Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Анализ существующих способов и устройств для обработки шариков 8
1.2. Особенности шлифования шариков традиционным методом их обработки и направления его совершенствования 20
1.3. Направления совершенствования процесса шлифования шариков на основе использования статических и динамических свойств среды под давлением 26
1.4. Выводы 31
1.5. Цель и задачи исследования 33
2. Общая методика проведения экспериментальных исследований 35
2.1. Оборудование, материалы и образцы, применяемые в исследованиях 35
2.1.1. Экспериментальная установка для шлифования шариков 35
2.1.2. Материалы и образцы 39
2.2. Методы и средства контроля параметров процесса шлифования шариков 41
2.3. Последовательность выполнения экспериментов 43
2.4. Математическая обработка результатов исследований 45
2.5. Выводы 46
3. Теоретические и экспериментальные исследования движения шаржов в рабочей зоне при шлифовании их в потоке среды под давлением 47
3.1 Кинематические особенности процесса шлифования ша риков в потоке среды под давлением 47
3.2. Сравнительная оценка интенсивности съема припускана основе динамического анализа движения шарика в зоне обработки 53
3.3. Исследование влияния гидродинамических свойств жидкостной рабочей среды на динамику и кинематику движения шарика в зоне обработки 68
3.3.1. Теоретическая оценка сил, действующих в зоне контакта шарика со шлифовальным кругом с учетом гидродинамических явлений 68
3.3.2. Влияние потоков жидкости на проскальзывание шарика в рабочей зоне 82
3.4. Выводы 89
4. Влияние технологических параметров и ввда рабочей производительность и качество процесса шлифованияшариков 92
4.1. Влияние вида рабочей среды 92
4.2. Влияние технологических факторов 99
4.2.1. Влияние переносного вращения центра шарика 99
4.2.2. Влияние характеристики шлифовального круга 106
4.2.3. Влияние давления рабочей среды 117
4.2.4. Влияние частоты вращения шлифовального круга 126
4.3. Выводы 136
5. Направления дальнейшего совершенствования процесса шлифования шариков в потоке среды под давленим и экономическая эффективность его применения 141
5.1. Автоматическое управление режимными параметрами процесса 141
5.2. Автоматизация цикла обработки шариков 149
5.3. Экономическая эффективность процесса шлифования шариков в потоке среды под давлением 155
5.4. Выводы 156
Обще выводы и рекомендации 159
Литература 162
Приложения 174
- Особенности шлифования шариков традиционным методом их обработки и направления его совершенствования
- Методы и средства контроля параметров процесса шлифования шариков
- Сравнительная оценка интенсивности съема припускана основе динамического анализа движения шарика в зоне обработки
- Экономическая эффективность процесса шлифования шариков в потоке среды под давлением
Введение к работе
В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года подчеркивалось о необходимости "настойчиво повышать эффективность общественного производства на основе его всесторонней интенсификации, улучшать качество продукции, ...во всех отраслях народного хозяйства последовательно проводить линию на более быстрое техническое перевооружение, создание и выпуск машин и оборудования, позволяющих улучшить условия труда и повысить его производительность, экономить его материальные ресурсы. Создавать и внедрять в производство принципиально новые технику и материалы, прогрессивную технологию" /I/.
Особую роль при этом играет развитие такой отрасли как машиностроение - основы технического перевооружения всех отраслей народного хозяйства нашей страны. Технический уровень и качество выпускаемых станков, механизмов и приборов в значительной степени определяется качественными показателями подшипников качения. Увеличение точности и быстроходности механизмов и машин ставит задачи повышения технических требований к изготовлению деталей подшипников и, в частности, к изготовлению шариков, от степени точности которых зависят надежность, долговечность, виброакустические и другие характеристики шарикоподшипников. В связи с этим дальнейшее совершенствование методов обработки шариков, а также изыскание и внедрение новых более прогрессивных методов представляет весьма актуальную задачу в современном производстве.
