Разработка и исследование упрочняющей технологии шариковой раскатки дорожек качения шариковых подшипников тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат наук Нейгебауэр Кристина Сергеевна

• Нейгебауэр Кристина Сергеевна
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Нейгебауэр Кристина Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ

1.ГЛАВА 1 .СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ РАСКАТКОЙ

1.1 Критический анализ современных способов формообразования рабочих поверхностей раскаткой

1.2 Исследование существующих технологий изготовления кольцевых

заготовок

1.3 Задачи исследования

2. ГЛАВА 2 . МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА ШАРИКОВОЙ РАСКАТКИ

ДОРОЖЕК КАЧЕНИЯ ШАРИКОВЫХ ПОДШИПНИКОВ

2.1 Кинематическая схема процесса раскатки

2.2 Механизм распределения внешней нагрузки между шариками

2.3 Разработка технологии процесса шариковой раскатки

2.4 Выводы

3. ГЛАВА 3 .МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Объекты, средства и условия проведения экспериментальных

исследований

3.2 Методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных и методика планирования экспериментов и обработка результатов

.3.3 Выводы

4. ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Исследование параметров рабочих поверхностей, получаемых при раскатке после операции шлифования

4.2 Исследование показателей микротвердости,шероховатости рабочих поверхностей, полученных при раскатке

Выводы

5. ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

5.1 Область практического применения предложенной технологии

5.2 Описание конструкции экспериментальной установки

5.3 Экономическая эффективность практического использования результатов исследований

5.4 Вывод

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование упрочняющей технологии шариковой раскатки дорожек качения шариковых подшипников»

ВЕДЕНИЕ

Известно, что надежность и долговечность работы механизмов и машин в значительной степени зависит от физико-механических и геометрических характеристик поверхности и поверхностного слоя рабочих поверхностей деталей. Более 80% деталей машин и приборов выходят из строя по причине износа этих поверхностей. Отсюда вытекает требование к обеспечению высокого качества изготовления деталей, которое во многом

зависит от технологии их механической обработки. Кроме того, при применении прогрессивных технологических процессов следует стремиться к повышению производительности обработки и экономии металлов.

Среди методов механической обработки деталей особое место занимает обработка методами поверхностной пластической деформации. Одним из важнейших преимуществ методов пластической деформации по сравнению с методами, основанными на резании металла, является обеспечение повышенной твердости, однородности микроструктуры и оптимальной текстуры прилегающих к поверхности слоев материала. Повышенная твердость поверхностного слоя и благоприятная текстура металла способствует повышению износостойкости, усталостной прочности детали и в ряде случаев устраняет необходимость последующей термообработки. Однородность микроструктуры способствует повышению надежности изделий. Методы пластической деформации стабилизируют параметры поверхностного слоя и разброс по долговечности снижается.

В процессе обработки методами пластической деформации улучшается микрогеометрия поверхности. Шаг микронеровностей возрастает, увеличивается радиус округления их вершин, что повышает несущую способность поверхности, улучшает прирабатываемость поверхности. снижает износ.

К преимуществам методов пластической деформации также относятся высокая производительность, отсутствие отходов металл, уменьшение расходов на инструмент, экономия энергии, высокая точность, отсутствие вредных воздействий на окружающую среду, простота и низкая стоимость оборудования, простота его обслуживания. Все это обеспечивает широкое применение методов обработки деталей пластическим деформированием.

Исследованию процесса изготовления деталей подшипников качения методами пластической деформации посвящено множество работ

отечественных и зарубежных авторов. К числу их относятся Н.П. Агеев, В.М. Аслибеков, К.Н. Богоявленский, Н.М. Елкин, Т.Н. Иванов, А.А Игнатьев, А.А.Королёв, А.В. Королев, В.В. Лапин, В.А. Огородников, Е.М Самойлов, S. Mathias, G A. Jaffe, А. F. Beck, A. Steinmeyer, Z. Pater, J. Tomczak, T. Bulzak, P. Menezes, C. Reeves, S. Kailas, M. Lovell и др. В этих работах подробно рассмотрен механизм процесса пластического деформирования деталей, предложены эффективные технологии изготовления деталей методами пластической деформации. Однако в связи со спецификой деталей подшипников: низкая жесткость, кривизна рабочей поверхности, высокая потребная точность, малопластичный материал и другие, методы холодной пластической деформации, в том числе дорожек колец шариковых подшипников, не получили широкого применения при их производстве

Поэтому тема данной работы, направленная на разработку и исследование упрочняющей стабилизирующей технологии шариковой раскатки дорожек качения шарикоподшипников, является актуальной.

Целью работы является разработка и исследование упрочняющей технологии шариковой раскатки дорожек качения шариковых подшипников, позволяющей снизить трудоемкость изготовления деталей и повысить их качество.

Научная новизна работы : 1.Установлены закономерности распределения в процессе раскатки внешней комбинированной нагрузки между шариками, что позволяет целенаправленно совершенствовать процесс шариковой раскатки. Показан сложный нелинейный характер взаимовлияния составляющих внешней нагрузки на распределение ее между шариками. Предложена оригинальная математическая модель, устанавливающая степень влияния составляющих внешней нагрузки, числа шариков, упругих свойств материалов и угла

контакта шариков с дорожкой качения на максимальную нагрузку на шарики, а также выявлена зависимость колебания нагрузки на шарики в процессе раскатки от числа шариков.

2. Научно обоснован способ шариковой раскатки дорожек качения упорно-радиальных подшипников шариковой раскаткой с образованием локальных дорожек качения, обеспечивающий значительное снижение контактных напряжений между дорожками и телами качения, повышение статической грузоподъемности подшипника и снижения его чувствительности к ударам. Построена расчетная схема для определения потребной внешней нагрузки на подшипник в процессе раскатки, геометрии контакта, контактных напряжений и статической грузоподъемности подшипника.

3. Установлена и формализована зависимость основных показателей процесса шариковой раскатки, таких как момент сопротивления вращению подшипника, статической грузоподъемности подшипника, твердости поверхности дорожки качения, расстояния дна дорожки качения до базовой торцовой поверхности, от основных технологических факторов: внешней нагрузки, числа раскатных шариков и временем обработки. Показано влияние на показатели процесса шариковой раскатки исходного качества обработки дорожек качения подшипника. Полученные зависимости позволяют контролировать процесс раскатки и формировать заданные показатели качества подшипника.

