автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка и исследование технологического процесса сборки подшипников высших классов точности с защитными шайбами с использованием сварки лазерным излучением

РГй У»

\ О

САМАРСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В.В.Куйбышева

На правах рукописи

ГУСЕВ Александр Алексеевич

УДК 621.721.72:621.794.72:621.822.72

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СБОРКИ ПОДДИПНИКОВ ВЫСШИХ КЛАССОВ ТОЧНОСТИ С ЗАЩИТНЫМИ ШАЙБАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВАРКИ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Специальность 05.02.08. - технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 1993

Работа выполнена на кафедре "Материаловедение в машиностроении" Самарского Государственного технического Университета им. В.В.Куйбьглева и в Самарском филиале Физического института ии. П.Н.Лебедева Российской Академии Каук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

лауреат Ленинской премии, доктор технических наук, профессор МАТВЕЕВ .ЮРИЛ МИХАЙЛОВИЧ

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, старсий научный сотрудник ШЖСВ СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ИЗРУБАЙ М.С.

кандидат технических наук ЛИВШИЦ Б.А.

Ведущая организация: ГПЗ-31

Завита состоится " У 1993 г. в час, А^мин.

/

на заседании специализированного совета Д 063.16.02

при Самарском Государственном техническом Университете имени

3.В.Куйбышева по адресу:

443010, г. Самара, ул. Галактионовская, 141, ауд. £3

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке Самарского Государственного технического Университета (ул. Первомайская,1Ь)

Автореферат разослан " 30" 1993 г.

Ученый секретарь специализированного^ совета, доктор технических наук

/'я.М. КЛЕБАНОВ

ОЕЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность темы. Потребность совершенствования техники, обусловленная научно-техническим прогрессом, в значительной степени удовлетворяется развити&м точного машиностроения, приборостроения, производящих средства измерения, анализа, контроля, обработки и представления инфорыации, автоматические и автоматизированные устройства. В свою очередь, специфические требования, предъявляемые к применяемым в этих устройствах подшипникам, позволили выделить их в отдельную группу - приборные подшипники. Это шариковые подшипники качения, преимущественно малогабаритные с посадочным диаметром наруиного кольца до 50 ми. Для повышения долговечности подшипников при одноразовой закладао смазки необходимо защитить их рабочую зону от попадания загрязнений извне и исключить разбрызгивание смазки из внутренней полости. Это обеспечивается установкой на наруаное кольцо защитных шайб. Традиционные способы сборки подшипников с защитными шайбами не обеспечивают необходимого уровня точности по параметру отклонения от круглости нарунной цилиндрической поверхности и по герметичности сборки подшипников высших классов точности (2 и 4). В связи с этим, актуальным для подшипниковой протяленности является задача разработки альтернативных способов сборки, пригодных для массового производства подпплнихов еысших классов точности и позволяющих решить данные проблем.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы являлось:

1) Улучшение качества (точность, герметичность сборки и др.) и уменьшение процента брака по параметру отклонения от круглости наружной цилиндрической поверхности подшипников, упрощение конструкции приборных подшипников высших классов точности за счет использования на операции крепления защитных шайб точечной сварки импульсным лазерным излучением;

2) Обоснование целесообразности применения нового способа крепления защитных шайб в условиях массового производства подшипников высших классов точности.

Для достижения указанной цели было необходимо решить следующие основные задачи:

- исследовать факторы, влияющие на деформацию наружного кольца подшипника в результате приварки к нему защитных шайб импульсным лазерным излучением, предлоненной в качестве нового способа крепления защитных шайб;

-'установить закономерное?® сияния количества и расположения точек сварки по периметру защитной шайбы на изменение геометрии наружного кольца подшипника;

- установить основные закономерности разрушения точечных сварных срединений защитной шайбы с наружным кольцом подшипника при статическом и динамическом нагрукении;

- исследовать возможность и разработать основные методы сварки лазерным излучением сталей с различным химическим составом путем легирования ванны расплава сварного соединения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Впервые установлены закономерности влияния металлургических и тепловых факторов на степень деформации наружного кольца подшипника с защитными шайбами, закрепленными лазерной сваркой, предложенной в качестве нового способа крепления защитных шайб подшипников высших классов точности, на геометрические и эксплуатационные параметры подшипников;

- Впервые установлены закономерности влияния количества и расположения точек сварки по периметру защитной шайбы на изменение геометрии наружного кольца подшипника;

- Установлены основные закономерности разрушения точечных сварных соединений защитной шайбы с наружным кольцом подшипника при статическом и динамическом нагрукении;

- Разработаны основные методы сварки лазерным излучением сталей с различным химическим составом путем легирования ванны расплава сварного соединения.

