Исследование шероховатости поверхностей конических роликовых подшипников

УДК621.923.1

ИССЛЕДОВАНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОНИЧЕСКИХ РОЛИКОВЫХ ПОДШИПНИКОВ

© 2018 Н.В. Носов, Л.Н. Михайлова

Самарский государственный технический университет

Статья поступила в редакцию 25.06.2018

В статье основное внимание уделено исследованию шероховатости поверхностей роликов конических подшипников. Анализ схем шлифования и сферошлифовальных станков по критериям универсальности, производительности и качеству обработки показал, что непрерывное шлифование обеспечивает заданное качество обработки при высокой производительности и в широком диапазоне размеров. На первом этапе исследования поверхностей были выполнены на специализированном исследовательском комплексе, включающем профилограф и компьютер с программным обеспечением, позволяющем записывать и обрабатывать профилограммы. На следующем этапе были выполнены исследования шероховатости участков рабочей и торцовых поверхностей ролика с помощью оптико-электронного комплекса и разработанной методики на основе использования квазиоптимального корреляционного алгоритма. Установлено, что изменение шероховатости подчиняется нормальному закону распределения и, используя метод наименьших квадратов, получена аналитическая зависимость. Найденные значения среднего арифметического отклонения профиля рабочей поверхности ролика согласуются со значениями, полученными с помощью профилографа. Сравнительный анализ результатов параметров шероховатости поверхностей роликов, найденные с помощью измерительного оптико-электронного комплекса и профилографа, отличаются между собой на 0,1%, что подтвердило эффективность применения измерительного оптико-электронного комплекса.

Ключевые слова: Шлифование, сферических торцов роликов, конических подшипников

ВВЕДЕНИЕ

Долговечность подшипника в значительной степени определяется работоспособностью тел качения - роликов. Наиболее целесообразной формой рабочего торца конического ролика и упорного борта внутреннего кольца является сфера. При этом контакт происходит по площади, что обеспечивает благоприятное распределение напряжений.

Требования к качеству конических роликовых подшипников постоянно повышаются. Твердость рабочей поверхности ролика после термической обработки составляет 58...63 HRC. На основании анализа существующих схем шлифования и сферошлифовальных станков по критериям универсальности, производительности и качеству обработки рассмотрено исследование процесса непрерывного шлифования на станке для шлифования сферических торцов конических роликов подшипников качения, обеспечивающее заданное качество обработки при высокой производительности и в широком диапазоне радиусов сферы.

Носов Николай Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология машиностроения». E-mail: nosov@samgtu.ru Михайлова Людмила Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизированные станочные и инструментальные системы». E-mail: mih_ln@mail.ru

Качество поверхности конических роликов с точки зрения шероховатости поверхности во многих случаях является определяющим фактором, влияющим на долговечность и надёжность роликовых подшипников при их эксплуатации.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Технология производства конических роликов предусматривает на заключительных операциях технологического процесса применение операций шлифования. Окончательную обработку наружной конической поверхности дорожки качения осуществляют на бесцентрово- шлифовальных станках СВААКМ 25/1 абразивными кругами на вулканитовых связках (14А6НСМ2В1). Режимы шлифования были следующие:

- скорость абразивного круга 55 м/с;

- скорость вращения ведущего круга 70 м/мин;

- снимаемый припуск 0,01 мм;

- скорость продольной подачи 300 мм/мин;

- обработку проводили с охлаждением и периодической правкой алмазным карандашом.

Торцы роликов обрабатывались на двухстороннем торцешлифовальном станке ЗАЗ43 абразивными кругами размером 600 х 63 х 305 и характеристиками 14А 25П СМ1 10Б. Обработка торцов производилась на следующих режимах:

- окружная скорость шлифовального круга 35 м/с;

- общий припуск 0,01 мм;

- скорость подачи ролика в зону обработки

2,5 м/мин;

- шлифование осуществлялось с подачей смазывающей охлаждающей жидкости (СОЖ) и периодической правкой круга алмазом в оправке.

