время прецизионная штамповка на прессах тройного действия применяется в подшипниковой промышленности при чистовой вырубке заготовок колец из полосовой стали без дополнительной механической обработки по наружному диаметру с получением фасок и желоба обычным методом точения или чистовой вырубки с последующей формовкой в окончательный профиль.

Однако, этот метод не нашёл должного применения в связи с большим объёмом остающейся механической обработки, приходящейся на точение желобов, с их последующей полной абразивной доводкой и обработкой фасок.

Такие методы холодной обработки давлением как изгиб и осадка, применительно к изготовлению колец упорных подшипников, должного применения не нашли, чего нельзя сказать о выдавливании и раскатке.

Так, кольца упорных подшипников возможно изготавливать способами выдавливания, в том числе, ротационного. Особенностью большинства существующих способов ротационного выдавливания является схема нагружения, создаваемая деформирующими элементами (шарики, ролики) рабочего инструмента в процессе обкатывания ими поверхности заготовки, благодаря чему пластическая деформация сосредоточена в небольшом объёме (очаге пластической деформации). По мере обкатывания поверхности заготовки очаг пластической деформации перемещается и таким образом происходит деформирование всей заготовки.

Для него (выдавливания) характерны сравнительно небольшие деформирующие силы при высоких контактных давлениях и, в общем, высокое качество обрабатываемых поверхностей (шероховатость 11а = 0,32...0,63мкм), однако из-за малых размеров деформирующих элементов рабочего инструмента пластическая деформация происходит крайне неравномерно в тонком поверхностном слое заготовки.

Общим для ротационного выдавливания и раскатки является способ раскатки обкатыванием. Она также относится к способам обработки давлением с перемещающимся очагом деформации. Однако она лишена указанного выше недостатка. Её можно применять для изготовления деталей из сортового проката. Раскатка широко и с большим успехом может применяться в подшипниковой промышленности. В настоящее время разработаны и освоены технологические процессы раскатки деталей типа различного рода колец из конструкционных сталей довольно сложной формы [23, 24].

Применение этих процессов на заводах транспортного машиностроения обеспечивает экономию металла (до 40%) и уменьшение трудоемкости (более чем в 2 раза). Точность размеров и шероховатость поверхности удовлетворяют техническим условиям без последующей механической обработки резанием [23, 34]. Эти процессы экономичны даже в мелкосерийном производстве и при дальнейшем усовершенствовании они пригодны для использования в гибких производственных системах [131].

Все вышеописанные способы изготовления в условиях локализованного очага деформации делают возможной обработку изделий типа тел вращения [52, 54, 122, 146].

Раскатка - технологическая операция, в процессе которой поэтапное формирование заготовки осуществляют вращающиеся и одновременно сближающиеся валки (рис. 1.2).

а) б)

Рис. 1.2. Обработка раскаткой: а - радиальная, б - торцовая. 1 -раскатные валки; 2 -заготовка; 3 -ограничительная обойма

Раскатка может быть радиальной (рис. 1.2, а) и торцовой (рис. 1.2, б). Её (раскатку) применяют в основном для изготовления ра