4. Разработано методическое обеспечение для определения рациональных условий шариковой раскатки дорожек качения. Предложены рациональные условия шариковой раскатки дорожек качения подшипников 1118-2903840

Практическая ценность и реализация

• Разработана инновационная технология процесса обработки дорожек качения упорных подшипников способом шариковой раскатки, позволяющая существенно снизить трудоемкость изготовления и значительно повысить

качество шариковых подшипников - заявка на изобретение № 2014138386 от 23.09.2014г.

• Разработано технологическое оборудование для осуществления предложенного способа раскатки, обеспечивающее низкий срок окупаемости капитальных вложений;

Результаты работы приняты к внедрению на предприятиях ООО «Рефмашпром» г. Саратов и НПП НИМ СГТУ при производстве подшипников 1118-2902840, используемых в верхней опоре передней подвески автомобилей семейства ВАЗ: Калина, Приора и других.

Достигаемый эффект от раскатки дорожки качения колец

шарикоподшипников шариками заключается в следующем:

• Снижение контактных напряжений в шарикоподшипнике, так как

радиус локальных дорожки качения наружного и внутреннего колец, по которым катятся шарики в шарикоподшипнике, близок к радиусу шариков, а контактные напряжения распределены по поверхности контакта более

равномерно, чем в стандартном подшипнике.

• Снижение момента трения в подшипнике, так как размеры

площадки контакта ограничены размером поперечного сечения локальной

дорожки качения даже при больших внешних нагрузках.

• Снижение требований к точности предшествующих

технологических операций механической обработки колец

шарикоподшипника, так как процесс шариковой раскатки устраняет такие

волнистость, отклонение от круглости, шероховатость.

Все это обеспечивает повышение качества изготовления подшипников

и снижение затрат на их производство. Положения, выносимые на защиту:

1. Инновационная технология шариковой раскатки дорожек качения колец шариковых подшипников, обеспечивающая снижение затрат на изготовление и повышение эксплуатационных свойств.

2. Математическая модель распределения в процессе раскатки внешней

комбинированной нагрузки между шариками, устанавливающая степень влияния составляющих внешней нагрузки, числа шариков, упругих свойств материалов и угла контакта шариков с дорожкой качения на максимальную нагрузку на шарики, а также зависимость степени колебания нагрузки на шарики в процессе раскатки от числа шариков.

3. Расчетная схема для определения потребной внешней нагрузки на подшипник в процессе раскатки, геометрии контакта, контактных напряжений и статической грузоподъемности подшипника.

4. Регрессионная зависимость основных показателей процесса шариковой раскатки, таких как момент сопротивления вращению подшипника, статической грузоподъемности подшипника, твердости поверхности дорожки качения, расстояния дна дорожки качения до базовой торцовой поверхности, с основными технологическими факторами: внешней нагрузки, числом раскатных шариков и временем обработки. Показано влияние на показатели процесса шариковой раскатки исходного качества обработки дорожек качения подшипника.

5. Методическое обеспечение для определения рациональных условий шариковой раскатки дорожек качения упорных подшипников 1118-2903840: рабочая внешняя нагрузка Р=1000Н, число раскатных шариков 6 шт, время обработки t=20 сек.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается лабораторными исследованиями, выполненными с применением современных методов планирования экспериментов и обработки экспериментальных данных, а также показателями эффективности опытно-производственного применения разработанной технологии и практических рекомендаций.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 39 печатных работ, в том числе 7 статей в журнале, рекомендованном ВАК.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 24 научно-

8

технических международных конференциях, 2 всероссийских научно-технических конференциях. Основные положения работы докладывались на конференциях : «Перспективное развитие науки, техники и

технологии»,октябрь г.Курск2013г.; «Безопасность и проектирование конструкций в машиностроении и строительстве» г.Курск 2013 г.; «Современные материалы ,техника и технология»,декабрь г.Курск 2013г.; «Прогрессивные технологии и процессы»г.Курск, сентябрь 2014 г.; «Современные тенденции развития науки и производства» г. Кемерово, октябрь 2014, а также на 1 Всероссийская молодежная научной конференции «Современные биоинженерные и ядерно-физические технологии в медицине» г.Саратов октябрь 2014г; общероссийском конкурсе проектов Фонда содействия МП НТС в рамках программы «УМНИК-2014» Саратов 2014г; международная научно-практическая конференция «Современная наука: теоретический и практический взгляд» г. Уфа, 25 февраля2015 г.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы. Работа содержит 159 страниц машинописного текста, содержит 19 таблиц, 40 рисунков, 61 формулу, список литературы из 200 наименований.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

В ОБЛАСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ РАСКАТКОЙ

1.1 Критический анализ современных способов формообразования рабочих поверхностей раскаткой

В подшипниковой промышленности почти все кольца упорных подшипников характеризуются большим значением отношения размеров колец (в плане) к их высоте, что затрудняет получение их заготовок. В связи с этим велик объём механической обработки при их изготовлении. Количество таких колец довольно велико и возрастает; их изготовление требует большого расхода материальных и сырьевых ресурсов, а также дорогостоящего оборудования.

Действующие технологические процессы изготовления колец упорных подшипников предусматривают для получения дорожек качения на кольце токарные операции и несколько уступающие им по производительности операции шлифования и суперфиниширования. Необходимость операции шлифования дорожек качения колец подшипников вызваны необходимостью получения правильной их геометрии, удаления дефектного слоя, рисок, улучшения шероховатости после токарной обработки и термообработки. При термообработке и врезном точении дорожек из-за больших усилий и высоких температур в зоне резания происходит коробление заготовок, что приводит к нежелательным последствиям.

Кроме того, недостатки обработки резанием общеизвестны - это повышенный расход материала, дорогостоящее оборудование, загрязнение окружающей среды и т.п.

Классификация способов холодной объемной обработки металлов давлением приведена на рис.1.

