Исследование, разработка оборудования и освоение технологии холодной раскатки подшипниковых колец тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.05, кандидат технических наук Кишкин, Иван Васильевич

• Кишкин, Иван Васильевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кишкин, Иван Васильевич

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение

1. Литературный обзор

1.1 о Влияние холодной пластической деформации на свойства

подшипниковой стали

1„2»Анализ известных решений раскатки подшипниковых колец

в холодном состоянии

2 о Напряженное состояние металла при холодной открытой

раскатке колец

2„1 о Исследование напряжений поляризационно-оптическим

методом

2.2 о Оценка напряжений методом линий скольжения

2„3„Расчет напряжений при раскатке колец с активным

контролем наружного диаметра

Зо Экспериментальное исследование деформированного

состояния металла подшипниковых колец

3 о 1 о Упрочнение металла при холодной раскатке

3„2 о Исследование деформаций металла методом координатной

сетки

3 о 3.Исследование остаточных напряжений в раскатанных

кольцах ,

3.4„Оценка деформируемости металла ШХ15 при раскатке„

4„ Разработка технологических параметров процесса

4 о 1 о Влияние исходной структуры заготовок на

деформируемость металла

4.2.Геометрические размеры и тип заготовок.

Точность изделий ,

4„3„Оценка эффективности раскатки

4 о 4.Определение скорости раскатки из теплового баланса

деформации „ _

5. Оборудование станов кольцевой раскатки» Режимы деформирования о Конструктивные решения, их выбор

и анализ

5.1 о Энергосиловые параметры раскатки колец. Опытные и

расчетные значения

5.2.Разработка методики расчета режимов деформирования металла

5.3.Анализ и выбор режимов деформирования металла.

Влияние жесткости рабочей клети на раскатку

5.4.Механизмы зоны раскатки. Кинематика. Схемы, расчет.,

5.5.Конструктивные решения станов кольцевой раскатки. Кинематика механизмов. Критерии проектирования

Литература

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование, разработка оборудования и освоение технологии холодной раскатки подшипниковых колец»

ВВЕДЕНИЕ

Эксплуатационные показатели большинства машин и механизмов станков, автомобилей, железнодорожного подвижного состава, авиационных двигателей, прокатных станов в значительной степени зависят от точности, долговечности и надежности подшипников качения - одного из важнейших и наиболее распространенных элементов этих устройств.

Наиболее металлоемкими и трудоемкими деталями

подшипникостроения являются кольца. На их изготовление расходуется около 70% металла и 73% трудовых ресурсов. Существенный эффект дает рациональная схема их изготовления. На ГПЗ, в кузнечных цехах, получает широкое развитие производство кольцевых заготовок методом прокатки с формированием профиля поперечного сечения кольца в горячем и холодном состояниях.

Большой вклад в развитие теории и практики прокатки колец в горячем состоянии внесли А.И.Целиков, В.В.Смирнов, Л.В.Черневский, М.Я.Бровман, А.Д.Томленов, Г„А.Остроушкин и др.

Структура материала заготовок, направление волокон вдоль конфигурации рабочих поверхностей играют существенную роль в повышении контактной прочности элементов подшипников. Эти свойства заготовки получают при холодной пластической деформации раскатке. Холодная раскатка колец развивается в двух направлениях" точная с получением профиля изделия перед закалкой и черновая с последующей механической обработкой и закалкой. Первый способ получил развитие в зарубежной практике, по второму способу на ряде отечественных подшипниковых заводов внедрены открытая тангенциальная и торцевая раскатки колец. Большой вклад в разработку этих методов внесли ученые и практики Богоявленский К.Н., Лапин В.В., Половцев Е.И., Шапошников Д.Ф. Как отмечается в работе [1] холодная прокатка колец подшипников позволяет повысить использование металла с 50 до 70-75%. Однако решающего прорыва ее нет из-за недостаточности изученности процесса.

Отсутствуют:

• аналитическое описание и экспериментальное исследование силовых условий деформирования металла;

• методика расчета режимов раскатки колец;

• критерии выбора заготовок под холодную раскатку;

• оценка деформированного состояния и эффективности процесса.

Работа посвящена экспериментальному и промышленному исследованию, разработке технологии и оборудования холодной открытой тангенциальной раскатке подшипниковых колец [2].

В работе ставились и решались следующие задачи:

■ аналитическое описание и экспериментальное исследование силовых условий деформирования металла;

■ разработка методики расчета режимов раскатки колец;

■ разработка критериев выбора заготовок под холодную раскатку;

■ оценка деформированного состояния и эффективности процесса;

И выполнение опытно-конструкторских работ по отработке

оборудования стана прокатки колец;

Ш расчеты кинематики, профилировки рабочего инструмента и оценка конструктивных решений узлов стана;

■ разработка критериев проектирования оборудования кольцепрокатных станов и технических решений.