Перспективными в этом плане являются работы по использованию новых скоростных процессов шлифования шариков, в которых повышение производительности оборудования и качества обработан-
ной поверхности достигается увеличением числа степеней свободы шарика в рабочей зоне. К одному из таких процессов относится способ /2/ шлифования шариков в потоке среды (воздуха или жидкости) под давлением. Отличительной особенностью этого процесса является то, что формирование сферической поверхности шарика происходит вокруг центра масс, а это, в свою очередь, оказывает положительное влияние на эксплуатационные показатели как шариков, так и шарикоподшипников в целом. А именно, выполнение этого условия обеспечивает максимальное сближение центра масс шарика с его центром сферы, что способствует снижению шума шарикоподшипников, и особенно, работающих на высоких скоростях. Однако данный процесс до настоящего времени остается малоизученным. Это объясняется отсутствием обобщенных и в концентрированном виде представленных теоретико-экспериментальных данных , раскрывающих закономерности влияния различных условий обработки на процесс шлифования шариков, в частности, на поведение шариков в зоне обработки, механизм съема припуска и формирования сферической поверхности. Хотя казалось бы процесс известный, однако до настоящего времени нет рациональных конструкций станочного оборудования для осуществления этого метода и отсутствуют оптимальные режимы обработки,что, в свою очередь, сдерживает практическую реализацию данного процесса.
Отмеченные особенности определили цель настоящей работы , которая состоит в повышении производительности работы оборудования и качества шлифованных шариков на основе внедрения результатов комплексного исследования процесса шлифования шариков в потоке среды под давлением.
Новизна и отличительные особенности данной работы содержатся в:
Результатах теоретических исследований характера движения шариков и интенсивности съема припуска при их шлифовании в потоке среды под давлением с учетом дополнительных инерционных моментов (глава 3).
Результатах теоретических и экспериментальных исследований влияния гидродинамических свойств жидкостной рабочей среды на кинематику и динамику шариков в зоне обработки (глава 3).
Результатах экспериментальных исследований влияния технологических факторов и вида рабочей среды на производительность шлифования шариков, их геометрическую точность и качество поверхностного слоя (глава 4).
Новых, защищенных авторскими свидетельствами конструктивных схемах шарикошлифовальных станков, реализующих новый процесс, с автоматическим циклом обработки и с устройствами автоматического управления режимными параметрами процесса (глава 5).
На основании полученных результатов выбраны рациональные режимы обработки и даны рекомендации по внедрению нового процесса шлифования шариков.
Особенности шлифования шариков традиционным методом их обработки и направления его совершенствования
Операциям шлифования шариков в общем технологическом процессе их изготовления отводится особая роль, так как дефекты и погрешности, полученные на этой операции, весьма трудно исправить на последующих операциях доводки. Поэтому вопросы, связанные с повышением качества и производительности обработки при шлифовании, имеют первостепенное значение.
В основу большинства шарикошлифовальных станков положен элеваторный метод обработки в кольцевых канавках. Как правило, эти станки имеют горизонтальную ось вращения инструментов, хотя для крупных шаров могут быть использованы станки и с вертикальной осью вращения.
Развитие теории и праатики процесса шлифования шариков получило в работах П.И.Ящерицына, И.П.Филонова, Л.А.Олендера, СП.Байкова и др. /59...62/. В них авторы детально рассматривают механизм формообразования шариков, кинематику их движения в зоне обработки, механизм образования погрешностей формы, влияния колебаний технологической системы на формирование сферической поверхности и т.д.
Формообразование поверхности шарика происходит под действием сил резания, трения при проскальзывании их в зоне контакта шариков со шлифовальным кругом, которые определяют съем припуска.
В процессе шлифования шарики перемещаются по канавкам неподвижного диска под действием сил, возникающих в зоне контакта их с вращающимся шлифовальным кругом, и сил сопротивления, действующих в зоне контакта с диском. Траектория движения центров шариков - окружность, расположенная, как правило, в вертикальной плоскости.
Распределение скоростей проскальзывания в зоне контакта шариков со шлифовальным кругом и диском представлены на рис. 1.4 /59/, из которого видно, что в зоне контакта шарика как со шлифовальным кругом, так и с диском имеются точки, в которых скорость проскальзывания равна нулю. При этом на шарике образуются зоны с различной интенсивностью съема припуска, а на участках ad и Cj практически отсутствует обработка, что является основной причиной, затрудняющей достижение высокой геометрической точности на этой операции.