Практическая значимость работы.

1. Предложен новый способ крепления защитных шайб подшипников точечной сваркой импульсным лазерным излучением.

2. Разработана конструкция подшипника с защитными шайбами закрепленными точечной сваркой импульсным лазерным излучением.

3. На основе проведенных исследований разработан технологический процесс сборки подшипников с использованием на операции крепления защитных шайб точечной сварки импульсным лазерным излучением. Предложенные конструкция подшипника, способ крепления защитных шайб и разработанный технологический процесс сборки внедрен в массовое производство приборных подшипников на ПО ГПЗ-4.

4. Разработанный технологический процесс сборки подшипников высших классов точности с использованием на операции крепления защитных шайб точечной сварки импульсным лазерным излучением позволяет:

- уменьшить процент брака за счет снижения среднего уровня деформации наружного кольца подшипников приборной группы, классов точности 2 и 4;

- упростить конструкцию подшипника с защитными шайбаыи;

- повысить уровень статической и динамической прочности крепления защитных шайб;

- улучшить качество подшипников по параметру герметичности сборки;

- снизить расход режущего инструмента;

- значительно снизить трудоемкость и повысить производительность сборки подшипников;

- автоматизировать процесс крепления запитных шайб подшипников.

На защиту выносятся:

- Установленные закономерности влияния металлургических и тепловых факторов на степень деформации наружного кольца подшипника в результате приварки к нему защитных шайб импульсным лазерным излучением.

- Установленные закономерности влияния количества и расположения точек сварки по периметру защитной шайбы на изменение геометрии наружного кольца подшипника.

- Установленные основные закономерности разрушения точечных сварных соединений защитной шайбы с наружным кольцом подшипника при статическом и динамическом нагруяении.

- Разработанные основные методы сварки лазерные излучением низкоуглеродистой стали 08кп с высокоуглеродистой сталью 111X15 путем легирования ванны расплава никелем.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на I Поволжской Региональной конференции "Практическое применение и перспективы развития лазерной техники" (г.Ульяновск, Россия, 1987), I Международной школе "¿аяеле «

(г. Саяногорск, Россия, 1989), I Международной конференции АЛуапсея /п \л/е£с//л? опс/ Лрр^/еЛ Рвосехзея" (г. Пекин,Китай, 1991), 2 Международной конференции " 6а?ея Ас!усмсе>с1 /Па^ея/акЗ Рхосеях/гх}" (Г. Нагаока, Япония, 1992).

Разработанный технологический процесс сборки подшипников приборной группы с использованием на операции крепления защитных шайб точечной сварки импульсным лазерным излучением внедрен на предприятиях ПО ГПЗ-4.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 2 - тезисы докладов, 2 - авторских свидетельства на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, заключения и приложения. Общий объем диссертации 179 страниц, на 47 из которых размещено 55 рисунков, на 8 страницах список литературы из 86 наименований, на 5 страницах 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определена цель работы. Сформулированы задачи исследований, научная новизна, практическая значимость работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе даны основные сведения об объекте исследований - подшипниках с защитными шайбами приборной группы, высших классов точности. Проведён анализ работ, посвященных особенностям конструкции и технологического процесса сборки подшипников с защитными шайбами. Рассмотрены основные способы крепления защитных шайб подшипников. Показано, что причиной брака по параметру отклонения от круглости наружной цилиндрической поверхности (и.) и герметичности сборки подшипников является использование на конечной технологической операции сборки механических способов крепления защитных шайб, приводящих к увеличению деформации наружного кольца подшипника. Проанализирована принципиальная возможность использования на операции крепления защитных шайб сварки лазерным излучением. Показано, что основные преимущества лазерной сварки (короткие времена воздействия, высокая локальность, высокая плотность энергии) позволяют получать неразъемные соединения с уровнем деформации деталей значительно меньшим, чем при механических способах крепления. Проведен также анализ имеющегося в стране парка импульсного технологического лазерного оборудования, рассмотрены используемые в технологических процессах лазерной сварки системы целения, трансформирования и фокусировки излучения. Отмечено, что использование специальных оптических систем, позволяет значительно увеличить производительность сварки лазерным излучением. Здесь также проведен обзор работ, посвященных исследованию структуры и свойств сварных соединений сталей с различным химическим составом, полученных лазерной сваркой. Показано, что использование лазерного излучения позволяет получать высокопрочные сварные соединения разнородных сталей.