На защиту выносятся основные материалы теоретических и конструкторских разработок, результаты экспериментальных исследований. А именно:

1. Анализ напряженного состояния металла кольца при раскатке с учетом действия внешних сил, методика определения этих сил и коэффициента напряженного состояния металла контактной зоны, а также основных энергосиловых параметров процесса.

2. Экспериментальное исследование деформированного состояния с оценкой коэффициентов неравномерного упрочнения металла подшипниковых колец. Влияние неравномерности деформации на механические свойства материала и остаточные напряжения раскатываемых колец.

3. Критерии выбора заготовок по геометрическим размерам и структуре металла для достижения степеней увеличения диаметра

в пределах 50-60%, обеспечивающих высокую конечную контактную прочность изделий. Оценка эффективности раскатки вследствие высокой точности геометрических размеров изготавливаемых полуфабрикатов и приближением их формы к профилю чистовых колец.

4. Разработка математической модели расчета режимов деформирования металла по стадиям процесса раскатки с учетом характеристики оборудования и точности изготавливаемых колец. Режимы деформирования определяются скоростями прокатки и радиального перемещения рабочего валка. Анализ режимов деформирования позволил оценить влияние на процесс раскатки таких параметров как модуль жесткости клети стана, скорость перемещения подвижного упора, номинальное усилие стана. Модель позволяет рассчитать настройку механизмов, время раскатки и производительность стана.

5. Материалы опытно-конструкторских работ по отработке оборудования стана прокатки колец СПК-1 и кинематическая схема стана. Расчеты кинематики механизмов зоны раскатки, профилировки кулачка упорного ролика кольцепрокатных станов.

6. Основные требования и критерии проектирования оборудования кольцепрокатных станов, их реализация в конструктивных решениях узлов стана СПК-2 50, кинематическая схема стана.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Кишкин, Иван Васильевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Определены силовые параметры рабочих узлов кольцепрокатных станов, дана оценка скорости прокатки. Разработана и реализована на ПК математическая модель расчета режимов деформирования металла с учетом характеристики оборудования (жесткости рабочей клети, скорости подвижного упора, номинального усилия), и точности изготовляемых колец. Модель позволяет определить настройку механизмов зоны раскатки, рассчитать время раскатки и производительность стана.

2. Экспериментальными исследованиями показано, что раскатка наружных и внутренних подшипниковых колец происходит устойчиво при степенях увеличения диаметра до 60-65% и структуре зернистого перлита стали ШХ15. Уровень пластических свойств материала колец даже при предельных деформациях высокий (8 >7+8 %, Ч* > 34+36 %) и достаточный, чтобы не происходило разрушения металла. При структуре пластинчатого перлита разрушение металла происходит при степенях увеличения диаметра е = 5-10%, и такая структура ШХ15 не должна применяться при прокатке колец.

3. Упрочнение металла по сечению колец неравномерное: максимальное в средних слоях желоба и буртов с образованием линзы равной прочности. С ростом степени увеличения диаметра коэффициент неравномерности упрочнения уменьшается: для наружных колец соответственно с 1,4 4+1,4 5 до 1,25-4-1,27, для внутренних - с 1,3+1,32 до 1,24+1,25. Кроме того, происходит смещение линз максимальной прочности к поверхности рабочего профиля кольца.

4. При раскатке относительная разностенность заготовок уменьшается в 8-10 раз, что позволяет получать стабильные размеры колец из заготовок горячекатаных труб по ГОСТ 801-78 и поковок по ГОСТ 7505-74. Материалы статистической обработки опытных партий и серийной технологии показали, что предельные отклонения толщины стенки, конусность и овальность раскатанных колец укладываются в поле допуска на механическую обточку

заготовок (0,2н-0,25 мм). Коэффициент использования металла увеличивается в сравнении с горячей раскаткой с 0,5 6^0,67 до 0,75^-0,85.

5. Проведена отладка и испытания оборудования опытного образца кольцепрокатного стана для изготовления колец диаметром до 250 мм. Прокатаны опытные партии, выданы рекомендации по освоению оборудования и технологии у заказчика.

6. Проведен анализ кинематики механизмов зоны раскатки и рассчитана профилировка кулачка упорного ролика стана. Дана оценка жесткости отдельных узлов и в целом рабочей клети, даны конструктивные решения по увеличению показателей жесткости. Разработаны критерии проектирования оборудования кольцепрокатных станов холодной раскатки.

7. Предложены конструктивные решения (на уровне эскизного проекта) стана раскатки колец диаметром до 250 мм, выполненные на основе предложенных в диссертационной работе критериев.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кишкин, Иван Васильевич, 1998 год

Литература.

I. Eberlein Ludwig и др. Meßwerterfassing und verarveitung beim kaltwazen von walzlagerringen. ГДР. Umformtechmik №2 19852. Лившиц Б.А. и др. Стан для открытой раскатки колец

A.c. №893353 В21. Н1/12.

