Экспериментальные исследования перспективного способа лобового шлифования дорожек качения колец упорных подшипников

УДК 621.623

О.П. Решетникова, А.В. Королев, А.С. Носков

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО СПОСОБА ЛОБОВОГО ШЛИФОВАНИЯ ДОРОЖЕК КАЧЕНИЯ КОЛЕЦ УПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ

Рассматривается новая перспективная технология шлифования колец упорных подшипников торцом чашечного шлифовального круга. Приведены результаты проведенных экспериментальных исследований, описано влияние режимов обработки на геометрические параметры дорожек качения упорных подшипников.

Подшипник, геометрические параметры, шлифование

O.P. Reshetnikova, А/V. Korolev, A.S. Noskov EXPERIMENTAL RESEARCH OF AN EMERGING METHOD FOR BEARING RING GRINDING

The article discusses an emerging technology for grinding thrust bearing rings by means of the end face of a cup-shaped grinding wheel. The authors present the experimental data, describe the impact of the processing modes on the geometrical parameters of raceway thrust bearings.

Bearing, geometrical parameters, grinding

Весьма важным направлением в повышении качества опор трения качения является технологическое обеспечение рациональной геометрической формы из рабочих поверхностей, в частности

дорожек качения. В настоящее время заданные размеры и форму упрочненных поверхностей деталей обеспечивают на операциях шлифования. При изготовлении колец подшипников значительная роль отводится операциям шлифования дорожек качения, на которых достигается требуемая точность дорожек, а следовательно и подшипника в целом.

Особую сложность представляет шлифование торцевых фасонных поверхностей. Обычно при обработке таких поверхностей применяют процесс шлифования периферией шлифовального круга методом врезания [1]. Методом врезания достигается более высокая геометрическая стабильность параметров профиля дорожки качения, более высокая геометрическая точность осевого биения дорожки качения. Однако этот метод не лишен серьезных недостатков: низкая степень самозатачивания шлифовального круга приводят к тому, что последний быстро «засаливается», поэтому требуется частая правка круга, в связи с чем наблюдается повышенный расход кругов и правящего инструмента, неравномерный износ шлифовального круга из-за неравенства окружностей различных точек периферий круга.

На кафедре «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. разработана прогрессивная технология шлифования фасонных поверхностей типа дорожек качения колец упорных подшипников торцом чашечного шлифовального круга (заявка на патент № 2012102205).

По сравнению с дисковым шлифовальным кругом чашечный круг имеет значительно больший размер рабочей поверхности, в результате чего снижается его износ и появляется возможность правки круга после обработки нескольких деталей. Шлифовальный круг работает длительное время без замены.

Для обеспечения заданных параметров качества дорожек качения колец упорного подшипника чашечным шлифовальным кругом важно определить рациональные режимы резания. Для определения этих режимов провели экспериментальные исследования процесса шлифования.

В качестве объекта исследований использовались кольца подшипников 1118-2902840-04. Подшипник предназначен для восприятия радиальных и осевых нагрузок в верхней опоре стойки передней подвески автомобилей семейства ВАЗ, моделей «Калина», «Приора» и «Гранта».

С целью проведения экспериментальных исследований процесса шлифования дорожек качения упорных подшипников был модернизирован станок модели ТПК-125М.

Шлифование дорожек качения упорных подшипников велось по следующей схеме (рис. 1). Ось вращения кольца упорного подшипника 4 устанавливают под острым углом а к направлению подачи шлифовального круга 1, а ось шлифовального круга 1 устанавливают вдоль направления подачи S круга. Шлифовальный круг подвергают правке, в результате которой придают его рабочей поверхности тороидальную форму профиля 3, которая является зеркальным отражением формы профиля, которую требуется получить на обрабатываемой поверхности детали.

В процессе шлифования деталь 4 и шлифовальный круг 1 вращают в противоположных направлениях, осуществляют быстрый подвод шлифовального круга к обрабатываемой поверхности, а затем осуществляют врезание рабочей поверхности круга в поверхность детали с рабочей подачей S , обеспечивающей заданный размер. После достижения заданного размера детали шлифовальный круг отводят в исходное положение.

Угол а устанавливают таким образом, чтобы каждая режущая кромка абразивного инструмента в процессе вращения шлифовального круга периодически входила и выходила из контакта с обрабатываемой поверхностью 2 детали 4. Это обеспечивает очистку рабочей поверхности инструмента от стружки, способствует отводу тепла из зоны обработки и повышению производительности обработки.