Рисунок 1-Классификация технологических операций холодной объемной

обработки давлением

Раскатка - технологическая операция, в процессе которой поэтапное

формирование заготовки осуществляют вращающиеся и одновременно

сближающиеся валки

Раскатку применяют в основном для изготовления различного рода

колец и втулок с фланцами в подшипниковой, автомобильной и других

отраслях промышленности. Раскатка может быть радиальной (рис. 1.1,а) и

торцовой (рис. 1.1,б).

В случае радиальной раскатки основные нормальные напряжения,

определяющие деформирующую силу, действуют в площадках,

перпендикулярных радиусу. В связи с этим при радиальной раскатке режим и

точность процесса ограничиваются точностью внутреннего валка, диаметр

которого меньше диаметра заготовки. При радиальной раскатке силовые

параметры процесса можно уменьшить, осуществив деформацию не всего

сечения заготовки, а только ее части по длине или высоте.[1]

В случае торцовой раскатки основные нормальные напряжения,

определяющие деформирующую силу, действуют в площадках,

перпендикулярных оси заготовки. При этом размеры раскатных валков не лимитируются, следовательно, можно расширить возможности процесса раскатки, в частности, повысить точность размеров деталей до 9-11 квалитета (абсолютные колебания размеров не превышают ±0,02 мм). Холодной торцовой раскаткой можно получить детали сложной формы с толщиной элементов 1...3 мм из сталей 40Х, 12Х18Н10Т, ШХ15 и др.

Рисунок 1.1- Обработка раскаткой: а - радиальная, б - торцовая; 1 -раскатные валки; 2 -заготовка; 3 -ограничительная обойма

Для изготовления различных по типу заготовок могут быть реализованы схемы технологических процессов (рис. 1.3). Возможность применения указанных на рис. 1.3 схем определяется формой детали, штамповой оснасткой и оборудованием. Данные схемы наиболее широко освоены в подшипниковой, автотракторной и приборостроительной отраслях промышленности и применяются для изготовления различных деталей. Согласно этим схемам заготовку 2 устанавливают в зазор между вращающимся шпинделем 4 и обоймой 1, которая может быть неподвижной

(схема б). Ось деформирующего валка 3 расположена перпендикулярно оси заготовки. Валок 3 может вращаться и возвратно-поступательно перемещаться вдоль образующей заготовки в процессе деформирования. Для оформления внешнего фланца шпиндель 4 выполнен ступенчато. На рис. 1.2, (в) представлена схема деформирования с двумя вращающимися деформирующими валками, оси которых взаимно перпендикулярны. Для осуществления раскатки по этой схеме необходимо специальное оборудование. Особенностью этих схем является то, что деформирование

заготовки осуществляется боковой поверхностью валка.

На рис. 1.2, (г-ж) показаны схемы торцовой раскатки наклонными

валками. В этих случаях формирующей является торцовая поверхность валка.

На рис. 1.2, (ж) показана схема раскатки, обеспечивающей течение металла в

направлении оси заготовки для образования стенки штампуемой детали.

Кинематические условия течения металла при раскатке боковыми

поверхностями валков (см. рис. 1.2, а-в) и торцовой (см. рис. 1.2, г-ж)

различны. В первом случае окружные скорости деформирующего валка

одинаковы, а окружные скорости на торцовой поверхности переменны

(пропорциональны расстоянию от оси). Следовательно, только на

окружности какого-то одного радиуса окружные скорости валка и заготовки

одинаковы. Диаметр этой окружности на заготовке - диаметр окружности

зацепления. Окружные скорости частиц металла заготовки, расположенные

на контактной поверхности внутри окружности зацепления, меньше (зона

отставания), чем окружные скорости валка. Скорости частиц металла вне

окружности зацепления больше (зона опережения). Это обуславливает

проскальзывание валка относительно заготовки. Наличие проскальзывания

приводит к разогреву заготовки и повышенному износу валков. Диаметр

окружности зацепления определяется условиями трения, геометрическими

размерами заготовки и степенью обжатия. В начальный период процесса

раскатки, когда толщина стенки кольцевой заготовки невелика, диаметр

окружности зацепления близок к среднему. По мере увеличения деформации

13

диаметр окружности зацепления увеличивается. Окружность зацепления

является линией раздела между зонами опережения и отставания

.Определение зон опережения и отставания важно для установления

направления сил трения, силовых и энергетических параметров раскатки.

Раскатка торцовыми поверхностями наклонных валков (см. рис. 1.2, г-

ж) лишена указанного недостатка.

В случае, если торцовая поверхность наклонного валка является

конической с вершиной на оси заготовки, то окружные скорости частиц

металла на контактной поверхности заготовки и деформирующего валка

можно принять одинаковыми. Рассогласование этих скоростей может быть

вызвано лишь различием окружных скоростей наклонного валка и заготовки. Благодаря этому преимуществу отдают предпочтение именно торцовой

раскатке, однако в существующем на сегодняшний день оборудовании

используется, в большинстве случаев, схема раскатки цилиндрическими

валками.

Существующее оборудование для торцовой раскатки изготавливается на базе резьбонакатных станков ГД-8 усилием 350 кН. Создан раскатной полуавтомат типа МРБ-35 - раскатка приводным цилиндрическим валком с углом наклона валка приблизительно 10°. Вращение осуществляется от

шпиндельной головки, в которой закреплена заготовка для раскатки .

Созданы полуавтоматы с усилием деформирования 250 кН. Раскатка

осуществляется приводными цилиндрическими валками, как и в

модернизированном станке ГД-8. Производительность этих полуавтоматов в

зависимости от размеров и конфигурации изготовляемых деталей составляет

30...100 шт/ч. В табл. 1 и 2 приложения 1 приведены технические

характеристики полуавтоматов .[103]

Раскатка обкатыванием - технологическая операция, в процессе

которой поэтапное деформирование заготовки осуществляется рабочим

инструментом (пуансоном или матрицей), совершающим качательное и

поступательное перемещение по отношению к заготовке (рис. 1.3).

Рисунок 1.2- Схемы торцовой раскатки для изготовления деталей типа колец подшипников: 1 - ограничительная обойма; 2 - заготовка;

3 - раскатной валок; 4 - шпиндель

В настоящее время раскатку обкатыванием применяют для изготовления разнообразных полых и стержневых деталей с буртами или развитыми фланцами, деталей типа стаканов с внутренними буртами, раструбов с элементами разных диаметров, с переходными участками и др.