На первом этапе исследования шероховатости поверхностей были выполнены на специализированном исследовательском комплексе, включающем профилограф модели - 201Р, компьютер и соответствующее программное обеспечение, позволяющее записывать и обрабатывать профилограммы. На торцах ролика профилограммы снимались в радиальном и окружном направлениях.

Одной из первых задач по повышению качества обработки сферических торцов роликов является подбор инструмента. Особенностью инструмента сферошлифовального станка является то, что он после правки по радиусу образует рабочую зону.

Шлифовальный круг профилируется по заданному радиусу алмазным карандашом. Существует два способа правки круга: от приводной головки со стороны рабочей зоны и по копиру в стороне (перпендикулярно или противоположно) от рабочей зоны.

Правка с приводной головки производится алмазным карандашом, расположенным в специальном гнезде сепаратора и закрепленным в одном из подающих дисков. Движение алмаза при правке осуществляется от гидроцилиндра. Карандаш устанавливается по середине жёлоба, образованного дисками приводной головки, и тем самым проходит через ось шлифовального круга.

Для правки с противоположной стороны от рабочей зоны применяют специальное приспособление, в котором алмазный карандаш крепится на скалке, а от гидроцилиндра получает качательное движение по радиусу. Скорость правки регулируется скоростью перемещения гидроцилиндра. В зависимости от типа обрабатываемого ролика изменяется положение скалки и соответственно радиус движения алмаза. Правка шлифовального круга осуществляется с продольной подачей 0,5 - 0,6 м/мин.

При определении радиуса правки шлифовального круга учитывалась жёсткость приводной головки, так как в процессе обработки торцов роликов под воздействием усилий резания детали вдавливались в пространство между дисками.

Радиус правки в данном случае определялся по формуле:

Я = Я + к - к - Т,

пр д '

где Яд - радиус дисков приспособления, мм;

к - вылет ролика над дисками в месте загрузки, мм;

к - величина осевого перемещения ролика в дисках, зависящая от податливости приспособления, принимает значение 0,2 - 1,0 мм;

Т - припуск на обработку сферического торца ролика, мм.

При исследованиях шлифовальный круг профилировался корригированным радиусом обработки:

Я = Я - ДЯ,

с '

где Яс - радиус сферы, заданный чертежом, мм;

ДЯ - величина корригирования радиуса, мм, определяемая по формуле:

-ДП- (й^-г,

дд

где ДП - величина погрешности профиля сферы торца, мм;

гр - радиус обрабатываемого торца ролика, мм;

гв - радиус технологической выемки на торце ролика, мм.

При исследованиях применялась смазочно-ох-лаждающая жидкость от цеховой системы. В зону шлифования СОЖ подаётся в количестве 7 л/мин.

Влияние режимов обработки на погрешность сферы при непрерывном шлифовании сферических торцов исследовались на станке модели БСШ-200М [1]. После выявления оптимальных режимов обработки проводились исследования точности, устойчивости и стабильности процесса.

Шлифовальный круг профилировался рассчитанным радиусом обработки и балансировался. Наблюдение за процессом обработки проводилось в течение 3-4 часов межправочно-го периода работы станка.

В процессе экспериментов исследовались факторы, характеризующие точность профиля сферической поверхности торца ролика: радиус сферы, торцовое биение, огранка и шероховатость сферического торца ролика.

На следующем этапе были выполнены исследования шероховатости выбранных участков рабочей и торцовых поверхностей ролика с помощью оптико-электронного комплекса и разработанной методики на основе использования квазиоптимального корреляционного алгоритма [2].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При шлифовании роликов 7606 на станке ВШ-680 корригированным радиусом обработки были получены хорошие результаты, а именно, в поле допуска находилось торцовое биение, огранка и шероховатость. Ролики шлифовались без правки круга в течение трёх часов, и при этом средняя величина радиуса сферы постоянно находилась в допуске. Исследование высоты микронеровностей по длине рабочей поверхности ролика показало, что среднее арифметическое отклонение профиля Яа по этой длине изменяется незначительно от: Яа=0,105 мкм до Яа =0,094 мкм.

