СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОДШИПНИКА КАЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF   MANUFACTURE OF ROLLER BEARING (VERSIONS)

Область техники
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении малошумных и (или) быстроходных подшипников качения разного типа и конструкций.
Уровень техники
Известно, что снижение уровня вибрации подшипников и повышение их быстроходности зависит от точности изготовления колец и тел качения, типа и конструкции подшипника, качества применяемого в них материалов и смазок, и т.д.
В настоящее время патенты по малошумным и быстроходным подшипникам связаны с особенностями их конструкций и узлов, но определяющим фактором при создании малошумных и быстроходных подшипников является точность изготовления их деталей и уменьшение параметров, задающих уровень их вибраций, конкретно для колец: шероховатости, волнистости, отклонений от круглости (овальность).
Вопросы по производству тел качения сегодня решены, так как они изготовляются с очень высокой степенью точности, в том числе и из керамических материалов, и резервов по улучшению качества практически не имеют. Соответственно, повышение точности подшипников с оптимизацией их внутренней геометрии может происходить фактически только за счет улучшения качества колец. До настоящего времени это зависело только от технологий шлифовальных и финишных операций обработки, качества инструмента и станков.
В уровне техники известно большое количество патентов на изобретения в указанных областях, например (патент RU 2325259, дата публикации заявки: 10.10.2007, патентообладатель: «ООО Технологическое предприятие «Машпроект»; патент RU 2501638, дата публикации: 20.12.2013, патентообладатель: «ФГБОУВПО «Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина»), хотя смысл и суть заявляемого изобретения другие, но результаты получаются аналогичные, а именно: оптимизация и улучшение внутренней геометрии подшипника за счет повышения точности и качества колец.
Также в заявляемом изобретении представлена технология создания полимерного покрытия, при котором трение в подшипнике снижается.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является решение, защищенное патентом на изобретение RU 2095653 (опубликовано: 10.11.1997, Патентообладатель(и): Семкин Константин Дмитриевич, Черневский Леонид Викторович), согласно которому с помощью полимерного покрытия на кольцах подшипника (смотри Фиг. 1) создаются условия для решения задач по повышению долговечности подшипников и дополнительно, за счет свойств поверхностного слоя: полимерное покрытие плюс смазка, улучшаются трибологические и виброакустические характеристики (ВАХ) подшипников.
Также в указанном патенте представлена доработанная технология по созданию полимерного покрытия на дорожках качения колец подшипников, предложенная ранее в патенте на изобретение RU 2023763 (опубликовано: 30.11.1994, Патентообладатель(и):Акционерное общество "ВНИПП"; Автор(ы): Михайлова А.Н., Семкин К.Д., Черневский Л.В.), как способ нанесения полимера на детали подшипников. Но в патенте RU 2023763 даже не рассматривался вопрос применения подшипников с покрытыми деталями. Поэтому в качестве ближайшего аналога выбираются технические решения, защищенные патентом на изобретение RU 2095653, а именно: подшипник с полимерным покрытием колец в виде постоянного смазочного слоя. Согласно указанному аналогу, подшипник с постоянным смазочным слоем, состоит из наружного кольца, снабженного обращенной внутрь кольцевой дорожкой качения, и внутреннего кольца, снабженного обращенной наружу кольцевой дорожкой качения, между которыми размещены тела качения, расположенные на определенном расстоянии друг от друга посредством сепаратора, при этом рабочие поверхности указанных деталей подшипника покрыты полимерным слоем. Полимерный слой выполнен из анодного электроосажденного материала типа стирольно-акрилатных сополимеров, но пропитан смазкой, совместимой с рабочей смазкой подшипника и выбранной с учетом условий работы подшипника и с возможностью обеспечения на поверхности полимерного слоя дополнительного смазочного слоя в виде тонкой пленки.
Основным недостатком изобретения является то, что получение улучшенных характеристик подшипника по этому патенту связывалось только со свойствами поверхностного слоя, а именно: или с осажденным полимерным покрытием или с плюс внедренной в нее смазкой.
Аналогичный подход был сделан и в патенте RU 2023763, где на кольцах с полимерными покрытиями создавался реакционный смазочный слой толщиной от 1 до 5 мкм.
Раскрытие изобретения
Задачей заявляемого изобретения является разработка подшипника качения и способа его изготовления, которые позволят снизить уровень вибраций и повысить его быстроходность с увеличением ресурса его работы.