1 - пуансон; 2 - заготовка; 3 - матрица; V - скорость поступательного перемещения и частота вращения пуансона, С - угол наклона оси пуансона

На рис. 1.4 (а) показана схема обработки давлением при раскатке

обкатыванием, а на рис. 1.4(б) - размеры очага пластической деформации в

плане при раскатке обкатыванием.

Авторами [106] замечено, что при раскатке обкатыванием своеобразно

деформируются все заготовки, в том числе кольцевые (рис. 1.5, а-г).

С ростом степени деформации наружный диаметр увеличивается

сильнее, это объясняется тем, что область деформации (рис. 1.5, д) зажата

между двумя недеформируемыми зонами и материал может течь лишь в

радиальном направлении.

р,

с.

а) б)

Рисунок 1.4- Схема обработки давлением на сферодвижном устройстве: 1 - заготовка; 2 - матрица; 3 - пуансон; 4 - очаг деформации

При малой степени деформации верхний наружный диаметр увеличивается быстрее и сечение напоминает трапецию (рис. 1.6, а). При деформации 24...25% нижний наружный диаметр также начинает возрастать, а при 40-50% форма сечения кольца приближается к прямоугольному (рис. 1.5, б,в). При дальнейшем увеличении степени деформации нижний наружный диаметр быстро увеличивается, и форма сечения приближается к ромбическому (рис. 1.5, г). Аналогичные результаты получены в [139] и [123].

Технологические схемы раскатки кольцевых заготовок качающимся инструментом применяются в производстве. На установке для штамповки обкатыванием усилием 1 МН из исходной заготовки в горячем состоянии осадкой получают детали дисковых фрез диаметром до 120 мм и толщиной 3 мм из стали R6M5, степень деформации 90% [28]. А из кольцевых заготовок изготавливают медные фланцевые детали диаметром 145...182 мм (до200 мм) и толщиной 4...6 мм при общей высоте 14...26 мм на установке усилием 1600 кН; при изготовлении традиционным способом для получения подобных деталей, например, в закрытом штампе требуется применение чеканочного пресса усилием свыше 10МН [128].

Операции объёмной формовки и раскатки фланцев на заключительном

этапе протекают в закрытом штампе для обеспечения заполнения полостей

штампа. Этим способом возможно изготовление деталей зубчатых колёс,

зубчатых конических шестерён, элементов муфт с различными выступами

[62, 135] в холодном и полугорячем состоянии, что обеспечивает высокую

точность и чистоту поверхности.

В работе [85] предложен техпроцесс изготовления фланца полуоси

автомобиля в холодном состоянии на прессе усилием 1600 кН. Технология

предусматривает раскатку фланца после предварительной высадки его на

ГКМ. Диаметр фланца полуоси составляет 172 мм. Для осуществления

подобной операции традиционными способами необходимо оборудование

усилием более 12МН.

Процесс объёмного формообразования обкатыванием и раскатки

заготовок производится в закрытых штампах, поэтому конечная форма

изделия определяется формой полостей штамповой оснастки и к тому же

имеет место значительный выигрыш в усилии деформирования.

Авторами в [142] экспериментально выявлены характерные черты при

выдавливании качающимся коническим пуансоном металла в неподвижную

матрицу. Эксперименты проводились на стальных, медных и алюминиевых

кольцевых образцах с различным отношением высоты к диаметру.

Если при раскатке коническим пуансоном происходит его обкатывание

по торцовой поверхности детали (рис. 1.6, а) без относительного

проскальзывания, то при изготовлении более сложных деталей, имеющих

рельефную торцовую поверхность, условия относительного

непроскальзывания добиться сложно. На рис. 1.6 (б) видно, что в зоне точек

1-2-3 происходит процесс обратного выдавливания.

Штрих линия означает нейтральную плоскость, при обкатывании по

которой проскальзывания отсутствуют. Значит, в точках 1 и 2, лежащих на

этой плоскости, проскальзывание не происходит. Точки 2-3 расположены

выше и имеют значения Г1/Г2, поэтому при перемещении пуансона по

поверхности детали происходит их относительное сдвиговое смещение.

Наличие проскальзывания или сдвиг между инструментом и заготовкой

приводит к шелушению металла и к другим дефектам на поверхности детали Однако рассмотренный случай не означает, что осуществление

процесса обратного выдавливания методом штамповки обкатыванием не

имеет смысла. При определенных соотношениях размеров внутреннего

формируемого диаметра и высоты полости и наличии незначительных

штамповочных уклонов этому процессу присущи все преимущества раскатки

обкатыванием. Но увеличения точности размеров при такой схеме раскатки

(рис.1.6) добиться трудно.

Применительно к раскатке колец подшипников известно, что можно

достичь шероховатости раскатанной поверхности не ниже Rа= 0,08 - 0,32

мкм при высокой производительности. К тому же известно, что влияние

раскатки на структуру материала колец изменит характер возможного

коробления колец после термической обработки в лучшую сторону.

При раскатке обкатыванием уменьшаются (а могут быть и вообще

исключены) трудозатраты на последующую обработку резанием. При

раскатке обкатыванием расход металла сокращается до 40%, а общая

трудоёмкость технологического процесса уменьшается до 25-40% (в

зависимости от геометрической формы и размеров обрабатываемых деталей). Поэтому рациональное применение рассматриваемого метода

холодного давления (раскатки обкатыванием) для раскатки дорожек колец

а

б

Рисунок 1.6-Схема формообразования а - простой и б - сложной торцовой поверхности

должно значительно упростить технологический процесс их изготовления

при одновременном повышении качества выпускаемых подшипников.

Сравнивая такие преимущества холодной раскатки, как экономия

металла, материальных ресурсов, различных вспомогательных устройств,

можно сделать вывод об эффективности широкого использования методов

раскатки в различных условиях производства

1.2 Исследование существующих технологий изготовления кольцевых заготовок

В ходе работы при анализе литературы основное внимание уделялось предлагаемым методам расчета энергосиловых параметров процесса, характеру уплотнения материала колец подшипников в процессе раскатки, поведению раскатанных колец при термообработке, точности раскатки и оборудованию.