Результаты анализа литературных данных в целом использованы при постановке конкретных задач исследования.

Во второй главе приведено описание методик, установок и аппаратуры, способов подготовки исследуемых образцов и используемых приспособлений. Для экспериментальных исследований технологического процесса точечной сварки защитных шайб с наружным кольцом подшипника импульсным лазерным излучением использовались серийные лазерные технологические установки "Квант-12" и "Квант-15".

В настоящей работе измерялись: степень деформации наружного кольца подшипника (изменение геометрии) в результате приварки к нему защитных шайб; проводился металлографический и рентгено-структурный анализ тела сварных соединений; исследовались статическая и усталостная прочность сварных соединений. Измерение геометрии наружного кольца подшипника проводилось на приборе "Телеронд" (Англия) с погрешностью измерений ±0,01 мкм. Исследование и фотографирование микроструктуры проводилось на оптическом микроскопе "//eophot-5)0" (Германия) при увеличении до xIOOO. Микротвердость различных областей зоны лазерного воздействия измерялась на микротвердомере "Hauzer" (Германия) с автоматическим нагруяением инцентора под нагрузкой 0,98 Н (ICO гр.). Рентгеноструктурный анализ проводился на дифрактометре "ДР0Н-2,0" в кобальтовом ^-излучении и использовался для определения фазового состава точечных сварных соединений. Статическая прочность сварных соединений на растяжение измерялась на разрывной машине РМУ-0,05-1 ГОСТ 7855-68. Для обеспечения условий одноосного на-гружения сварных соединений использовалось специальное приспособление. Испытания на усталостную прочность проводились в лаборатории виброакустики ПО ГПЗ-4 на стандартном паспортизованном стенде "ВЭДС-Ю".

Для решения задачи улучшения структуры и прочностных свойств сварных соединений сталей II1XI5 и 08кп путем легирования ванны расплава на защитные шайбы наносилось никелевое покрытие двумя способами: плазменным напылением в вакууме на установке "Гнион" и гальваническим осаждением на экспериментальной установке электролитического никелерования.

В третьей главе представлена разработанная конструкция подшипника с защитными шайбами, закрепленными импульсной лазерной сваркой в нескольких точках, расположенных по периметру защитной шайбы (рис. I).

1/2 2-3144

Рис. I. Эскиз конструкции подшипника с приваренными

защитными шайбами.

1. Наружное кольцо подшипника

2. Внутреннее кольцо подшипника

3. Тела качения

4. Сварное тело

5. Защитная шайба

Отмечено, что замена механических способов крепления защитных шайб на точечную сварку импульсным лазерным излучением (Авт. свид. М 1767794 от 05.П.90)позволяет значительно упростить конструкции подшипника: во-первых, исключить из состава подшипника пружинное стопорное кольцо, во-вторых исключить проточку в наружном кольце внутренней кольцевой канавки сложного профиля под пружинное стопорное кольцо (рис. 2а). Для крепления защитных шайб точечной сваркой достаточно иметь наружную прямоугольную проточку (рис. 26).

Рис. 2. Эскиз сечения кольцевой канавки для крепления защитной шайбы:

а) пружинным стопорным кольцом;

б) точечной лазерной сваркой.

Эти два преимущества позволяют значительно снизить трудоемкость изготовления и сборки подшипников, снизить расход режущего инструмента. В-третьих, в отличие от механических способов крепления, исключается возможность перемещения защитной шайбы в радиальном направлении, вследствие чего усилие прогиба шайбы возрастает на величину порядка , где ^ - стрела прогиба шайбы, мм;

Я - радиус шайбы, мм; уи - коэффициент Пуассона. В результате защитная шайба, закрепленная сваркой, монет иметь толщину, примерно, в 1,5 раза меньше толщины шайбы, закрепленной пружинным стопорным кольцом. Использование более тонких защитных шайб и исключение пружинного стопорного кольца позволяет более, чем в 2 раза уменьшить глубину проточки в наружном кольце при сохранении расположения защитных шайб в габаритах подшипника.