Таким образом, шарик в каждый момент времени участвует в качении с угловой скоростью Ю«ц и верчении с угловой скоростью 60» . Причем при нахождении шарика в канавке, расположенной ближе к центру инструментов, он имеет меньшую угловую скорость качения Шт и большую скорость верчения U)B ПО сравнению с шариком, находящимся на периферийной канавке. Это приводит к более несимметричному распределению скоростей проскальзывания шарика относительно инструментов, что вызывает неравномерный съем припуска по его поверхности.
Недостатком существующего способа шлифования шариков является, то, что съем припуска за время однократного его нахождения в рабочей зоне происходит не по всей поверхности диаметрального сечения шарика, так как участки окружности CLU и Су (рис. 1,4) не контактируют с диском и кругом. Изменение положения дуг контакта на поверхности шариков происходит вне рабочей зоны. В процессе обкатки шарики подаются в канавки, расположенные на различном расстоянии от оси вращения круга, где условия съема припуска различные. Все это вызывает появление погрешностей геометрической формы, которые исправляются только за счет многократного попадания шариков в различные канавки . Необходимость исправления погрешностей формы, полученных за время однократного нахождения шариков в рабочей зоне путем их случайной ориентации при входе в канавку, является основной причиной низкой производительности процессов. Кроме того, относительно небольшие линейные скорости инструмента в рабочей зоне (до 4 м/с) и значительные усилия прижима шарика к инструменту (500... 1000 Н), характерные для существующего способа шлифования шариков, затрудняют его переориентацию непосредственно в рабочей зоне. При таких режимах обработки наиболее эффективной смазоч-но-охлаждающей жидкостью является дизельное топливо с добавкой 1% арахина (синтетических жирных кислот Cjy-CgQ). Эта ССИ широко используется при шлифовании шариков. Высокая пожаро-опасность ее, а также дополнительные динамические нагрузки, действующие на шарик при входе в рабочую зону и выходе из нее /63/, ограничивают скорость шлифовального круга. Хотя в настоящее время имеется определенный опыт использования водной С0Ж на основе продукта М-І /64/, однако по ряду причин новая С0Ж пока не нашла широкого применения на заводах подшипниковой промышленности.
В существующем методе шлифования шариков формирование сферической поверхности происходит вокруг геометрического центра, что обусловлено его жестким силовым замыканием между инструментами. Однако по ряду причин (погрешности прокатки или штамповки шариков, неоднородность их структуры по всему объему) центр масс шарика может не совпадать с его центром сферы, что в конечном счете приведет к ухудшению эксплуатационных показателей шариков и в целом шарикоподшипников.
Отмеченные недостатки традиционного метода шлифования шариков в кольцевых канавках привели к созданию принципиально отличающихся способов шлифования шариков по кинематике их движения в рабочей зоне.
Так, в способах шлифования шариков с эксцентричным расположением шлифовального круга и прижимного инструмента /65,66/ обеспечивается постоянное изменение линейных скоростей шлифовального круга в точках соприкосновения с шариками, что вызывает изменение положения мгновенной оси его вращения. Однако , несмотря на дополнительное движение, сообщаемое шарикам за счет эксцентричного расположения инструментов, эти способы не обеспечивают высокой производительности процесса в виду невозможности размещения большого количества шариков в рабочей зоне и точечного контакта их с инструментами, что также сдерживает достижение высокой геометрической точности шариков.
Методы и средства контроля параметров процесса шлифования шариков
Частота вращения шлифовального круга определялась с помощью цифрового тахометра ЦАТ-2М, измерительный преобразователь которого устанавливался к диску с 60-ю отверстиями, закрепленном на шпинделе шлифовального круга. Аналогичным образом определялась частота вращения нижнего диска, во втулках которого располагались шарики.
Давление рабочей среды под шариком измерялось с помощью тензометрического датчика давления, изготовленного и протариро-ванного согласно методике, приведенной в работе /81/. Изменение среднего значения величины давления рабочей среды под шариком определялось также с помощью водяного U -образного манометра.