Из-за отсутствия рекомендаций по проведению необходимых расчетов

технологических переходов и инструментальной оснастки, а также для

количественной оценки параметров процесса и прогнозирования

возможности получения качественных деталей КТИ была разработана

методика технологических расчетов сферодвижной штамповки

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нейгебауэр Кристина Сергеевна, 2015 год

— + -

5 72,5 □ л -1,02 -8,67-10"6

585 =2053МПа

Таким образом, после раскатки максимальные контактные напряжения уменьшаются на 23%. Это большая величина, так как известно, что контактные напряжения в десятой степени оказывают влияние на долговечность подшипников. И поэтому долговечность подшипников может повыситься до 3 раз.

Но для автомобильных подшипников типа 1118-2902840, которые используются в верхней опоре передней подвески автомобилей Калина, Приора, Гранта, основную опасность при эксплуатации составляют удары. В интернете можно найти множество фотографий вышедших из строя подшипников со следами вмятин от шариков на дорожках качения. Таким образом, критической силой удара является такая, при которой на дорожках качения остаются следы пластической деформации от шариков. Эта величина пропорциональна статической грузоподъемности подшипника.

Фактически для подшипников, кольца которых подвергались шариковой раскатке, критической силой удара является сила, при которой нагрузка на наиболее нагруженный шарик равна аналогичной силе воздействия на шарик при раскатке. Под действием этой силы в течении нескольких первых оборотов осуществляется пластическая деформация дорожек качения, которая затем переходит в упругую деформацию и обеспечивает стабилизацию геометрических параметров подшипника.

Значение этой силы равно Ро. Тогда статическая грузоподъемность подшипника после раскатки равна:

с =-

и

Р 0 -2Р 6549 -46

1

2 • 2

cos а sm а

-+-

1

=52420

^27о sin2 7о Н.

-+-

0,137 0,726

Найдем силу, при которой начинается пластическая деформация дорожек качения, не подвергавшихся раскатке. Используя формулу (2.54) при

66

2

рР =0, найдем силу воздействия на наиболее нагруженный шарик, при котором начинается пластическая деформация дорожек качения в стандартном подшипнике:

^3

■ 6

2

р =а 0,873 ж -3,94 -0,406 -3500 -3 0 8,67 10-У 0 =3056 Н

□ 10 0,44 0 □ '

Тогда статическая грузоподъемность стандартного подшипника равна:

Р0с ^р 3056 -46

1

2 ■ 2

cos а sm а

-+-

т

г

т

а

1

= =24110 cos2 70 + sin2 7° Н.

0,137 0,726

Как видно из результатов расчета, подшипник после раскатки выдерживает более, чем на 100% большую силу удара, чем стандартный подшипник.

Определим влияние условий раскатки на статическую грузоподъемность подшипника. При указанных выше условиях шариковой раскатки примем: число раскатных шариков 2г =3, внешняя осевая нагрузка на подшипник рг =15°00 Н, угол нагружения а =7°.

Тогда максимальная нагрузка на шарики при раскатке равна:

Рг =

.Рг

л

2 2 Бт а соб а 15000

тг

тг

3 1

2 п ° соб 7

• 2 п ° Бт 7

0,137 0,726

=13410Н.

Приравнивая контактные напряжения напряжению смятия из равенства (2.51) найдем ширину локальной дорожки качения

Ьг =1,145 / -3/—^ ■рг

1 -

0,873 -ж -/и V -3

2

1 Л

Рг \Ер\

Рг > Рос .

при

При невыполнении условия неравенства пластическая деформация не происходит и ь г =0.

Для условий примера

2

Г

2

А =1,145 -3,94 -3

8,67 10" 0,44

13410

1 " □ 0,873 л -3,94 -0,406 -3500 -3

0 ^

■ 6

-.2

п2

0 8,67 10' и п =2,5

13410 0 0,44 0 д

мм

Допустимая максимальная нагрузка на шарики, при которой не остается следов пластической деформации на локальной дорожке качения после раскатки:

ро =2 л -Ь г о* =2 л -2,5 -8,67 -10" 635002 5 -72,5 =3984Я

2 К + А)

2(5 + 72,5)

6

Тогда статическая грузоподъемность после раскатки:

с =-

и

р 0 -21

3984 -46

2 • 2

cos а sin а

-+-

т

г

т

а

2 п о

^ 7 0,137

2о

sin 7 0,726

=68340Я

На рис. 2.6 приведены расчетные и экспериментальные значения статической грузоподъемности подшипника 1118-2902840. Точками показаны теоретические значения, линией - экспериментальные, пунктирными линиями - границы доверительного интервала.

30 -1-

5 10 15

Нагрузка на подшипник, кН

Рисунок 2.6 - Экспериментальные (линия) и теоретические (точки) значения

статической грузоподъемности подшипника

Как видно из рисунка 2, теоретические значения отличаются от экспериментальных не более чем на 10% и находятся внутри доверительного интервала. Это дает возможность сделать вывод, что теоретические значения адекватны опытным данным.

Достигаемый эффект от раскатки дорожки качения колец шарикоподшипников шариками заключается в следующем:

1. Снижение контактных напряжений в шарикоподшипнике, так как радиус локальных дорожек качения наружного и внутреннего колец, по которым катятся шарики в шарикоподшипнике, близок к радиусу шариков, а контактные напряжения распределены по поверхности контакта более равномерно, чем в стандартном подшипнике.

2. Упрочнение поверхности в зоне контакта с шариками компенсирует эффект, получаемый от снижения твердости колец подшипника.

3. Снижение момента трения в подшипнике, так как размеры площадки контакта ограничены размером поперечного сечения локальной дорожки качения даже при больших внешних нагрузках.

4. Снижение требований к точности предшествующих технологических операций механической обработки колец шарикоподшипника, так как процесс шариковой раскатки устраняет такие дефекты, как волнистость, отклонение от круглости, шероховатость.

Все это обеспечивает повышение качества изготовления подшипников и снижение затрат на их производство.

2.4 Выводы

1. Выполнено исследование механизма распределение внешней

комбинированной нагрузки на раскатник между шариками раскатного

инструмента, что позволяет целенаправленно совершенствовать процесс

шариковой раскатки. Показан сложный характер взаимовлияния составляющих внешней нагрузки на распределение ее между шариками.

