Исследование процесса шлифования дорожки качения приборных подшипников Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Механика и машиностроение

УДК621.923

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ ДОРОЖКИ КАЧЕНИЯ ПРИБОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ

© 2011 Н.В. Носов1

В.А Родионов1, А.А Широнин1, А.И.Зинковский2, Р.Г.Гришин1, О.В. Родионова1

1 Самарский государственный технический университет 2Завод приборных подшипников («ООО ЗПП»), г Самара

Поступила в редакцию 10.11.2011

Технологический процесс изготовления дорожки качения на внутренних и наружных кольцах подшипников включает два принципиальных решения. Первое базируется на трех операциях: шлифование, суперфиниш и полирование, второе на двух: шлифование и полирование. Наибольшие проблемы были выявлены при обработке внутренних колец подшипников по второму варианту.

На рис. 1 показаны поверхности дорожек качения и базовых поверхностей окончательно обработанных колец подшипников. Из приведенных данных видно, что базовая поверхность в бинарном изображении не имеет дефектов, и шероховатость поверхности соответствует уровню Rа = 0.05-0.07 мкм (что соответствует техническим условиям).

Отсюда следует вывод, что технологический процесс обработки базовых поверхностей обеспечивает требуемое качество. При исследовании дорожки качения на поверхности были обнаружены дефекты (риски) в радиальном направлении, которые, по нашему мнению, получены после операции полирования. На операции контроля, как правило, не бракуются кольца по этим дефектам. В основном дефекты встречаются на кромках виде рисок и точек. Шероховатость дорожки качения в этом случае, имеет большой разброс и колеблется от Rа 0.02 мкм до 0.07 мкм. Таким образом установлено, что операция полирования не обеспечивает стабильности и требуемого качества поверхности.

б

а

Рис.1.Бинарное изображение базовой поверхности и дорожки качения внутреннего кольцам подшипника: а- поверхность борта, б- поверхность дорожки качения.

Качество поверхности исследовалось по следующим параметрам: гранность, шероховатость, отклонение от круглости и отклонение по профилю поверхности дорожки качения.

Исследовались геометрические параметры дорожки качения колец на приборах «Talyrond 73» и «Talysurf 30» (отклонение от круглости, гранность, волнистость, шероховатость профиля поверхности и отклонение от профиля дорожки качения), а также качество поверхности на оптико-электронном приборе (дефекты поверхности и параметры автокорреляционной функции) в зависимости от режимов и условий обработки.

Наличие дефектов после окончательной обработки исследовалось оптико-электронным методом, при обработке видеоизображения в бинарном поле с увеличением 3х3 и 5х5. Для «мелких» колец

использовалось изображение 5х5. Исследование показали, что дефекты встречаются у 95% колец обработанных на шлифовальных станках Bryant 1M. Дефекты расположены по кромкам составляют 30-40% в виде глубоких рисок направленных поперек дорожке качения. Риски, как правило, разнонаправленные, что говорит о случайном процессе их образования. По-видимому, это связано с тем, что масляная СОЖ, попадающая в зону обработки, насыщена мелкими осколками абразивных зерен, полученные после правки, а так же сгустками стружки. Кроме этого на поверхности остаются крупные следы (наколы) от контактного взаимодействия абразивных зерен с обрабатываемой поверхностью. При шлифовании частицы абразивных зерен после правки и шлама (стружки) не успевают осаждаться в отстойниках, так как масло обладает повышенной

1161

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

вязкостью. Из 30 колец, которые были исследованы, на 27 обнаружены дефекты (90%).

Исследование базовых поверхностей и дорожки качения показало, что дефектов на базовых поверхностях нет, а геометрические параметры соответствуют техническим условиям изготовления данных поверхностей (отклонение от круглости, шероховатость), следовательно, технологический процесс, применяемый на заводе, обеспечивает требуемое качество. В тоже время, дорожка качения имеет большие разбросы по дефектам поверхности, как по глубине, так и по протяженности.

Появление дефектов при шлифовании колец с масляной СОЖ связано с неудовлетворительным процессом очистки СОЖ. Для повышения качества СОЖ (степени очистки) было проведены исследования процесса шлифования колец подшипников в среде водных СОЖ. Для этого было спроектирована и изготовлена модельная осадительнофильтровальная установка по очистке водной СОЖ. В качестве критериев эффективности очистки СОЖ от механических примесей в соответствии с ГОСТ Р 50558 использовались следующие: остаточная концентрация механических примесей в СОЖ Со, мг/л; степень очистки е, позволяющая оценить относительное удаление частиц механических примесей из СОЖ 8=1—С/С ; средний размер частиц механических примесей в СОЖ до очистки и после очистки d . СОЖ изготавливалась на основе эмульсии

АРС-21М: раствор включал 3% компонентов, дистиллированную воду, очистка трехступенчатая, расход СОЖ составлял 20-30 л/мин. В процессе исследования было обработано 150 колец. В результате испытаний установлено: в состав водной

СОЖ входят абразивные частицы (цельные зерна, выкрашивающиеся во время правки, и осколки зерен); металлическая микростружка и комки из нее; фрагменты стружки. Концентрация частиц механических примесей на входе в модельную установку очистки соответствовала 600-800 мг/дм3, что соответствует достаточно интенсивному процессу шлифования. Концентрация частиц механических примесей в очищенной СОЖ не превышала 50-60 мг/дм3. Величина степени очистки при испытаниях составила е = 0,91-0,92. Размер (диаметр) dH средней эквивалентной частицы механических примесей оседающей со скоростью реальной частицы, до очистки СОЖ составлял 45-50 мкм. Размер (диаметр) da средней частицы после очистки составлял 10-15 мкм. Остаточная концентрация жидкостных примесей в СОЖ в результате эксплуатации не превышала 1 %.

