Исследование влияния режимов шлифования на геометрические параметры колец упорных подшипников

УДК 621.623

Исследование влияния режимов шлифования на геометрические параметры колец упорных подшипников

О. П. Решетникова, А. В. Королёв, А. Г. Мирошкин, М. М. Журавлёв

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

Ключевые слова: подшипник, геометрические параметры, шлифование.

Введение. Эксплуатационная надёжность продукции машино- и приборостроения, автомобильной и другой техники в значительной степени зависит от качества механической обработки деталей. Узлы вращения машин, двигателей и других изделий являются одними из важнейших, что обуславливает особое внимание к качеству их изготовления, а также к качеству подшипников. Наиболее распространённым методом финишной обработки поверхностей качения колец подшипников является шлифование.

Особую сложность представляет собой шлифование торцевых фасонных поверхностей. Обычно такие поверхности шлифуются периферией шлифовального круга дисковой формы [1]. Для получения требуемой точности обработки шлифование этих поверхностей осуществляется кругом малого диаметра, что приводит к повышенному его износу, а также требует правку после каждой обработанной детали и частую замену шлифовального круга. Это резко снижает производительность обработки.

Процесс шлифования дорожек качения упорных подшипников. На кафедре «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета разработана прогрессивная технология шлифования фасонных поверхностей типа дорожек качения колец упорных подшипников торцом чашечного шлифовального круга (заявка на патент № 2012102205) [2]. 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 были проведены экспериментальные исследования процесса шлифования.

Проведение экспериментальных исследований. 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 5 круга. Шлифовальный круг подвергают правке, в результате которой при-

дают его рабочей поверхности тороидальную форму профиля 3, которая является зеркальным отражением формы профиля и 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 5, 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, 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 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 — высокую точность формирования тороидального профиля детали, идентичного форме профиля рабочей поверхности шлифовального круга.

В качестве шлифовального круга использовался шашечный шлифовальный круг размером 82x72x20 мм на керамической связке 24А60МЗК7 производства австрийской фирмы «Атлантик».

ось вращения детали

ось вращения шлифобального круга

Рис. 1. Схема процесса шлифования дорожек качения упорных подшипников

Обработку осуществляли за один рабочий ход. Фактически удалённый слой материала (припуск) составил 0,2 мм. Шлифование велось с применением смазочно-охлаждающей жидкости — 3-процентный раствор НГУ1205 в воде.

Анализ полученных результатов. Для получения математической модели процесса шлифования дорожек качения упорных подшипников использовали метод полного факторного эксперимента 24.

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

За параметры оптимизации приняли радиус дорожки качения Л и толщину колец подшипников по дну канавки /7, а также момент сопротивления 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 сопротивления вращению с основными влияющими факторами: подачей шлифовального круга 5, временем выхаживания шлифовального круга £, частотой вращения заготовки п при обработке колец подшипников и окружной скоростью шлифовального круга V. Математические зависимости имеют следующий вид:

Л = 2,46- 5 0'015 -V0'022 - Г0'057

М =18,28-50'568 .Г0'234 - г-0'107 - л °'24

/7 - 3 353 • 5°'013'|п(л)-°'04 . у-0,016-1п(5)-0,012 _ £.0,003+0,005-1п(5) .^0,015

Как видно из равенства (1), подача шлифовального круга 5, окружная скорость вращения шлифовального круга V и время выхаживания шлифовального круга Ь оказывают на радиус дорожки качения гё непосредственное влияние. Параметр п — частота вращения заготовки, согласно расчётам, 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, увеличивается длина пути врезания каждого абразивного зерна в обрабатываемую поверхность, что увеличивает вероятность его разрушения и, 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 Ь оказывают на момент сопротивления вращению /^непосредственное влияние.

Как видно из равенства (3), время выхаживания шлифовального круга Ь 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 /7 взаимное влияние.

На рисунках 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.

К

К

2.3

Подача шлифовального круга, мм/мин

Время выхаживания, с

Рис. 2. Зависимость радиуса /? (5,и,£,л) (мм) дорожки каче- Рис. 3. Зависимость радиуса /? (5,и,£,л) (мм) дорожки качения подшипника от подачи шлифовального круга 5(мм/мин) ния подшипника от времени выхаживания ¿(с) при максималь-

при максимальных, средних и минимальных значениях других ных, средних и минимальных значениях других факторов факторов

Как видно из рис. 2, с увеличением подачи шлифовального круга радиус дорожки качения уменьшается. Объясняется это тем, что при увеличении подачи нагрузка на зёрна шлифовального круга возрастает, шлифовальный круг начинает интенсивнее изнашиваться по краям, что приводит к уменьшению радиуса дорожки качения.

Скорость вращения шлифовального круга, м/с

Рис. 4. Зависимость радиуса /? [Б ¡V ,Ь,п) (мм) дорожки качения подшипника от скорости вращения шлифовального круга и (м/с) при максимальных, средних и минимальных значениях других факторов

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 именно здесь.

Но наиболее значимым фактором является время выхаживания £ Из рис. 3 видно, что увеличение времени выхаживания шлифовального круга приводит к уменьшению радиуса дорожки качения подшипника. Такое значительное влияние времени выхаживания шлифовального кру-

58

га 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 же 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 зёрна испытывают меньшую нагрузку. Кроме того, значительно уменьшается относительная разность скоростей резания по дну канавки и по её краям. За счёт этого шлифовальный инструмент меньше изнашивается по краям и, следовательно, увеличивается радиус дорожки качения.

Заключение. На основании полученных данных можно сделать следующие выводы:

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 трудоёмкость 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. Выявлены оптимальные режимы шлифования: 5 = 0,7 мм/мин, f = 3,5 с,

п = 2000 об/мин; v = 25 м/с.

Библиографический список

1. Королёв, А. В. Теоретико-вероятностные основы абразивной обработки: в 3 ч., Ч. 2: Взаимодействие инструмента и заготовки при абразивной обработке / А. В. Королёв, 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. Королёв // Семинар «Современные технологии в горном машиностроении»: сб. науч. тр. / Московский государственный горный университет. — Москва, 2012. — С. 413—416.

Материал поступил в редакцию 24.04.2012.

References

1. Korolyov, А. V. Teoretiko-veroyatnostny'e osnovy' abrazivnoj obrabotki: v 3 ch., Ch. 2: Vzaimodejstvie instrumenta i zagotovki pri abrazivnoj obrabotke / A. V. Korolyov, Yu. K. Novoselov; pod red. S. G. Red'ko. Saratov: Izd-vo Sarat. un-ta, 1987. — 154 s. — In Russian.

2. Reshetnikova, O.P. perspektivny'j texnologicheskij process shlifovaniya toroidal'ny'x po-verxnostej / O. P. Reshetnikova, A. V. Korolyov // Seminar «Sovremenny'e texnologii v gornom mashi-nostroenii»: sb. nauch. tr. / Moskovskij gosudarstvenny'j gorny'j universitet. — Moskva, 2012. — S. 413^416. — In Russian.

RESEARCH OF GRINDING CONDITIONS EFFECT ON THRUST RACE GEOMETRICAL PARAMETERS O. P. Reshetnikova, A. V. Korolev, A. G. Miroshkin, М. M. Zhuravlev

A new advanced technology of thrust races grinding by the cup wheel face is considered. The field research is resulted. The grinding conditions effect on the thrust block roller path geometrical parameters is described. Keywords: bearing, geometrical parameters, grinding.