2. Предложена оригинальная математическая модель процесса шариковой раскатки дорожек качения колец радиально-упорных и упорно-радиальных подшипников, отражающая влияние действующих факторов на распределение нагрузки между шариками. Данная математическая модель установлена степень влияния составляющих внешней нагрузки, числа шариков, упругих свойств материалов и угла контакта шариков с дорожкой качения на максимальную нагрузку на шарики, а также зависимость колебания нагрузки на шарики в процессе раскатки от числа шариков.

3. Разработана технология шариковой раскатки колец радиально-упорных и упорно-радиальных шарикоподшипников. Предложен способ шариковой раскатки, позволяющий при минимальной нагрузке осуществлять пластическую деформацию дорожки качения и образовывать на ней локальную упрочненную дорожку.

4. Разработана методика процесса раскатки дорожек качения одновременно двух колец. Показано, что после шариковой раскатки колец упорно-радиальных подшипников 11182902840 контактные напряжения в подшипнике снижаются на 23%, а сопротивление удару возрастает до 100%. Это показывает высокую эффективность процесса шариковой раскатки колец подшипников.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Объекты, средства и условия проведения экспериментальных

исследований

В качестве материала для кольца применяют Материал: Сталь 70, химический состав и механические свойства приведены в таблице 3.1-3.2

Таблица 3.1- Химический состав стали 70,

С Si Мп N1 S Р Сг С„

0.67 - 0.75 0.17 - 0.37 0.5 - 0.8 до 0.25 до 0.035 до 0.035 до 0.25 до 0.

Таблица 3.2 - Механические свойства

Сортамент 'азмер 1апр. 'в Sт d5 кси Термообр.

- мм Па Па кДж / м2 -

10 10 7 Нормализация

Пруток до Ж 80 030 34 Закалка 830°С, масло, Отпуск 470°С,

Экспериментальные исследования процесса изготовления колец подшипников методом холодной шариковой раскатки проводились с целью технико-экономического обоснования использования этого процесса взамен существующих технологий шлифования. Общий вид установки показан на рис. 3.1 и 3.2.

Экспериментальная установка состоит из двух отдельных устройств: вертикально-сверлильного станка 2Н125Л и специально спроектированного устройства для вращения нижнего кольца подшипника при обработке. Устройство состоит из корпуса и вмонтированных в него, червячного редуктора, который заканчивается установочным диском, и асинхронного

электродвигателя. Установочную оправку имеет соответствующий уступ, совпадающий по размеру с монтажным размером нижнего кольца.

Рисунок 3.1 - Общий вид экспериментальной установки для обработки колец подшипников методом холодной шариковой раскатки

Рисунок 3.2 - Подшипник, установленный для обработки методом холодной шариковой раскатки

Устройство устанавливается на стол станка под углом от 0° до 7 ° к оси шпинделя станка. Производится выверка его положения с помощью шарика и лунок, находящихся на рабочей части штока, и вращающемся диске так, чтобы ось вращения шпинделя станка проходила через центр симметрии расположения шариков. Устройство закрепляется с помощью специальных

болтов и Т-образных пазов на столе станка. Подшипник ставится на оправку устройства для вращения нижнего кольца, сверху на него устанавливается, еще одна оправка (рис. 3.2) и резиновая прокладка для устранения погрешностей, вызванных перекосом осей, которая позволяет передавать вращение на подшипник (рис. 3.2). На шпиндель станка установлен вал, с уступом для увеличения диаметра, на конце, на которого через зубчато-реечную передачу, находящуюся в корпусе станка, передается усилие с рукоятки осевой подачи, оснащенной градуированной шкалой с ценой деления 5 кг. Система зубчатых передач и удлинение рукоятки осевой подачи позволяют увеличить нагрузку на штоке в 5 раз, по сравнению с прикладываемой на конце рукоятки.

Запуск установки производится с помощью включения станка, запуск привода устройства для вращения нижнего кольца происходит автоматически, за счет соединения его электропитания с электропитанием станка.

Посадочные размеры подшипника гарантированно обеспечиваются при отливке пластмассовых кожухов и поэтому не требуют специального контроля. В соответствии с предложенной технологией высота подшипника после сборки должна обеспечиваться автоматически. Диаметр шариков, подаваемых на сборку, постоянен и равен 5 ±0,01мм. Поэтому после сборки автоматически обеспечивается высота подшипника, равная 12 ±0,21мм.

С целью тестирования подшипников на момент сопротивлению вращению на базе вертикально-сверлильного станка 2Н125 была создана экспериментальная установка (рис.3.3).

На станине 1 в стакане 3 и в подшипниках качения 2 закреплена оправка 4. На оправку 4 устанавливается испытываемый подшипник 5. Нагрузка на подшипник передается от шпинделя станка 8 через шарик 7, установленный в пластине 6.

В процессе измерения испытываемый подшипник 1 устанавливают на оправку 4 и с помощью пластины 5, шарика 7 и шпинделя 8 нагружают силой Р. Нагрузка на шпиндель 8 передается от рукоятки подачи станка, на которую навешивается ключ моментный динамометрический 0ТП.011-420.000ПС.

Измерение момента сопротивления вращению подшипника производится с помощью моментомера DB6N4 ТОНШСШпроизводства Японии (не показан), который жестко связан с пластиной 6.

Рисунок 3.3 - Схема установки для измерения момента сопротивления вращению

подшипника

Предварительно осуществляли тарировку воздействия силы Р на

подшипник 5. Для этого на место приспособления устанавливали динамометр

типа Д0РМ-0,3. К нему с помощью рукоятки подачи станка подводили

шпиндель станка 8. На рукоятке подачи закрепляли ключ моментный

74

динамометрический ОТП.011-420.000ПС. Изменение величины нагружающего момента приводит к изменению силы Р, значение которой фиксировали динамометром.

Тарировочный график приведен на рис. 3.4.