В четвертой главе представлен анализ факторов, влияющих на степень деформации наружного кольца подшипника в процессе приварки к нему защитных шайб импульсным лазерным излучением.

Сложность задачи состоит в том, что величина анализируемых деформаций очень мала. Например, для подшипников 2 класса точности параметр отклонения от круглости наружной цилиндрической поверхности не должен превышать величины I мкм на диаметре 10 мм, что соответствует относительному сжатию Поэтому, ис-

3-3144

пользование сварки в технологическом процессе сборки изделий, изменение геометрических параметров которых допускается на уровне тепловых микродеформаций (~1 мкм), какими являются подшипники высших классов точности, предлагает прежде всего тщательный анализ всех факторов, влияющих на степень деформации наружного кольца и защитной шайбы в процессе сварки.

Установлено, что основными факторами вызывающими деформацию кольца являются:

1. Изменение удельного объема тела точечного сварного соединения. Показано, что при охлаждении сварного тела от Тплав до ^комн.' с Учетом мартенситного превращения линейный размер сварного тела уменьшается на 1,16%, что приводит к деформации собственного материала кольца, расположенного на расстоянии I мм от сварной точки, что соотвутствует наружной поверхности кольца,на величину £ = 0,43 мкм.

2. Разность температур кольца и шайбы в момент сварки. Этот фактор обусловлен тем, что масса кольца примерно в 20 раз больше массы шайбы. Поэтому одинаковый вклад энергии вызывает пропорционально меньшее изменение температуры кольца. Примером появления статической деформации в системе кольцо-шайба может служить закрепление на кольце сваркой деформированной шайбы вследствие нагрева последней. Такой нагрев происходит непосредственно в процессе сварки излучением, а также может возникнуть при попадании собранного подшипника в зону сварки, освещенную достаточно мощными осветителями. Экспериментально установлено, что увеличение разности температур кольца и шайбы (л Т) в момент сварки приводит к увеличению деформации наружного кольца подшипника (рис. 3, кривая I). В результате освещения зоны сварки лампой подсветки, необходимой при настройке механического узла крепления подшипника и юстировки оптической системы лазера, величина лТ кольца и шайбы в момент сварки составляет примерно 6°С, что приводит к деформации наружного ::ольца на величину £ = 0,60 мкм.

Разность температур кольца и шайбы в результате нагрева излучением лазера при сварке в двух диаметрально противоположных точках по периметру защитной шайбы составляет примерно 3°С, что приводит к деформации наружного кольца на величину € = 0,35 мкм. Проведенные исследования показали, что при увеличении энергии импульса (Ещщ ) деформация кольца увеличивается (рис. 3, кривая 2) и достигает своего максимума при Еимп =0,55 Дж. Уменьшение деформации при дальнейшем увеличении связано с образо-

ванием в сварном теле кратера и выброса частиц расплава. Однако такие режимы сварки являются недопустимыми в технологическом процессе сборки подшипников.

Рис. 3. Зависимость деформации кольца от:

разности температур кольца и шайбы (кривая I); энергии в импульсе излучения (кривая 2).

Таким образом установлено, что все приведенные факторы деформации наружного кольца являются факторами одного порядка. Однако, если фактор нагрева лампой подсветки можно практически исключить, то факторы изменения удельного объема и нагрева системы кольцо-шайба излучением лазера исключить невозможно. Более того, при увеличении Е^ и количества точек сварки последний фактор становится определяющим в общей картине деформации наружного кольца подшипника.

Для определения знака и величины деформации, а также влияния расположения точек сварки на геометрию наружного кольца был проведен эксперимент, в котором защитные иайбы приваривались в двух диаметрально противоположных точках по периметру кольца на малой (рис. 4а) и большой (рис. 46) оси исходного (после механической обработки) элипса деформации.

Рис. 4. Схема ориентации колец перец сваркой.

а); б) - расположение точек сварки соответственно на малой и большой оси исхоцного элипса цеформации.