Если вопросы по долговечности подшипников решаются за счет повышения качества их изготовления и применяемой смазки, что для решения задач по увеличению быстроходности подшипников и снижению уровня их вибраций не всегда достаточно.
Поэтому, в настоящее время, ведущие мировые производители подшипников пытаются решать эти проблемы или за счет применения новых материалов и изменений в самом подшипнике, например, высокопрочный сепаратор - компания NSK, или с помощью специального конструктивного решения для всего узла в целом - компания NTN: новым воздушным охлаждением шпиндельных подшипников, обеспечивающим большую жесткость для высокоскоростного вращения. Также известны разработки компании SKF по сверхпрецизионным роликовым подшипникам.
Техническими результатами заявляемого изобретения являются: снижение уровня вибрации подшипника, повышение быстроходности подшипника с увеличением ресурса его работы.
Технический результат заявляемого изобретения достигается благодаря тому, что быстроходный малошумный подшипник качения состоит из наружного кольца с обращенной внутрь дорожкой качения и внутреннего кольца с обращенной наружу дорожкой качения, между которыми размещены тела качения, расположенные друг от друга на определенном расстоянии посредством сепаратора и на дорожки качения колец которого посредством анодного осаждения нанесены полимерные покрытия.
Покрытия нанесены для оптимизации внутренней геометрии подшипника и повышения точности размеров дорожек качения и колец за счет приработки упомянутых полимерных покрытий при вращении подшипника, как при отсутствии смазки (сухом трении), так и в присутствии смазки или масла при нагрузках, выбранных в соответствии с каталожными/справочными данными, и определенном времени.
Время приработки задается по меньшей мере от 4 минут при отсутствии смазки (сухом трении) и от 15 минут при наличии смазки или масла при нагрузках от 0,025-0,03 величины статической грузоподъемности Со подшипника и более, но не допускающих проскальзывание в подшипнике.
Полимерные покрытия на дорожках качения колец наносятся без пропитывания смазкой или маслом для образования дополнительного смазочного слоя, и без выдерживания в них для создания реакционного смазочного слоя.
Толщина полимерного покрытия колец является минимальной, до 1,0 мкм, а при неравномерном осаждении полимера до 1,5-2 мкм. При увеличении толщины покрытия показатели характеристики поверхности, а именно, шероховатость, отклонения от круглости (овальность) и волнистость колец значительно ухудшаются и приработка не дает требуемого результата.
Также согласно изобретению, частицы полимерного покрытия при анодном осаждении должны иметь размер от 0,01 мкм до 0,06 мкм для проникновения к поверхностям колец и вступления в химическую реакцию с ионами железа, создавая при этом на поверхности тонкую металлополимерную пленку, обеспечивающую адгезию полимерного покрытия и кольца.
В соответствии с изобретением дополнительно вводят операцию стеклования полимеров, получающих при осаждении свойства эластичных полимеров, за счет охлаждения колец с покрытиями ниже температуры стеклования Тс полимера для снижения трения и повышения быстроходности подшипника.
При этом, свойства поверхности колец с покрытиями после стеклования полимеров дополнительно уменьшают параметры внутреннего трения в подшипнике, увеличивают фактор его быстроходности Dm*N до 20-30% и создают условия для работы подшипника при ограниченной смазке, а некоторое время совсем без смазки.
В процессе изготовления подшипника используют водную дисперсию (эмульсию) стирольно-акрилатных сополимеров для получения покрытий на кольцах выбирают с РН от 7 до 9 и размером частиц от 0,01 мкм до 0,06 мкм, а перед сборкой или приработкой подшипника проводят охлаждение колец с покрытиями или собранных подшипников с ними ниже температуры стеклования полимера Тс.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлен общий вид подшипника качения.
На Фиг. 2а, 2б, 2в представлены результаты измерений внутренних колец подшипника 202, выполненные в продольном сечении, как колец без покрытий (2а), так и колец с покрытиями, но в процессе их приработки через 5 минут (2б) и 10 часов (2в) работы подшипника.
На Фиг. 3 приведены результаты измерений поверхности покрытий в продольном сечении на внутренних кольцах подшипника 202 до приработки.
На Фиг. 4а, 4б приведены графики типовых данных исследований подшипников, соответственно, в начале и в конце измерений.