Оценка величины съема припуска производилась весовым методом с помощью лабораторных весов с разновесом в 0,01 гр, а также с помощью прибора типа 262 с ценой деления микрокатор-ной головки I и 0,2 мкм. С помощью прибора типа 262 производилась оценка разноразмерности шариков и текущие значения погрешностей геометрической формы шариков (отклонение от сферической формы, непостоянство единичного диаметра). Шероховатость поверхности шариков контролировалась на приборе типа " TaWsurf 5-120J , а волнистость и окончательные значения погрешностей формы шариков - на приборе типа " TalYrond73". Измерение глубины канавки шлифовального круга и интенсивность ее износа определялась с помощью индикатора с ценой деления I мкм, радиус его наконечника соответствовал 5 мм. Отсчет глубины канавки производился от торцевой поверхности шлифовального круга в одном и том же его угловом положении при перемещении индикатора, установленного в магнитной стойке, в горизонтальной плоскости вместе со столом заточного станка. Значение глубины канавки определялось по максимальному значению показания индикатора.
Частота вращения шарика в рабочей зоне, в тех случаях, когда это было необходимо, определялась с помощью стробоскопического тахометра СТ-5; при этом на шарике были нанесены метки. При этом одновременно фиксировалась частота вращения шлифовального круга, что необходимо для расчета коэффициента проскальзывания шарика относительно круга.
Фотографирование поверхности шариков производилось с помощью оптического поляризационного микроскопа " Pol war ".
Оценка износа втулок по внутренней рабочей поверхности производилась с помощью профилографа-профилометра ЇЇП 252, измерительный наконечник которого перемещался вдоль оси втулки в нескольких ее угловех положениях относительно этой оси. Замер величины износа втулки осуществлялся по профилограмме.
В соответствующих разделах работы приведены частные методики проведения исследований, что вызвано большим объемом эксперимента.
До начала экспериментов в шпиндель станка устанавливался шлифовальный круг, который правился с помощью алмазного карандаша по периферийной и торцевой поверхностям. Затем к столу станка крепился нижний диск со втулками. С помощью конусов, выполненных в центре диска и шпинделя, диск устанавливался со-осно шлифовальному шпинделю. С помощью индикаторной головки с ценой деления 0,001 мм, закрепленной зажимами на шлифовальном кругу, проверялась соосность нижнего диска и шлифовального круга по боковой поверхности нижнего диска, которая не должна превышать 2 мкм. Такая точность установки диска относительно оси круга необходима для исключения возможного увеличения радиуса канавки, вырабатываемой шариками, расположенными во втулках одного окружного ряда, и возможного касания шариков, только одной стороной канавки круга, что может существенно повлиять на их геометрическую точность. После этого стол фиксировался к станине прихватами. В одну из втулок каждого окружного ряда устанавливалось приспособление для нарезания кольцевой канавки полукруглого профиля, выполненное в виде качающегося алмазного карандаша с вылетом, равным радиусу обрабатываемых шариков, и последовательно нарезались канавки, при этом их глубины должны отличаться не более, чем на 0,3 мм. Такая разница глубины различных канавок круга не окажет существенного влияния на показатели процесса обработки и позволит дать сравнительную оценку их работоспособности.
Подготовительные операций завершались процессом приработки дорожек, которая осуществлялась шариками того же диаметра и той же точности, что и обрабатываемые. При этом в качестве рабочей среды использовался 1%-ЕШ водный раствор кальцинированной соды. Эта операция продолжалась до того момента, пока на рабочих поверхностях дорожек качения не исчезали следы правки от алмазного карандаша, что свидетельствовало о приработке канавок. Затем шлифовальная головка вместе с кругом приподнималась и пробная партия шариков извлекалась из втулок. Система продувалась сжатым воздухом, а внутренние поверхности втулок насухо протирались .