10.5110

ШИВ»»«

100333 мси|

0.3711 (0«

К А Ал , ¡л А Л А

/ У V г ' П Щ ] 1 У с >

^^ЙЖГ 1 ' № №СВ 5(0 1Ю

Яэ огмсмн |мм

(летгаиером го 10т$* Ет^Яу |чалс еьсстэ жроарвн вэ ||ыхга выст|Т1| к» м

|Пу5 м*£ 5г? [сдали шг нцвмктфми $ ):р шг местных еыстцгхфжм Ал I сзщжарифм. наклон проФ.),гр Ад [сдаюквадр.наклон проФ.Цр Ь (огикикльная длина проф.] Вд |срвивкваар.отклонение),мкм Ымлч растянет. проФияя),мкм 1а |срьмм длина волны),мкм V) |е#аж*вадр.дл.8олны),мкм С (платить выступов),! /см

(МОЗДОК 1071005 17+07 0М1 -13Л7

-30*1

= 8.5±0.2 = 1.34+0.07 = 1.85+0.08 = 1.0005+0.0001 = 0.14+0.01 = 11180+1 = 28.2+0.7 = 20.4+0.5 = 330+10

✓ Срвяпоюм ^

у—\1МД5|* <1*1

Фицф| ,У5«2.50ики  |

J дюймы Й180 3274

4ОДШ2 я>*. ^ 1 ожтро(МТ

Калибровка |

по параметр!): 5т < | >| 5тмеры = 80.00 м<м

С а 3

Трасса

Доп.трасса| Ю <|>| Цм*мг] Отс№|.1

Шкала:3.2мкм (х5000) «Я» ф| / Автошкала Скорбь| МП

Открыть | Печать | Прж»д<1

Рис. 1. Вид интерфейса с профилограммой и параметрами шероховатости для рабочей поверхности ролика

Исследование высоты микронеровностей поверхности торцов ролика во взаимно перпендикулярных направлениях показало, что параметр Яа по этим направлениям практически не отличается друг от друга для одной и той же поверхности.

Однако на разных торцах ролика формиру-

ПКЗ! нн ТримтиИИгтавиЗй.иаНжяИ

Пкгчхтьгч Л1

(¡:ш>«л Шв ни

<Ц4Нт й-]|

г

ННШЛЛ1П ]

[¡I] 45371*, '3590.. аСИгН ЬЬ^'ЗЩМ.!- ИЭЫЯгк

±1«

?_4

1933* 04 ЯК $£4 газ»

Ра ^^«ицнеи № л?*  0.1 М ЯА Р: ЬасвпчтппЮ'жиш  1.7й 1 -Лй г

Ир^ызи тс й*=?м(_ь*ц . 0.5ЙИЮ ИуЙя тарифен • 1.6Л1

5 ЕНГ ИК>№М19М1ИИ I в.?Й? ¿1 тгсп щм )гр  212 Л И-

¿{НВДФ+ИР цод |гр ОЗШР ЬЗсмюявыири«»"»»! «ШИН» Рд ¿к£не«-Щ'|Г<л>-ж1|+н »ПЖ>1Ш№

ч: | иачя 1/»«» ».«¿да • ШЙ 5 | эы^ладзя «.и

1? •Н?15_

ь

СнйШОКХИ ^ II

Ьпрюсг Р*7*ГГ | МЛЗн* л!±1

ш-га«м

ааЬн £ №02271

гдоьпшшян а*

J ¿1 пошт*ЛлТГ

сра,-1 ,|>Р да

¡''АН

ЁЬшЮОчш (*ИМ1 ^ гьВл

11 ]

Рис. 2. Вид интерфейса с профилограммой и параметрами шероховатости для торца ролика

1 в радиальном направлении

ется различный микрорельеф. При этом на торцевой поверхности №1 величина Яа составила 0,13 мкм в радиальном направлении и 0,15 мкм в осевом направлении, а для торцовой поверхности №2 Яа = 0,09 мкм в радиальном направлении и Яа = 0,105 мкм в осевом направлении. Отмеченная особенность микрорельефа торцов ролика приведена на рис. 4. Такое распределение высотных параметров микрорельефа по торцам ролика связано с тем, что угол захода конуса на шлифовальных кругах разный и в связи с этим с обрабатываемых торцовых поверхностей снимается различный припуск. В частности, с торца №1 снимается больший припуск.