На Фиг. 5, 6 приведены результаты исследований типовых подшипников, но с полимерным покрытием колец, обозначенные, как "твердое" покрытие со стеклованием полимера.
На Фиг. 7, 8 показаны данные подшипников при покрытии колец полимером без его стеклования, обозначенные, как "мягкое" покрытие.
Осуществление изобретения
В результате исследований, которые представлены на фигурах 2а-2в и 3 выявлено, что сразу после покрытия колец подшипника полимером (смотри Фиг. 1), характеристики поверхности (шероховатость, волнистость, смотри Фиг 3.) значительно ухудшаются, затем, в процессе приработки, начинают улучшаться и уже через 5 минут (смотри Фиг. 2б) видны изменения в лучшую сторону, а через 10 часов (смотри Фиг. 2в) становятся лучше, чем у непокрытых колец (смотри Фиг. 2а) по шероховатости, волнистости и овальности колец, которые задают вибрацию и шум подшипников.
Представленные результаты получены при приработке подшипников в масле и свидетельствуют о том, что полимерные покрытия, нанесенные на дорожки колец подшипников, за счет приработки, оптимизируют и улучшают внутреннюю геометрию подшипника.
В результате исследований было выявлено, что улучшения виброакустических характеристик (ВАХ) подшипников с покрытыми полимером кольцами по сравнению с подшипниками без покрытий происходят в процессе их приработки за счет снижения на кольцах с покрытиями шероховатостей, отклонений от круглости (овальности) и волнистости с повышением точности колец. При этом свойства самого покрытия практически не существенны для получаемого уровня вибрации.
Поэтому в изобретении предлагается способ снижения уровня вибраций и одновременного повышения быстроходности подшипников, а именно: с помощью приработки полимерных покрытий дорожек качения колец при проведении стеклования получаемого эластичного полимера. При этом скорости вращения подшипников и фактор быстроходности Dm*N, где Dm - средний диаметр подшипника; N - частота вращения подшипника, могут возрастать до 20-30%, а уровень вибрации подшипников с покрытыми кольцами может снижаться на 35-40% и более.
Результаты испытаний выявили, что лучшим применением для подшипников с покрытыми полимером кольцами наряду с повышением долговечности, должны быть задачи по увеличению их быстроходности, работа подшипников в условиях граничной смазки и снижение уровня вибраций, например шпиндельные подшипники.
Ниже, в таблице 1 приведены результаты исследований шпиндельных подшипников 2-436107К2 и 2-436107К3 с полимерными покрытиями колец и без покрытий.
Испытания выполнялись на шпинделе HSA 187 в Южной Корее в R&D центре компании KBC при следующих условиях: нагрузка F=20kgf, смазка - масляный туман, скорость N=29000 rpm. Из результатов испытаний следует, что уровень вибрации подшипников с покрытыми полимером кольцами снижался существенно, практически, на 40% а их долговечность возросла многократно. Также, в R&D центре компании KBC были проведены тестирования подшипников 2-436107К2 и 2-436107К3 с полимерными покрытиями колец при увеличении рабочих скоростей вместе с фактором быстроходности подшипников Dm*N, где Dm - средний диаметр подшипника, N - частота вращения подшипника.
Испытания показали, что рабочие скорости вращения N этих подшипников за счет применения полимерных покрытий колец, можно увеличивать примерно на 25%, а именно от 29000 до 42000 rpm.
Последующие испытания в R&D центре компании КВС шариковых подшипников АТ303/15 производства КВС, но с покрытием колец полимером в ОАО ВНИПП, выявили, что фактор быстроходности шариковых подшипников с полимерными покрытиями дорожек качения колец может иметь значения до 2,3 миллиона.
Испытания, проведенные в ОАО ВНИПП и ООО Модерн Машинери, выявили еще и другую закономерность для подшипников с полимерными покрытиями колец, а именно: снижение температуры подшипников в процессе испытаний относительно стандартных на 10-15 градусов Цельсия, т.е. снижение в них трения, причем для всех типов и конструкций.
Полученные результаты исследований поставили новые задачи по технологиям полимерных покрытий для колец подшипников, а именно: создание технологий покрытий специально для решения вопросов по снижению уровня вибраций подшипников и повышению быстроходности.