Исследования показали, что после шлифования колец с водной СОЖ, количество дефектов на дорожке качения уменьшилось и составило 10-15 %. Дефекты, по своей форме и конфигурации, аналогичны дефектам полученным при шлифовании масляной СОЖ, однако их глубина значительно меньше и встречаются у меньшего количества колец.

Проведены сравненные исследования параметров качества поверхности при различных составах СОЖ - масляных и водных (см. рис. 2).

Исследование геометрических параметров поверхности: отклонения от круглости, гранность и волнистость практически не зависят от состава СОЖ, т.к. связаны с автоколебаниями технологической системы - станок, приспособление, инструмент.

Рис. 2. Сравнение результатов исследование: а- отклонения от профиля, б- шероховатости поверхности при шлифовании дорожки качения за период между правками.

1162

Механика и машиностроение

♦ СОЖ Масляная X СОЖ водоэмулс — — гранность по тех.проц.

т, мин

1,6

1,4

1,2

1

| 0,8 0,6 0,4 0,2 0

02468 ♦ СОЖ Масляная т, мин

X СОЖ водоэмулс.

— волнистость по тех пр.

а б

Рис. 3. Сравнение результатов исследования: а- гранности, б- волнистости при шлифовании дорожки качения за период между правками.

В тоже время, отклонение от профиля уменьшилось с 1.8-2.5 мкм до 1.2-1.3 мкм (см. рис.2). Это связано с тем, что при шлифовании профиля желоба водными растворами СОЖ, повысилась эффективность работы абразивного зерна за счет увеличения толщины снимаемого единичным зерном слоя. Увеличение шероховатости поверхности с Ra = 0.06-0.07 мкм до Ra = 0.08-0.1 мкм при обработке водными СОЖ связано также с повышение работы резания. Установлено, что в процессе шлифования с водной СОЖ на базовой поверхности колец, которые примыкают к жестким башмакам, появились риски и царапины от действия микростружки, налипшей на поверхности башмаков. Стружка удерживается в зоне контакта магнитными силами, поэтому, чтобы ее убрать, необходимо изменить схему подачи СОЖ и ее расход.

При шлифовании большое влияние на величину Ra оказывала правка абразивного инструмента. На рис. 4 показаны результаты исследования влияния процесса правки на величину шероховатости поверхности. Установлено, что в начальный период шлифования, после правки, на поверхности дорожки качения, при обработке с масляной СОЖ, формируется шероховатость с Ra= 0.12- 0.15 мкм (от 1 до 5 кольца), а затем величина Ra стабилизируется до величины Ra= 0.06 мкм. Период правки составляет 20 колец. Установлено, что шероховатость поверхности колец после обработки с водной СОЖ повышается до Ra= 0.08 мкм. При этом шероховатость изменяется за период правки незначительно, что го ворит о большей стабильности процесса и о равномерном износе рабочей поверхности инструмента.

Выводы и рекомендации.

Процесс шлифования необходимо переводить на обработку с водными СОЖ при этом подавать в

зону обработки СОЖ с расходом 32-35 л/мин. Желательно иметь дополнительны отвод с подачей

10 20 ■Х среднее

- max • min

— шероховатость max

0

кольцо

Рис. 4. Влияние правки абразивного инструмента на шероховатость поверхности дорожки качения внутреннего кольца подшипника.

СОЖ на твердосплавные башмаки, для удаления намагниченных частиц обработанного материала. В ряде случаев необходимо переходить на пере-

1163

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

менный ток в магнитных патронах. Это приведет к тому, что намазывание материала на башмаки прекратится. Применение водной СОЖ позволит увеличить точность профиля дорожки качения подшипника. При этом шероховатость поверхности будет на нижнем пределе поля допуска.

2. Установлено, что полирование дорожки качения не улучшает параметры профиля, а шероховатость поверхности имеет большой разброс.

Положительно операция полирования влияетна отклонение от круглости, гранность и волнистость, т.к. при такой схеме шлифования инструмент имеет большую длину контакта. Мы считаем, что необходимо полировать наружную дорожку качения притирами, а не ниткой или отказаться от этой операции, введя при шлифовании выхаживание.

3. Осадительно-фильтровальная схема зарекомендовала себя работоспособной. Отмечена при условиях испытаний степень очистки е = 0,91-0,92, остаточная концентрация частиц механических примесей в СОЖ не превышала 100 мг/дм3, средний размер частиц после очистки не превышал 25 мкм.

4. При дальнейшем проведении работ на этапе опытно-промышленных испытаний целесообразно использовать пилотную установку очистки СОЖ на основе двух тонкослойных осадителей, магнитного сепаратора и флотатора. Такая схема системы позволит обеспечить высокое качество шлифованных поверхностей, уменьшить процент брака до 3-5 %. Установка должна обеспечивать механизированное удаление шлама из механических и жидкостных примесей.

THE STUDY OF THE GRINDING PROCESS OF THE RACEWAYS OF INSTRUMENTAL BEARINGS

© 2011 N.V. Nosov1, V.A.Rodionov1, A.A. Shironin1, A.I.Zinovskij2, R.G.Grishin1, O.V.Rodionova1

'Samara State Technical University 2«Trade House of Miniature Bearings Factory» Ltd

1164