На следующем этапе исследования шероховатости поверхностей ролика выполнены с помощью оптико-электронного комплекса и разработанной методики [2]. Полутоновые и

бинарные изображения участков рабочей поверхности ролика, а также графики изменения коэффициента корреляции и корреляционные поверхности приведены на рис. 5 - 9. Результаты измерения средней амплитуды переменной составляющей корреляционных функций для выделенных участков дали следующие значения от иср = 17,9 отн. ед.; до иср = 16,3 отн. ед.;

Таким образом, все найденные значения иср попадают в диапазон 6 - 21 отн. ед., что предполагает использование зависимости Яа=0,0065 х иср- 0,02 мкм для определения среднего арифметического отклонения профиля рабочей поверхности ролика. Подставляя найденные значения иср в это выражение, получим: для участка №1 - Яа = 0,096 мкм; для участка №2 - Яа = 0,089 мкм; для участка №3 - Яа = 0,086 мкм; для участка №4 - Яа = 0,094 мкм; для участка №5 - Яа = 0,087 мкм. Для определения доверительных интервалов /р , в которые попадает случайная величина иср , зададим вероятность распознавания шероховатости поверхности, равной Р=0,99. Про-

Рис. 3. Вид интерфейса с профилограммой и параметрами шероховатости для торца ролика 2 в осевом направлении

1 торец

2 торец

Рис. 4. Шероховатость торцовых поверхностей ролика

Рис. 5. Результаты обработки изображения участка №1 рабочей поверхности ролика

Рис. 6. Результаты обработки изображения участка №2 рабочей поверхности ролика

Рис. 7. Результаты обработки изображения участка №3 рабочей поверхности ролика

Рис. 8. Результаты обработки изображения участка №4 рабочей поверхности ролика

ведённые исследования с использованием квазиоптимального корреляционного алгоритма позволили найти величины среднего квадрати-ческого отклонения (СКО) ст от и для образцов с шероховатостями: Яа = 0,13мкм -ст = 2,0 отн. ед.;

Яа = 0,084мкм - иср=13,2 отн. ед. ст = 0,8 отн. ед.;

иср =21,6 отн. ед.,

Яа = 0,048мкм -ст = 0,6 отн. ед.; Яа = 0,025мкм -

иср=10,8 отн. ед., и =6,8 отн. ед.,

ст = 0.07 отн. ед.

При этом также было установлено, что сама случайная величина и подчиняется нормальному закону распределения. В этом случае число СКО, которое нужно отложить вправо и влево от центра рассеивания для того, чтобы вероятность попадания случайной величины и в полученный интервал была Р=0,99, составляет tр = 2,576.

Для каждого образца было обработано по 30 изображений с различных участков исследуемой поверхности, то есть п = 30. Тогда СКО оценки при определении иср определяется по формуле:

ст

ст

V«

Следовательно, для образцов поверхности с шероховатостью Яа = 0,13 мкм имеем ст.=0,37 отн.ед., с шероховатостью Яа = 0,084

мкм - ст= 0,15 отн.ед., с шероховатостью Яа = 0,048 мкм - ст= 0,11 отн. ед. и с шероховатостью Яа = 0,025 мкм - стг=0,013 отн. ед. Через величины tр и ст1 доверительный интервал выражается в виде:

Др = (иср-^; ир +1.хст).

Округляя вычисленные значения 1р= tрхстt в сторону увеличения, получим для отмеченных значений шероховатости следующие величины доверительных интервалов:

Яа = 0,13мкм - I = 1,0 отн. ед.; 20,6 отн. ед. < иср < 22,6 отн. ед.; Яа = 0,084мкм

I = 0,4 отн. ед.; 12,8 отн. ед.

р

^ иср ^ 13,6 отн. ед.;

Яа =0,048мкм - I = 0,3 отн. ед.; 10,5 отн. ед. < иср < 11,1 отн. ед.;

Яа = 0,025мкм - I = 0,03 отн. ед.; 6,77 отн. ед. < и < 6,83 отн. ед.