В соответствии с вышеуказанным были разработаны новые технологии получения полимерных покрытий на дорожках качения колец подшипников. При этом особые требования были предъявлены и к материалу для нанесения покрытий. По разработанным технологиям в ООО Модерн Машинери были покрыты две партии колец подшипников 6304TN9/C3 производства SKF, условно обозначенные, как с твердым (после проведения стеклования полимера) и мягким (без стеклования полимера) покрытиями.
Выбор типа подшипника был обусловлен последующими вибрационными диагностиками подшипников. Измерения проводились в ОАО ВНИПП на приборе КВП-3 в соответствии с ГОСТ Р 52545 части 1 и 2, 2006 г. (ISO 15242 части 1 и 2). Подшипники 6304TN9/C3 без покрытий колец исследовались на приборе КВП - 3 в ОАО ВНИПП много раз и их результаты были приняты за основу, как базовые, и на Фиг. 4а, 4б приведены типовые данные этих исследований, соответственно в начале и в конце измерений. В Таблице 2, на Фиг. 5, 6 приведены результаты исследований таких же подшипников, но с полимерным покрытием колец, обозначенные, как "твердое" покрытие со стеклованием полимера, а в Таблице 3, на Фиг. 7, 8 показаны данные подшипников при покрытии колец полимером без его стеклования, обозначенные, как "мягкое" покрытие. Диагностики вибраций выполняются по ГОСТ практически с очень малым количеством смазки и, соответственно, время испытаний, - вращение стандартных подшипников, очень ограничено и не превышает нескольких минут, порядка шести.
Результаты на графиках (смотри Фиг. 4а, 4б, 5, 6, 7, 8), показывают, что замеренные амплитудные характеристики (перемещений во времени) подшипников с покрытыми полимером кольцами, измеряемые в микрометрах за секунду (мкм/с), лучше, примерно в 3-6 раз, чем у стандартных подшипников, причем на всех исследуемых частотах.
Конкретно, анализируя величины можно видеть, что СКЗ (среднее квадратичное значение) ускорения подшипников без покрытий, в начале вибродиагностики составляют 95,5 децибел, а в конце, через 6 минут измерений, СКЗ ускорений имеет наименьшую величину, равную 85,1 децибел (смотри Фиг. 4а, 4б). С указанными СКЗ ускорений правомерно сравнивать значения импульсов подшипников с твердыми и мягкими полимерными покрытиями, приведенных в Таблицах 2 и 3.
Значения измеренных импульсов подшипников с твердыми полимерными покрытиями колец (Таблица 2) в начале измерений имели величину, равную 66 децибел, а в дальнейшем стабилизировались примерно на величине порядка 48 децибел.
Импульсы подшипников с мягкими полимерными покрытиями (Таблица 3) в начале измерений имели величину, равную 84 децибел, но затем стабилизировались также в районе 48 децибел. Сравнение полученных результатов, приведенных в Таблицах 2 и 3, а также на графиках Фиг. 4а, 4б, 5-8 показывают значительное превосходство подшипников с полимерными покрытиями колец по виброакустическим характеристикам (ВАХ) над стандартными подшипниками.
Кроме того, проведенные исследования выявили новые возможные области для применения подшипников с покрытыми полимером кольцами, а именно: работа в условиях ограниченной смазки и/или некоторое время совсем без смазки. Из проведенных испытаний видно, что подшипники с условно твердым покрытием колец полимером отработали практически без смазки 22 часа 46 минут (Таблица 2, Фиг. 5, 6), с условно мягким - 4 часа 8 минут (Таблица 3, Фиг. 7, 8), а подшипники без покрытий колец смогли отработать только 6 минут (Фиг. 4а и 4б). При этом, в конце исследований подшипников с твердыми полимерными покрытиями колец, для окончания испытаний в 1,5 и 2,0 раза были увеличены нагрузки (Таблицы 2 и 3).
Таким образом, для подшипников с полимерными покрытиями колец уровень их вибрации снижается относительно подшипников без покрытий колец до 40%, быстроходность подшипников с полимерными покрытиями колец возрастает относительно подшипников без покрытий колец на 20-30%, подшипники с полимерными покрытиями колец работают длительное время в условиях ограниченной смазки и/или определенное время без смазки. Производство подшипников с полимерными покрытиями осуществимо серийно, так как нанесение покрытий - гальванический процесс.