Так как ось вращения шлифовального круга установлена в направлении подачи, то износ круга не влияет на диаметр шлифуемой поверхности, что обеспечивает высокую точность обработки и возможность осуществления правки шлифовального круга после обработки нескольких деталей.

Ось шлифовального круга устанавливалась вдоль направления его подачи, а обрабатываемая деталь закреплялась в патрон бабки изделия под углом а = 5-8 0 градусов к этому направлению. Выбор такого диапазона угла разворота оси детали обеспечивает, с одной стороны, хорошую очистку шлифовального круга от стружки и шлама, а с другой стороны, обеспечивает высокую точность формирования тороидального профиля детали, идентичную форме профиля рабочей поверхности шлифовального круга.

В качестве шлифовального круга использовался шашечный шлифовальный круг размером 82x72x20 мм на керамической связке 24А60М3К7 производства австрийской фирмы «Атлантик». Обработку осуществляли за один рабочий ход. Фактически удаленный слой материала (припуск) составил 0,2 мм. Шлифование ведется с применением смазочно-охлаждающей жидкости 3% раствор

НГЛ 205 в воде.

2 3 1

ось Вращения детали

ось вращения шлифобального круга

Рис. 1. Схема процесса шлифования дорожек качения упорных подшипников

Для получения математической модели процесса шлифования дорожек качения упорных

Регулируемыми количественными факторами являлись подача шлифовального круга 5, время выхаживания шлифовального круга I, частота вращения заготовки п при обработке колец подшипников и окружная скорость шлифовального круга V.

За параметр оптимизации принята производительность процесса шлифования. Ограничительными факторами являлись радиус дорожки качения Я, толщина колец подшипников по дну канавки Н и момент сопротивлению вращению М.

Для проверки критерия однородности дисперсии использовался критерий Кохрена с уровнем значимости 0,05, значимость коэффициентов регрессии оценивалась по ^ - критерию Стьюдента с уровнем значимости 0,05, оценка адекватности модели определялась по критерию Фишера с уровнем значимости 0,05.

В результате обработки экспериментальных исследований были получены математические модели, устанавливающие связи радиуса дорожки качения, толщины колец подшипников по дну канавки и момента сопротивлению вращению с основными влияющими факторами: подачей шлифовального круга 5, временем выхаживания шлифовального круга I, частотой вращения заготовки п при обработке колец подшипников и окружной скоростью шлифовального круга V. Математические зависимости имеют следующий вид:

Как видно из равенства (1), подача шлифовального круга 5, окружная скорость вращения шлифовального круга V и время выхаживания шлифовального круга ? оказывают на радиус дорожки качения гЛ непосредственное влияние. Параметр п - частота вращения заготовки, согласно расчетам, не оказывает влияние на радиус дорожки качения подшипника при шлифовании. Это объясняется тем, что частота вращения заготовки оказывает противоречивое влияние на процесс шлифования. С одной стороны, с увеличением частоты вращения шлифовального круга уменьшается глубина шлифования, что снижает износ шлифовального круга и влияние неравномерности припуска на погрешность профиля дорожки качения. С другой стороны, увеличивается длина пути врезания каждого абразивного зерна в обрабатываемую поверхность, что увеличивает вероятность его разрушения, а следовательно износа шлифовального круга. Такое противоречивое влияние частоты вращения шлифовального круга приводит к незначительному влиянию данного фактора на радиус дорожки качения.

Согласно равенству (2), подача шлифовального круга 5, окружная скорость вращения шлифовального круга V, частота вращения заготовки п и время выхаживания шлифовального круга t оказы-

подшипников использовали метод полного факторного эксперимента 2 4 .

И = 3,353'

вают на момент сопротивления вращению М непосредственное влияние.

Как видно из равенства (3), время выхаживания шлифовального круга ґ и подача шлифовального круга 5, частота вращения заготовки п и подача шлифовального круга 5, окружная скорость вращения шлифовального круга V и подача шлифовального круга 5 оказывают на толщину подшипника И взаимное влияние.

На рис. 2-4 показано влияние на радиус дорожки качения подшипника исследуемых факторов. На каждом графике представлено влияние одного из факторов на верхнем, нижнем и промежуточных значениях прочих факторов. В подрисуночной подписи указаны размерности величин.