3. Перель Л. Я. Подшипники качения Справочник М.: Машиностроение 1983.

4. Спектор А.Г. и др. Структура и свойства подшипниковых сталей М.: Металлургия 1980.

5. YukiS и др. Tetsu to hagane, 1966, V.52. №4 p.747-750.

6. Jajinta E и др. Jap. Just Mot, 1974, 15. №3 p.173 - 179.

7. Бернштейн M. JI. Термомеханическая обработка сталей т. 2 М.: Металлургия 1986.

8. Ковка и штамповка. Справочник т.2.Под редакцией Семенова Е.И. М.: Машиностроение 1986.

9. Патенты Великобритании №1415777 - 1475780, 1378508, 1329151.

10. Панасенков И.О. и др. Способ изготовления профильных колец А.с 1212666.

II. Шапошников Д.Ф., Половцев Е.И., Кишкин И. В. Разработка и внедрение открытой холодной раскатки подшипниковых колец . Сб.Подшипниковая промышленность, № 5, НИИНАвтопром , 1985.

12. Патенты Германии №235577, 235576 МКИ В21 Н1/06.

13. Р.Ж. Прокатное производство №5, 1991 и №3, 1995.

14. Баринов Б.Н. и др. A.c. №574258, №956111 В21 Н1/12.

15. Остроушкин Г. П. и др. Прогрессивные способы раскатки, заготовок колец подшипников М.: НИИНАвтопром 1978.

16. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов

М.: Металлургия 1972. П.Воронцов В.К., Полухин П.И. Фотопластичность М. :

Металлургия 1977.

18.Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах М.: Металлургиздат 1962.

19. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов М.: Наука 1986.

20. Биргер А. И. и др. Расчеты на прочность и устойчивость Справочник М.: Машиностроение 1965.

21.Кишкин И. В. и др. Определение смещения колец при холодной раскатке Сб. трудов ВНИИП, №15, 1986.

22.Зубцов М.Е. Листовая штамповка Л.: Машиностроение 1980.

23.Бровман М.Я. Применение теории пластичности в прокатке. М.:Металлургия 1991.

24. Чиченов H.A. и др. Методы исследования процессов обработки металлов давлением М.: Металлургия 1977.

25.Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений М.: Наука 1970.

26. Половцев Е.И., Кишкин И.В., Вергизов A.M. Неравномерность деформации при холодной раскатке подшипниковых колец Сб. Подшипниковая промышленность №3 М.: НИИНАавтопром 1986.

27. Смирнов - Аляев Г. А. Механические основы пластической обработки металлов Л.: Машиностроение 1968.

28. Громов Н.П. Теория обработки металлов давлением М. : Металлургия 1967.

29. Биргер И.А. Остаточные напряжения М.: Машгиз 1963.

30. Колмогоров В.Л. Напряжения. Деформации. Разрушение. М.: Металлургия 1970.

31.Шевакин Ю.Ф. Калибровка и усилия при холодной прокатке труб М. : ГНТИ 1963.

32. Разработка технологии, исследование процесса и освоение оборудования холодной раскатки подшипниковых колец. Отчет НИР, 1982 УДК 621774, №гос. per. 01.83.0011425.

33.Совершенствование технологии холодной раскатки подшипниковых колец и освоение вновь создаваемого оборудования. Отчет НИР, 1984 УДК 621774, № гос.' per. 01.83.0011425.

34. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике М.: Наука 1977.

35. Вентцель Е.С. Теория вероятностей М.: Наука 1964.

36. Третьяков А. В. Теория, расчет и исследования станов холодной прокатки М.: Металлургия 1966.

37. Финагин П.М. и др. А.с. №1159700 В21 Н1/06.

38.Целиков А.И. и др. Теория продольной прокатки М. : Металлургия 1980.

39. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. Справочник. М.: Металлургия 1973.

40. Разработка технологии, освоение и совершенствование оборудования раскатки подшипниковых колец диаметром свыше 200 мм. Отчет НИР, 1985, УДК 621771.29 № гос. per. 01.85.0029537.

41.Кишкин И. В. Расчет и анализ режимов деформации холодной раскатки подшипниковых колец. В сб.Теория и технология процессов пластической деформации. Труды н.-т.конференции. М.:МИСиС 1997.

42. Кишкин И.В., Наумов С.А., Половцев Е.И. Оборудование станов холодной раскатки подшипниковых колец. В сб.Теория и технология

процессов пластической деформации. Труды н.-т.конференции. М.:МИСиС 1997.

43.Целиков А. И. и др. Машины и агрегаты металлургических заводов Т.З М.: Металлургия 1981.

44. Кузнечно - штамповочное оборудование. Под ред. Банкетова А.Н. и Ланского E.H. М.: Машиностроение 1982.

45. Королев A.A. Механическое оборудование прокатных и трубных цехов М.: Металлургия 1987.