Установлено, что приварка защитных шайб на малой оси исхоцного элипса цеформации привоцит к увеличению цеформации кольца, приварка шайб на большой оси - к уменьшению и даже изменению знака цеформации. Абсолютная цеформация наружного кольца подшипника в результате приварки к нему защитной шайбы в цвух точках составляет 1,0...1,5 мкм. Отмечено, что приварка защитной шайбы к одной из сторон подшипника влияет на геометрию как с привариваемой стороны, так и с противоположной стороны кольца. Для определения влияния приварки второй защитной шайбы на деформацию наружного кольца подшипника к кольцам с приваренной первой защитной шайбой из предыдущего эксперимента приваривалась вторая шайба с противоположной стороны кольца в цвух диаметрально противоположных точках, расположенных по периметру защитной шайбы. В результате установлено, что расположение точек сварки на малой оси наведенного (после приварки первой защитной шайбы) элипса деформации привоцит к еще большему увеличению цеформации кольца, на большой оси - к уменьшению абсолютной цеформации наружного кольца поцшипника.

На основе полученных экспериментальных данных установлено, что в процессе сварки на наружное кольцо поцшипника цействуют сжимающие усилия со стороны приваренной защитной шайбы, приложенные в точках крепления и направленные к центру кольца по линиям, соециняющим отдельные точки сварки. Увеличение размера и количества точек сварки привоцит к увеличению цеформации кольца. С другой стороны, для обеспечения надежного крепления защитных

шайб необходимо иметь количество точек сварки больше некоторого минимума. В результате проведенных исследований выявлено, что оптимальное количество точек сварки зависит от размера сварного тела, ге<зметрии подшипника, его класса точности и определяется двумя критериями: I) степень деформации наружного кольца подшипника; 2) прочностью крепления защитных шайб.

В работе приведена формула определения оптимального количества точек сварки для всего типоразмерного ряда подшипников (Авт. свид. № 1767794 от 05.11.90)(В; где Л/ - количество точек сварки, шт.; /> - толщина защитной шайбы, мм; <0 - наружный диаметр подшипника, мм.

В главе пятой представлены результаты исследования прочностных свойств точечных сварных соединений, а также влияние процентного содержания никеля в расплаве и защитной атмосферы на статическую и усталостную прочность сварных соединений сталей с различным химическим составом.

Показано, что разрушение точечных сварных соединений нержавеющих сталей, используемых для специальных типов подшипников: 95X18 (кольцо) и 08Х18Н10 (шайба), происходит в средней части сварного соединения по материалу защитной шайбы, образуя вырыв в месте сварки и имеет признаки вязкого разрушения (рис. 5).

Микротверцость тела сварного соединения;

Рис. 5.' Микроструктура и поверхность излома сварного*

соединения сталей 95X18 (кольцо) и 08Х18Н10 (шайба): а, б - со стороны кольца; в, г ■- со стороны шайбы; а, в - 55х; б, г - 1200х.

Установлено, что сварные соединения сталей 95X18 и 08Х18Н10 имеют преимущественно аустенитную структуру, обладают высокой статической и усталостной прочностью (табл. I), полностью удовлетворяют требованиям ГОСТ 520-89. Точечные сварные соединения этих сталей могут быть рекомендованы для использования на операции крепления защитных шайб подшипников.

Таблица I. Статическая и усталостная прочность сварных соединений.

Параметры Статическая прочн. Усталостная прочность

Состав по сварного \ ГОСТ тела ^^^^^ 6 Ср' 520-89. МПа 6 ср' МПа Частота / Гц Количество циклов

о, =172,0 МПа £-345,0 МПа

95X18 (кольцо) + + 08Х18НЮ (шайба) не ыеив! 540 ! 642±20 70 19460± ±350 1470± ±70

111X15 (кольцо) + + 08кп (шайба) не менее 540 310*20 Разрушение на стации крепления образца в приспособление

В отличие от нержавеющих сталей сварные соединения сталей П1Х15 (кольцо) и 08кп (шайба), используемых для производства массовых типов подшипников (рис. 6), обладают сравнительно низкой статической ( 6"ср = 310 ± 20 Ша) и крайне низкой усталостной прочностью (см. табл. I).

Особенностью разрушения точечных сварных соединений сталей ШХ15 и 08кп является изменение положения поверхности отрыва в зависимости от энергии в импульсе (рис. 7).

Металлографические и фрактографические исследования показали, что разрушение точечных сварных соединений сталей ШХ15 и 08кп при статическом нагрукении происходит по двум основным механизмам: вследствие растрескивания по междендритным границам и вследствие роста трещины в окрестности зоны сплавления. В том случае, когда энергия в импульсе сравнительно невелика (Еимп = = 0,4____1,0 Дк для ¡13 п = 0,15 мм) отрыв происходит преимущественно в области дна ванны расплава, либо непосредственно по гра-

1 & л

*

V.