ср

Рис. 9. Результаты обработки изображения участка №5 рабочей поверхности ролика

= 0,102 мкм;

А А А л л А (1 ЛАЛ - Л А -л Мл А 1\ Л /

VI г \1 V ХМ \Л"Л/ V т

40 80 120 160 200 240 280 гтшс&ги

Рис. 10. Зависимость 1р от средней амплитуды переменной составляющей корреляционной функции иср при использовании формата 320 х 240 пикселей для изображения поверхности

Как видно из приведенных данных, доверительные интервалы для иср с увеличением шероховатости возрастают, и что очень важно, не перекрываются. График зависимости I = Ди ) приведён на рис. 10.

Согласно приведённому графику, зависимость I = Диср) имеет нелинейный характер. Используя метод наименьших квадратов, для данного доверительного интервала была получена аналитическая зависимость

^ = (3,4 х иср2 + 14,4 х иср + 1)х 10-3. (3) Подставляя в найденное выражение ир, получим:

от ^ = 1,35 отн. ед., до ир = 19,25 отн. ед., следовательно, Я = 0,088 мкм и Я =0,105

атп атах

мкм;

для участка №2 - I = 1,19 отн. ед., и =

Р сртп

15,51 отн. ед. и иср = 17,89 отн. ед., следовательно, Я = 0,081 мкм и Я = 0,096 мкм;

атп атах

для участка №3 - I = 1,14 отн. ед., и =

р сртш

15,16 отн. ед. и ис = 17,44 отн. ед., следовательно, Я = 0,079 мкм и Я = 0,093 мкм;

атт атах

для участка №4 - !р = 1,29 отн. ед., и = 16,21

р сртт

отн. ед. и ис = 18,79 отн. ед., следовательно,

Яа = 0,085 мсрткамх и Яа

аа

Рис. 11. Значения Яа на выделенных участках рабочей поверхности: 1 - полученные с помощью профилографа, 2 - полученные с помощью оптико-электронного комплекса

для участка №5 - I = 1,16 отн. ед., и =

тт р л _ , , сртп

15,340 отн. ед. и иср = 17,66 отн. ед., следовательно, Яа = 0,08 мткамх и Яа = 0,095 мкм;

ч атт атах -

Найденные значения среднего арифметического отклонения профиля рабочей поверхности ролика вполне согласуются со значениями, определёнными с помощью профилографа модели - 201Р. Графики зависимости средних значений Яа от исследуемого участка рабочей поверхности, полученные с помощью профилогра-фа и оптико-электронного исследовательского комплекса, приведены на рис. 11. Незначительное расхождение ~0,1% в значениях Яа, полученных разными методами можно объяснить невозможностью абсолютно точно совмещения участков поверхности для записи профилограмм и видеосъёмки и, кроме того, разной размерностью профилограмм и видеоизображений.

Полутоновые и бинарные изображения характерных участков торцовых поверхностей ролика №1 и №2, а также графики изменения коэффициента корреляции и корреляционные поверхности для этих участков приведены на рис. 12 и 13.

Результаты измерения средней амплитуды переменной составляющей корреляционных функций для выделенных участков дали следующие значения:

- для торцового участка №1 и = 23,6 мкм,

ср

- для торцового участка №2 ир= 17,5 мкм.

Рис. 12. Результаты обработки изображения торцовой поверхности ролика №1

Рис. 13. Результаты обработки изображения торцовой поверхности ролика №2

Используя найденные значения и для определения I, Яа, Я и Я по выражению

Р атт атах,

определили, что для торцовой поверхности №1 Яа= 0,13 мкм, Я = 0,12 мкм и Я =0,15 мкм.

и атт .... тах

Для торцовой поверхности №2 Яа=0,095 мкм, Я = 0,086 мкм и Я =0,10 мкм.

ат1^ ~ атах

Таким образом, в этом случае, параметры шероховатости торцовых поверхностей ролика, найденные с помощью измерительного оптико-электронного комплекса, вполне согласуются с аналогичными параметрами, измеренными с помощью профилографа модели Б}-201Р.