Подача шлифовального круга, мм/мин

Время выхаживания, с

Рис. 2. Зависимость радиуса Я

дорожки качения подшипника от подачи шлифовального круга Э (мм/мин) при максимальных, средних и минимальных значениях других факторов

Рис. 3. Зависимость радиуса Я

дорожки качения подшипника от времени выхаживания ? (с) при максимальных, средних и минимальных значениях других факторов

Как видно из рис. 2, с увеличением подачи шлифовального круга радиус дорожки качения уменьшается. Объясняется это тем, что при увеличении подачи нагрузка на зерна шлифовального круга возрастает, шлифовальный круг начинает интенсивнее изнашиваться по краям, что приводит к уменьшению радиуса дорожки качения. Неравномерный износ шлифовального круга вызван неравномерностью распределения припуска вдоль профиля дорожки качения. По краям профиля дорожки качения припуск больше, поэтому и износ шлифовального круга происходит более интенсивно по краю профиля дорожек.

Но наиболее значимым фактором является время выхаживания X. Из рис. 3 видно, что увеличение времени выхаживания шлифовального круга приводит к уменьшению радиуса дорожки качения подшипника. Такое значительное влияние времени выхаживания шлифовального круга на радиус дорожки качения объясняется тем, что при быстром отводе шлифовального круга радиус дорожки качения сохраняет свой размер, полученный в процессе шлифования. При длительном выхаживании возникают дополнительные напряжения в металле в пределах упругих деформаций, которые при отводе шлифовального круга приводят к неравномерным деформациям кольца в виде уменьшения радиуса дорожки качения.

Такое же значительное влияние на радиус дорожки качения оказывает окружная скорость вращения шлифовального круга. Из рис. 4 видно, что увеличение скорости вращения шлифовального круга приводит к увеличению радиуса дорожки качения подшипника. Такое влияние скорости вращения шлифовального круга на радиус дорожки качения объясняется тем, что при увеличении скорости вращения шлифовального круга абразивные зерна испытывают меньшую нагрузку. Кроме того, становится значительно меньше относительная разность скоростей резания по дну канавки и по ее

Скорость вращения шлифовального круга, м/с

Рис. 4. Зависимость радиуса Я(5,V,X,п) (мм) дорожки качения подшипника от скорости вращения шлифовального круга V (м/с) при максимальных, средних и минимальных значениях других факторов

краям. За счет этого шлифовальный инструмент меньше изнашивается по краям, а следовательно увеличивается радиус дорожки качения.

Проведенные экспериментальные исследования показали:

1. Разработан новый перспективный способ шлифования дорожек качения упорных подшипников.

2. Спроектирована специальная экспериментальная установка для шлифования дорожек качения колец подшипников.

3. Разработана методика полного факторного эксперимента 24, позволяющего провести исследования на двух уровнях исследуемых факторов и тем самым снизить трудоемкость экспериментальных исследований, а также выявить влияние каждого из исследуемых факторов.

4. Статистическая обработка результатов исследований обеспечила возможность выявить искомые математические зависимости. Математические модели адекватны с 95% вероятностью.

5. На основе выполненных исследований выявлены оптимальные режимы шлифования: S = 0,5мм / мин , t = 3,5c, n = 2000об / мин ; v = 25м / с.

ЛИТЕРАТУРА

1. Королев А.В. Теоретико-вероятностные основы абразивной обработки: в 3 ч. Ч. 2. Взаимодействие инструмента и заготовки при абразивной обработке / А.В. Королев, Ю.К. Новоселов; под ред. С.Г. Редько. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1987. 154 с.

2. Решетникова О.П. Перспективный технологический процесс шлифования тороидальных поверхностей / О.П. Решетникова, А.В. Королев // Современные технологии в горном машиностроении: сб. науч. тр. / Моск. гос. горн. ун-т. М., 2012. С. 413-413.

Решетникова Ольга Павловна - Olga P. Reshetnikova -

аспирант кафедры «Технология Postgraduate

машиностроения» Саратовского государственного Department of Mechanical Engineering Technologies

технического университета имени Гагарина Ю.А. Gagarin Saratov State Technical University

Королев Альберт Викторович - Albert V. Korolev -

профессор, доктор технических наук, Ph. D., Professor

заведующий кафедрой «Т ехнология Head: Department of Mechanical Engineering

машиностроения» Саратовского Technologies

государственного технического университета Gagarin Saratov State Technical University

имени Гагарина Ю.А.

Носков Александр Сергеевич - Aleksandr S. Noskov -

аспирант кафедры «Технология машинострое- Postgraduate

ния» Саратовского государственного техническо- Department of Mechanical Engineering Technologies го университета имени Гагарина Ю.А. Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 19.06.12, принята к опубликованию 06.09.12