а)

Следы конЬектиВных потоков В Ванне расплаВа, 55 х

"5 ' %*

¿Д.-

• - -

" Г*".

-

« *■> V. Ь V .д

. . 'О1 .

, ,• •> -у" •1 Т» ■

••V

■' \ *

I ' <

Л

г)

Рис. 6. Микроструктура и поверхность излома сварного

соединения сталей ШХ15 (кольцо) и Овкп (шайба): а, б - со стороны кольца; в, г - со стороны шайбы; а, в - 55х; б, г - 550х.

нице сплавления, либо по границе турбулентного потока с поверхности, вызванного термокапиллярной конвекцией (см. рис. 6). При более высоких уровнях энергии (для /? щ = 0,15 мм - Е^л," ^ ^1,0 Дх, см. рис. 76) значительно увеличивается глубина и объем расплава. Разрушение сварного соединения происходит в среднем сечении за счет образования и роста трещин по границам денц-ритов, направление первичных осей которых совпадает с направлением теплоотвода. Отмечено, что максимальное среднее критическое напряжение отрыва соответствует области равновероятностного разрушения для различных толщин защитных шайб (рис. 7). Вместе с тем, максимальное критическое напряжение отрыва при*разрушении по среднему сечению ( б' = 506 ± 20 МПа) превышает максимальное критическое напряжение отрыва при разрушении по дну ванны расплава ( 6"Ср = 393 ± 20 Ша). Поэтому, если при низких энергиях разрушение происходит в области дна ванны расплава, то при отно-

шении площадей поверхности разрушения, близкому к обратному отношению критических усилий отрыва (=1,3), разрушение сварных соединений происходит преимущественно в средней части тела сварного соединения.

5/0-</70-¿/303903503/0-

гю-

230190150 1/06

—I— 0,5

Объем партии:

360 сварных точек

- толщина защитной шайбы, мм

//£= 0,15 мм

4 = 0,20 мм

0,30 мм

—I—

<о

—г/.5

~20

2,5 5)

I

3,0

I

3,5

Но

—г*

-ЕЛ»:

Рис. 7.'Зависимость количества сварных соединений, разрушившихся по границе сплавления (а), и среднего критического напряжения разрушения (б) сварных соединений сталей ШХ15 (кольцо) и 08кп (шайба) от энергии в импульсе излучения.

В результате проведенных металлографических исследований с использованием методов цветного травления выявлено, что при«г-нами низкой прочности сварных соединений сталей 1X15 и 08кп являются:

- наличие в сварном теле сталей ШХ15 и 08кп примесей неметаллических включений (сера, фосфор, оксидные соединения и др.), содержащихся в стали 08 кп в значительных количествах, и возникновением неоднородности в их распределении по границам зерен и в области сплавления, связанной с движением термокапиллярных потоков в расплаве;

- грубая мартенситная структура в виде дендритов с первичными осями, строго ориентированными в направлении теплоотвода;

- наличие в сварном теле локальных участков с сильно отличающимся содержанием углерода - от 0 до 1%, что является причиной возникновения больших внутренних напряжений.

Для блокирования действия выявленных отрицательных факторов было предложено легировать ванну расплава сварного соединения никелем с целью формирования аустенитной структуры, гомогенизации распределения углерода и неметаллических примесей и, кроме того, изолировать зону сварки от воздействия кислорода защитной атмосферой.

В результате проведенных исследований было установлено, что сварные соединения кольца из стали ШХ15 и защитной шайбы из стали 08кп с вакуумным никелевым покрытием имеют предел прочности ( б"Ср= 894 ± 20 МПа) превышающий предел прочности для сварной конструкции нержавеющих сталей ( = 642 ± 20 МПа). Введение в ванну расплава сталей 111X15 и 08кп никеля позволяет: блокировать процессы концентрации сернистых и форфористых соединений; стабилизировать аустенит при Т омнт , что приводит к более равномерному распределению углерода в сварном теле. С другой стороны, получение никелевых покрытий вакуумным напылением, дающее хороший эффект, имеет высокую себестоимость и низкую производительность, что существенно ограничивает использование,его в массовом производстве.