Сравнительная оценка интенсивности съема припускана основе динамического анализа движения шарика в зоне обработки
Оценку возможных вариантов обработки шариков в потоке среды под давлением по сравнению с традиционным методом их шлифования будем производить на основе показателя интенсивности съема припуска. Последний определится суммированием по всей области контакта шарика со шлифовальным кругом произведения скорости проскальзывания на нормальную контактную нагрузку на не которую элементарную площадку контакта. Для этого рассмотрим три наиболее простых варианта обработки шариков новым методом с использованием в качестве рабочей среды сжатого воздуха при различных режимах вращения нижнего диска: &)е= 0 LO Const В случае обработки шариков с гироскопическим скольжением вдоль оси X и фрикционным скольжением вдоль оси 11 (рис. 3.3) сила трения в области контакта QU будет иметь две составляющие. Если коэффициент трения Ri определить как вектор, имеющий проекции R z и kiq на оси X и у, , то вектор силы трения можно задать его составляющими г и Гп где dQ- нормальная контактная нагрузка на некоторую элементарную площадку контакта шарика с кругом. Поскольку изменениями проскальзывания в направлении оси пренебрегаем, то силы dr rj , чКг и аЦ будут величинами, отнесенными к единице длины вдоль оси X . Если предположить, что нормальная нагрузка вычисляется при помощи герцево-го распределения давления, то где рн - максимальное давление по Герцу. Его значение может /V/ - общая нормальная нагрузка в контакте шарика с кругом.
Зная распределение скоростей проскальзывания и нормальной нагрузки в зоне контакта, можно определить значение UV , представляющее интеграл по области контакта от произведения нормальной нагрузки на абсолютную скорость проскальзывания Таким образом, интегрирование производится по всей облас- , ти контакта шарика с кругом. Практическое использование этого параметра связано с оценкой съема припуска с шарика, который будем рассматривать как износ шарика в процессе его проскальзывания относительно инструмента.
Согласно классической теории изноеа, скорость изнашивания выражается формулой где К - коэффициент износа; ЦУ - показатель интенсивности съема припуска, Н м/с; п - твердость материала, Па.
Знание величины цу можно использовать для расчета ожидаемого износа шарика вследствие его проскальзывания по отношению к рабочему кругу, если известна твердость материала шарика и выбрано предполагаемое значение коэффициента износа К.
Для определения скоростей проскальзывания в зоне контакта шарика со шлифовальным кругом в формуле (3) необходимо знать составляющие вектора абсолютной угловой скорости шарика iOri , Udp и U)z , которые могут быть определены из динамического анализа движения его в рабочей зоне. Полная система уравнений движения шарика получится путем рассмотрения поступательного и орбитального движения центра масс в цилиндрической системе координат ( Z , Z , а ) и вращательного движения шарика вокруг центра масс в системе координат ( /? , р , ), как показано на рис. 3.3.
Обозначив массу шарика через /77 , можно записать уравнения движения его центра масс следующим образом /89/ С учетом принятых допущений об отсутствии колебаний шарика в вертикальном и в радиальном направлениях, уравнения (3.7) для трех вариантов обработки примут соответственно вид но центра масс описывается уравнениями Эйлера. Обозначая моменты инерции шарика через Л и принимая допущение, что шарик является абсолютно сферическим телом, для которого центробежные моменты инерции равны нулю и центр масс совмещен с центром сферы, уравнения Эйлера в системе координат П , р , X согласно /90/, имеют вид где Т2 - момент трения верчения в контакте шарика с внутренней (поверхностью гнезда. Силы трения (резания) Fix и F1fl определятся интегрированием составляющих иг/т и игщ согласно уравнениям (3.4) по всей области контакта шарика с кругом, которые учитывают и верчение шарика в контакте. Для учета верчения шарика в контакте с поверхностью гнезда введен момент трения верчения tz » который, согласно /91/ определится как где kz - коэффициент трения скольжения шарика о внутреннюю поверхность гнезда. В свою очередь где Ez - приведенный модуль упругости шарика с внутренней поверхностью гнезда (втулки).