8000

л

6000 ; 5000 | 4000 3 | 3000 5 2000 3 юоо 0

0 20 40 60 80 100 120 160

Показания ключа моментного, Н*м -♦—Вяд1 -•— Вяд2

Рисунок 3.4 - Тарировочный график зависимости момента силы, приложенной к рукоятки подачи шпинделя станка, и осевой силы Р на шпинделе станка

Как видно, во всем диапазоне измерений сила Р связана с моментом М зависимостью

Р —5,1 -М,

где М - момент силы, приложенной к рукоятки подачи станка, н -м; Р - осевая сила на шпинделе станка, Н.

В процессе измерения пластина 6 с моментомером поворачивалась на угол 180 градусов в прямом и обратном направлениях. Стрелка моментомера фиксировала момент трогания подшипника, а среднее значение момента сопротивления качения в процессе поворота подшипника фиксировалось визуально.

Под статической грузоподъемностью понимается статическая нагрузка, превышение которой вызывает появление недопустимых пластических (остаточных) деформаций. У неподвижных подшипников на кольцах образуются лунки, а на телах качения - участки смятия. У вращающихся подшипников на

кольцах перед телами качения появляется бегущая упругопластическая волна. При снятии нагрузки у не вращающихся подшипников отпечатки остаются. У вращающихся, если нагрузка снимается плавно, отпечатков не остается, хотя результат пластической деформации проявляется в виде изменения радиусов кривизны контактирующих поверхностей.

Испытания на статическую грузоподъемность проводились в лаборатории ОНИЛ ТАПС Саратовского государственного технического университета. Нагрузка на подшипник обеспечивалась гидравлическим прессом, который мог развивать усилие до 1000000 Н. Предварительно проводилась тарировка усилия пресса, которая установила соответствие показания манометра и нагрузки: 1,5 ат составляет 15000 Н нагрузки.

Фотография установки для испытания подшипников на статическую

Подшипник для испытания устанавливался на оправке, закрепленной на

модернизированном поворотном столе. Подшипник базировался по отверстию и торцу верхнего кольца. Нагрузка осуществлялась со стороны торца нижнего кольца.

Нагрузка на подшипник повышалась дискретно с интервалом 500 Н начиная от 25000 Н.

После воздействия осевой нагрузки подшипник разбирался, и фиксировалось наличие на дорожках качения остаточной деформации. Если остаточная деформация не обнаруживалась, то подшипник вновь собирался и подвергался действию нагрузки, которая устанавливалась на 500Н больше

грузоподъемность приведена на рис. 3.5.

Рисунок 3.5 - Фото установки для испытания статической грузоподъемности

величины предыдущей нагрузки. За статическую грузоподъемность принималась нагрузка, предшествующая той, при которой в подшипнике появлялись следы остаточной деформации.

В качестве примера на рис. 3.6 приведены фотографии дорожек качения колец подшипников, сделанные в процессе испытания.

Рисунок 3.6 - Следы контакта дорожки качения одного из экспериментальных колец с

шариками при нагрузке 50000 Н.

Как видно из рис. 3.6 следы контакта дорожки с шариками отчетливо видны на дорожке качения. Так как размеры следов контакта по всей окружности дорожки качения получаются одинаковыми, то из этого следует, что все шарики нагружены равномерно в виду отсутствия погрешности установки.

Измерение ударной грузоподъемности производилось на специально сконструированной установке состоящей из груза массой 23 кг, стола для установки подшипника, градуированной линейки закрепленной на штанге удерживающей груз (рис. 3.7). Груз подвешивается на подвижной штанге, закрепленной на цилиндрической колонне с направляющими, для устранения смещения центра груза относительно установленного подшипника. Проградуированной линейки с ценой деления 1 мм устанавливается нужная высота падения груза.

С помощью спуска стопорящего крюка, удерживаемого пружиной, груз приводится в движение и падая с выставленной высоты совершает удар по подшипнику установленному на столе. Удар совершается через оправку и металлический шарик, для центрирования нагрузок и исключения возможности разрушения кожуха подшипника. Эксперимент проводится с полным заполнением шариками подшипника. Как и в случае с измерением статической грузоподъемности, после удара производится разборка подшипника и проверка поверхности дорожек качения на следы пластической деформации.

Рисунок 3.7 - Общий вид установки для испытания на ударную грузоподъемность

Если на дорожках качения отсутствовали следы остаточной деформации, то подшипник снова собирался и опыт повторялся с увеличением высоты падения молота на 25 мм. Так повторялось до тех пор, пока на дорожках качения появлялась остаточная деформация. За расчетную

высоту сопротивления удару принималась высота, предшествующая той, при которой в подшипнике появлялась остаточная деформация.

Микроскопический анализ проб заключается в исследовании их

структуры с помощью оптического микроскопа (использующего обычное

белое или ультрафиолетовое излучение) и электронного микроскопа. При

использовании оптического микроскопа структуру пробы можно изучать при

общем увеличении от нескольких десятков до 2 000-3 000 раз.

Измерение микротвердости поверхности дорожки качения

осуществлялось на приборе (рис. 3.8).

Рисунок 3.8 - Прибор для измерения твердости дорожек качения колец подшипников После измерения прибор распечатывал результаты с указанием микротвердости в различных единицах.

3.2 Методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных и методика планирования экспериментов

и обработка результатов

Получение заданных параметров точности поверхностей достигается благодаря рациональному сочетанию многих влияющих на процесс обработки факторов. Качество деталей оценивается выбранными критериями, состоящими из контролируемых параметров, правильный выбор которых имеет большое значение для контроля и управления процессом. Задача выбора контролируемых параметров состоит в определении значимых факторов, определяющих ход технологического процесса, с целью последующего систематического контроля.

Определить влияние многообразия влияющих факторов не представляется возможным, что определяет необходимость отделения этих факторов от основных.

Для получения большего числа экспериментальных данных подлежащих анализу и обработке, возможно проведение процесса раскатки подшипника в сборе или одного кольца, в каждом случае также выявляются разные факторы.

На основании анализа ряда работ в области обработки металлов давлением были выделены наиболее важные и значимые факторы. В качестве варьируемых факторов были приняты: число шариков используемых при раскатке(к); осевое усилие приходящееся на один шарик (Р), время раскатки одного кольца (;).