ВЫВОДЫ

Анализ полученных данных показывает, что с увеличением шероховатости поверхности средняя амплитуда колебания автокорреляционной функции Аср повышается. Обработка экспериментальных данных позволила получить регрессионные зависимости, связывающие амплитуду автокорреляционной функции и параметры шероховатости поверхности образца.

Получены регрессионные уравнения идентификации микрогеометрии поверхности прецизионных деталей подшипника на основе вычисления номинальных значений параметров шероховатости Яа, Яр, Ятах, Б , г в зависимо-

тт

сти от средней амплитуды автокорреляционной функции, вычисленной по изображению исследуемой поверхности. Для базового окна размером эталона 6х6 получены следующие аналитические зависимости:

Яа = 0,004 х А - 0,016, мкм

? ср У У

Яр = 0,17 + 0,01 х Аср, мкм

Ятах = 0,88 +"0,052 х Аср, мкм

Б = 46,8 - 0,91х А , мкм

т ср

г = 0,7 + 3,3 х А , %.

т ср

Для базового окна размером эталона 8х8 получены следующие аналитические зависимости: Яа = 0,0391-А - 0,4794, мкм

' ср ' '

Яр = 0,16 + 0,013 х Аср, мкм

Ятах = 0,84 + 0,056 х Аср, мкм (3.2) Б = 47,1 - 0,9 х А , мкм ср

т ср

г = 0,8 + 3,5 х А , %

т ср

Для базового окна размером эталона 9х9: Яа = 0,0644 -А - 0,8082, мкм

ср

Яр = 0,14 + 0,015 х Аср, мкм

Ятах = 0,82 + 0р058 х Аср, мкм (3.3) Б = 46,5 - 0,93 х А , мкм ср

т ср

г = 0,85 + 3,6 х а , %.

т ср

Анализ полученных данных показал, что с увеличением формата эталона от 6 х 6 до 9 х 9 пикселей разница в средней амплитуде переменной составляющей корреляционной функции Аср для образцов с различной шероховатостью остаётся постоянной.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Михайлова Л.Н. Исследование шлифования сферических поверхностей с целью повышения стабильности процесса // Сб. трудов XII международной научной конференции «Научные перспективы XXI века. Достижения и перспективы нового столетия». Новосибирск: Международный научный институт «БаисаШо», 2015. № 5(12). Часть 1. С.77-81.

2. Носов Н.В., Михайлова Л.Н. Исследование структуры сферических поверхностей роликов при шлифовании // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королева (национального исследовательского университета). 2014. № 5(47). Часть 3. С.113-118.

RESEARCH SURFACE ROUGHNESS OF THE TAPERED ROLLER BEARING

© 2018 N.V. Nosov, L.N. Mikhailova

Samara State Technical University, Samara

The article focuses on the research surface roughness of the tapered roller bearings. Analysis circuits sferoshlifovalnyh grinding machines and on criteria versatility, productivity and quality of treatment showed that secures the maintenance of continuous grinding processing quality at high productivity and in a wide range of sizes.In the first stage of the research of surfaces were carried out at a specialized research complex, which includes profiler and a computer with software that allows you to record and process profilograms.At the next stage of research were carried out rough spots and the end surfaces of the working roll using opto-electronic complex and developed a technique based on the use of quasi-correlation algorithm. It was found that the roughness of the change is subject to the normal distribution law and using the method of least squares, an analytical dependence.Naydennye values of arithmetic average roughness of the working surface of the roller are consistent with the values obtained using the profiler.Comparative analysis of results of roughness the roller surface parameters found by the measuring optical-electronic complex and profiler differ from one another by 0.1%, confirming the effectiveness of measuring opto-electronic complex. Keywords:Grinding, spherical ends of the rollers, tapered roller bearings

Nikolai Nosov, Doctor of Technics, Professor, Head at the Machine-Building Technology Department. E-mail: nosov.nv@samgtu.ru

Liudmila Mikhailova, Candidate of Technics, Associate Professor at the Automated Machining and Tool Systems Department. E-mail: mih_ln@mail.ru