Нанесение никелевого покрытия гальваническим способом не дает повышения прочности сварки из-за имеющего место адсорбирования значительного количества водорода, придающего при плавлении металла сварному телу характерное пемзообразное строение с низкими прочностными свойствами. Кроме того, образование на поверхности расплава оксидных пленок в результате окисления остат-

ков компонентов гальванического раствора, содержащихся в порах и микропустотах покрытия, и перенос их конвективными потоками в глубь материала не позволяют использовать для сварки защитные шайбы с никелевым покрытием, нанесенным гальваническим осаждением. Поэтому одним из условий повышения прочности сварных соединений сталей 111X15 и 08кп является изолирование зоны сварки от кислорода атмосферы.

В результате проведенных экспериментов по сварке сталей ШХ15 и 08кп в защитной атмосфере аргона азота ) и

углекислоты (СС^) установлено, что Аг; и обеспечивают прочность сварных соединений сталей ШХ15 и 08кп 550...700 Ша), близкую к уровню прочности соединений нержавеющих сталей, в то время как СО2 влияет на повышение прочности незначительно.

Для определения условий сварки, обеспечивающих наивысший уровень статической прочности сварных соединений сталей ШХ15 и 08кп, были проведены эксперименты с одновременным использованием никелевых покрытий и защитной атмосферы (аргона и азота).. В результате был получен спектр рекомендаций по химическому составу и условиям сварки сталей ШХ15 и 08кп, позволяющий расширить диапазон прочностных свойств соединений до уровня значительно превышающего уровень прочности сварных соединений нержавеющих сталей ( 6\р = 1000 ± 20 Ша,// л = 54470 ± 800 при нагрузке 172 Ша).

В главе шестой представлен разработанный технологический процесс сборки подшипников с использованием на операции крепления защитных шайб сварки лазерным излучением, приведены результаты сравнительных испытаний'подшипников с защитными шайбами, изготовленных по "традиционной" и разработанной в диссертации технологиям.

Операция крепления защитных шайб представляет собой приварку ее к наружному кольцу подшипника в /V точках, расположенных равномерно по периметру защитной шайбы. Количество точек сварки определяется из условия @• Процесс лазерной сварки реализуется двумя способами:

1. Последовательно во всех точках в процессе непрерывного вращения подшипника вокруг своей оси (рис. 8а) в специальном электромеханическом приспособлении.

2. Одновременно во всех точках при неподвижном подшипнике (рис. 86) с использованием оптической системы целения и фокусировки излучения (ОСДФ) - Авт. свид. № 1408666 от 23.10.86.

Рис. 8 Способы сварки защитных шайб с наружным кольцом

подшипника:

а) последовательно;

б) одновременно во всех точках.

1 - наружное кольцо подшипника;

2 - защитная шайба;

3 - сварное тело;

4 - объектив;

5 - излучение лазера;

6 - предметный стол;

7 - ОСДФ;

8 - разделенные потоки излучения.

Сравнительный эксперимент показал, что количество "брака" по параметру отклонения от круглости наружной цилиндрической поверхности подшипников второго класса точности для последовательного и одновременного способов сварки защитных шайб' примерно в 15 раз меньше, чем для аналогичных подшипников с защитными шайбами, закрепленными пружинным стопорным кольцом (рис. 9).

Рис. 9. Степень деформации наружного кольца подшипника для трех способов крепления защитных шайб:

а) пружинным стопорным кольцом;

б) последовательной и в) одновременной сваркой импульсным лазерным излучением.

Сравнительные производственные испытания в условиях ПО ГПЗ-4 показали, что подшипники с защитными шайбами, закрепленными точечной сваркой лазерным излучением, положенный срок испытаний отработали полностью без замечаний, состояние смазки и рабочих поверхностей деталей подшипников не имеют отличий от аналогичных показателей подшипников, изготовленных по "традиционной" технологии, герметичность сборки подшипников с приваренными защитными шайбами лучше, чем у подшипников с пружинным стопорным кольцом.

В настоящее время крепление защитных шайб подшипников приборной группы высших классов точности точечной сваркой импульсным лазерным излучением используется в технологическом процессе

сборки более чем 30 типов подшипников в диапазоне наружных диаметров от 10 мм до 50 мм (рис. 10).

1,- I.) и — " ¡'з г* гз .'1 за

» л » и ». п г> и в в ^ о ? ► с е 1 о

Рис. 10. Типоразмерный ряд подшипников с защитными шайбами, закрепленными точечной сваркой лазерным излучением.