Экономическая эффективность процесса шлифования шариков в потоке среды под давлением
Станки, реализующие процесс шлифования шариков в потоке СОЯ под давлением, могут быть использованы как при "твердом", так и при "мягком" шлифовании шариков согласно технологическому процессу их изготовления 40-й степени точности по ГОСТ 3722-81 диаметра от 25,4 до 76 мм из любой шарикоподшипниковой стали, а также твердосплавных шариков и шариков с износостойким твердым покрытием специального назначения. Обработка шариков ведется в отдельных втулках диска, а прижим к торцу шлифовального круга осуществляется СОЖ, подаваемой под давлением во внутреннюю полость каждой втулки. Применение указанных станков целесообразно на предприятиях: а) связанных с изготовлением шариков в условиях крупносерий ного и массового производства; б) связанных с изготовлением шариков специального назначе ния (твердосплавных, шариков с износостойким твердым покрытием и т.д.) в условиях серийного производства. Повышение производительности и точности обработки достигается: - возможностью увеличения скорости вращения инструмента до 35...45 м/с; - увеличением скоростей проскальзывания (резания) поверх ности шарика относительно инструмента за счет притормаживания их рабочей средой (СОЖ) и путем дополнительного их вращения под действием инерционных (гироскопических) моментов и инерционным течением жидкости в зоне контакта шарика с кругом, увлекаемой шлифовальным кругом во вращательное движение; - исключением влияния на обработку внешних колебаний; - контролем параметров шарика непосредственно в процессе обработки по принципу расходного сопла, замером давления СОЖ во внутренней полости втулки; - автоматическим обеспечением оптимальных условий обработки.
Кроме того, к достоинствам предлагаемого оборудования следует отнести повышение культуры производства и снижение шума станков. Экспериментальные исследования показали, что при шлифовании шариков новым способом за 15 минут полностью снимается припуск на операции "твердого" шлифования, а геометрические параметры соответствуют значениям, необходимым для этой операции. Расчет экономической эффективности с учетом повышения в 1,9 раза производительности процесса шлифования шариков диаметром 25,4 мм выполнен из условия одновременного нахождения в рабочей зоне 200 шариков. Ожидаемый экономический эффект от внедрения нового способа шлифования шариков и станка для его реализации составит 6719 рублей в год на один станок. Технико-экономические показатели нового и традиционного способа шлифования шариков на станках модели МШ-ЗЗМ приведены в табл. 5.1. I. Разработаны конструкции устройств автоматического управления процессом шлифования шариков в потоке среды под давлением, обеспечивающих поддержание оптимальных режимных пара метров процесса обработки и управление переориентацией шариков в рабочей зоне, что не только способствует повышению интенсивности съема припуска и уменьшению разноразмерности шариков, но и улучшает их точностные параметры. 2. С учетом требований массового производства шариков предложен ряд конструктивных схем станков, реализующих новый процесс шлифования, обеспечивающих автоматическую загрузку и выгрузку шариков и последовательную их обработку всеми канав ками шлифовального круга, что выравнивает условия обработки всех шариков. 3, Экономическая эффективность от внедрения результатов работы на заводах подшипниковой промышленности по данным Ви тебского СКБ ЗШ и ЗС составит около 7 тыс. рублей в год на один станок. 1. Разработан и исследован новый способ формирования сферической поверхности шариков при вращении их вокруг центра масс в потоке среды под давлением во взвешенном состоянии, что повышает эксплуатационные показатели шариков.
Установлены основные закономерности процесса шлифования шариков новым способом. Разработаны рекомендации по выбору основных технологических параметров процесса. 2. Численные исследования полученных дифференциальных уравнений движения шариков в рабочей зоне, проведенные с помощью ЭМ, дали возможность исследовать интенсивность съема припуска в процессе обработки шариков традиционным и различных вариантов предложенного способами. Установлено, что интенсивность съема припуска для процесса шлифования шариков в потоке сжатого воздуха по сравнению с традиционным методом шлифования (например, на станках модели МШ-ЗЗМ) выше в 1,2...1,5 раза. При этом также повышается на 20...50% геометрическая точность шариков за счет их переориентации непосредственно в рабочей зоне. 3. Раскрыты особенности контактного взаимодействия шарика со шлифовальным кругом в условиях воздействия на него обильно го потока жидкости (СОЖ). Установлено, что в этом случае уве личение съема припуска обеспечивается наличием дополнительных касательных сил; одна из них, вызванная течением жидкости че рез зону высокого контактного давления, стремится замедлить вращение шарика и увеличивает его проскальзывание относительно инструмента; другая - вызванная инерционным течением жидкости, стремится развернуть шарик вокруг оси Z . На основе гидроди намических расчетов получено выражение этой силы, позволяющее установить влияние основных конструктивных и технологических факторов процесса на точностные параметры обработки.