В заключении диссертации сформулированы следующие основные выводы:

1. Экспериментально доказана целесообразность замены механических способов крепления защитных шайб на точечную лазерную сварку их с карукнш кольцом подшипника.

2. Установлено, что основными факторами, влияюаи.ш на степень деформации наружного кольца в процессе приварки к нему зацитных шайб являются:

а) изменение удельного объема сварного соединения;

б) разность температур кольца и шайбы в момент сварки. Точность подшипника по параметру отклонения от круглости наружной цилиндрической поверхности зависит от количества и расположения точек сварки по периметру защитной шайбы. Оптимальное количество точек сварки (Л/), при расположении в вершинах правильного

/V -угольника, определяется из условия: 3~агсип(35 ^/о) ' где к - толщина защитной шайбы; £> - наружный диаметр подшипника.

3. Установлено, что сварные соединения сталей 95X18 (кольцо) и 08Х18НЮ (шайба), используемых для изготовления специальных типов подшипников, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к прочности крепления защитных шайб.

Для обеспечения необходимых прочностных свойств сварных сое-

цинений сталей, используемых в массовом производстве подшипников, предложены рекомендации и разработаны основные методы сварки лазерным излучением разнородных сталей ШХ15 (кольцо) и 08кп (шайба) путем локального легирования ванны расплава никелем.

4. Разработаны конструкция и технологический процесс сборки подшипников высших классов точности с защитными шайбами с использованием сварки лазерным излучением, позволяющий:

- уменьшить процент "брака" примерно в 15 раз, по сравнению с механическими способами крепления, за счет снижения среднего уровня деформации наружных колец подшипников;

-снизить трудоемкость и повысить производительность сборки;

- улучшить качество подшипников по герметичности сборки;

- повысить уровень статической и динамической прочности крепления защитных шайб;

- снизить расход режущего инструмента;.

- автоматизировать процесс крепления защитных шайб подшипников.

5. Разработанные конструкция подшипника с защитными шайбами и технологический процесс сборки внедрен в массовое производство на предприятиях ПО ГПЗ-4.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Применение лазерных импульсных установок для сварки деталей подшипников / А.А.Гусев, В.С.Аверкиев, С.В.Каюков и др. // Практическое применение и перспективы развития лазерной техники. Тез. докл. I Поволжской Региональной конференции. - Ульяновск,

. 1989. - С. 1-2.

2. Гусев A.A., Саяпин Г.П. Лазерная сварка в технологии сборки подшипников // Лазеры и их применение. Тез. докл. I Международной школы. - Саяногорск, 1989. - С. 217-219.

3. Крепление защитных шайб подшипников импульсной лазерной сваркой / А.А.Гусев, С.В.Каюков, Ю.М.Матвеев и др. // Вестник машиностроения. - 1991. - I? 6. - С. 58-59.

4. JÁe Jnf&erree of ¿aser- ßac/tatior, PcrSs £/>яре on é/>e S/>o/ WeParameters/f А Л. Gureú-, S.V

I.e. Л/е ? éeroír a¿ <2^.// Pro с. Tr)-é. Cor,/. /Ve* /iJáa/ices ¿ñ We-fc/inf AffteJ Processes, -ßeyt/>f. С/7 с na, /99/. - Vof. ¿ - Р. /Я?-'S/.

5. Л/есо /,с!й-а/7С<>£ /я Арр&еа/.'ол а/

У ДО Ри^е ¿<??ег£ /А. Ре/г^с-, А-А-

ггс' аг^ //А^ос. Со*/ Лс/&сг/?а?с/ /Яо Рег/а^

- £с/е/?сб> а»с/ Арр ¿/о»? /Усг^ его/а, У а рая, Р9Рг. -1- Р 993 - РЭ7.

6. Устройство для лазерной многспозиционнсй обработки / Л.А.Гусев, С.3.Каюков, Г.П.Саяпин и др. // Авт. свид. 3? 1408666, СССР. - Заявл. 23.10.86.

7. Способ крепления защитных сайб к наружному кольцу поц-сипника / А.А.Гусев, С.В.Каюков, Г.П.Саяпин и др. // Авт. свид. I? 1767794, СССР. - Заявл. 05.II.90.

Подписано в печать ОС.07.93 г. Формат 00x84 1/10. Оперативная пРчагь. Усл.п.л. 1,0. Т1фаж 3 00 экэ. Заказ К? 3144.

*СамВ*т", Самара, ул.Венцека, 00.