I. Количество шариков выбирается исходя из механических свойств материала шариков.

II. Осевое усилие, приходящееся на один шарик, выбрано в соответствии с теоретическим расчетом усилия, потребного для

пластического деформирования поверхности дорожки качения при их изготовлении из металлов: для кольца это закаленная лента из 65Г и для шариков это сталь ШХ15.

III. Время раскатки кольца выбрано из условия времени достаточного для деформирования поверхностного слоя металла, исходя из анализа работ в этой сфере.

Для определения влияния выбранных факторов на ход технологического процесса и, в частности, на точность формы получаемой поверхности была изготовлена партия колец подшипников в количестве 24 штуки при варьируемых факторах.

Сложность процесса раскатки поверхности дорожки качения подшипника, взаимодействие большого числа факторов делает целесообразным использование методов математической статистики при его исследовании. Данные методы позволяют в значительной мере исключить интуитивный подход, заменив его научно-обоснованной программой проведения экспериментальных исследований.

Среди множества приемов планирования экспериментов наиболее объективным является метод полного многофакторного эксперимента, который позволяет получить математическую модель даже при недостаточном знании механизма изучаемого процесса.

Полный факторный эксперимент на этапе изучения процесса раскатки поверхности дорожки качения колец подшипников проводился с целью получения математической модели, включающей наиболее значимые факторы.

Поскольку число факторов в нашем случае равно трем, то выбираем план полного факторного эксперимента - 23.

Указанные выше технологические факторы были приняты в качестве варьируемых факторов при проведении факторного эксперимента. Эти факторы и область их определения приведены в табл. 3.3

В качестве показателей процесса рассматривались: (М) - Момент сопротивления вращению (Ст) - Статическая грузоподъемность

(уд) - Ударная грузоподъемность Таблица 3.4 - Варьируемые факторы и области их определения

п/п Г» Наименование фактора, размерность Обозначения факторов Границы области определения

Нижний Верхний

1 1 Количество шариков к, шт XI 3 6

2 2 Внешняя нагрузка, Н Х2 5000 15000

3 3 Время раскатки ^ с Х3 10 30

Для начала следует присвоить номер каждому из экспериментов (табл.3.5).

Таблица 3.5 - Номера экспериментов

№ эксперимента Кол-во шариков (шт.) Нагрузка (Н) Время (с)

1. 3 15000 30

2. 3 15000 10

3. 3 5000 30

4. 3 5000 10

5. 6 50820 30

6. 6 5000 10

7. 6 15000 30

8. 6 15000 10

Для

повышения достоверности результатов исследования каждая партия состоит из 3 подшипников, исследуемых при одинаковых режимах раскатки.

Обработка и оценка результатов проведенных исследований производится с помощью методик обработки экспериментальных исследований с использованием математической статистики[19,20]

Таблица 3.6 - Матрица планирования полного факторного эксперимента 2.

3

№ точ Комбинации произведений факторов в кодовых обозначениях

№ х0 х1 х2 хэ х1х2 х1х3 х2х3 х^х3

1 + - — — + + + _

2 + + — — - - + +

3 + — + — - + - +

4 + — — + + - - +

5 + — — — + + + -

6 + + + — + - - -

7 + — + + - - + -

8 + — — + + - - +

Для записи априорных сведений о факторах процесса, записи верхних, нижних и основных уровней факторов, интервалов варьирования, плана матрицы планирования, результатов эксперимента, промежуточных и конечных результатов, для проверки воспроизводимости эксперимента,

значимости коэффициентов, проверки адекватности описания процесса были использованы журналы планирования эксперимента.[16,23,67,89]

Порядок проведения опытов рандомизировали: выбрали по таблице равномерно распределенных случайных чисел. Опыты реализовали в следующем порядке. Данные опытов обрабатывали по методике.[20,51,60]

Коэффициенты уравнения регрессии рассчитывались по методике [20.52] и программой, модернизированной под расчет модели для матрицы 23 опытов. Результаты вычисленной с помощью этой программы, использовались для построения модели.

По каждой точке плана матрицы планирования эксперимента в указанном порядке реализации опытов эксперимента устанавливались действительные значения факторов и их верхний и нижний уровень. В течение опыта требуемые значения факторов поддерживались на постоянном уровне.

Таким образом были получены действительные значения ожидаемых показателей параметров оптимизации: вдавливание, сжатие, сдвиг, изгиб и твердость, по всем точкам плана матрицы планирования.

Среднее значение показателей параметров оптимизации определялось по формуле:

т

-

V = —— (3.1)

т

где ^ - среднее арифметическое значение по т опытам в точке с номером V;

V - строчка плана матрицы планирования или номер опыта; ^ -действительное значение показателя параметра оптимизации;

m - число параллельных наблюдений в каждой точке.

Для оценки отклонения параметра оптимизации от среднего значения вычислялась дисперсия воспроизводимости по данным параллельных наблюдений плана матрицы планирования в каждой точке по формуле:

m t_ \2

2 } 1 v - yvjj s2v = ^---; (3.2)

m - 1

где SV — дисперсия в V - точке.

Для проверки гипотезы однородности дисперсии использовался критерий Кохрена, который основан на законе распределения отношения максимальной дисперсии к сумме всех дисперсий:

S 2

G = SVmax .

sV' (3.3)

V =1 V

где G — критерий Кохрена;

sV2 max — максимальная дисперсия в V —й точке плана;

N

£ SV — сумма всех дисперсий.

V =1

Для проверки гипотезы о воспроизводимости измерений, заключающейся в определении того фактора, при котором выборочные дисперсии для каждой точки плана матрицы однородны, задали уровень значимости g = 5%, определили число степеней свободы Vimax = m — 1и V2max = N и по таблицам определили значение критерия Кохрена [93].

В случаях, когда расчетное значение критерия G оказалось меньше табличного, гипотеза об однородности дисперсии и воспроизводимости результатов принималась. Однородные дисперсии усреднялись, т.е. находилась дисперсия параметра оптимизации по формуле:

N

I S2v

у) (3.4)

где 52{У] - дисперсия параметра оптимизации; N - общее число точек в матрице планирования.

Определение параметров модели или коэффициенты регрессии

производили умножением данных ^гаа данные ^.л'в кодовых значениях с последующим делением полученного произведения на общее число точек в плане матрицы:

N

IXV У

ь =; <3-5)

где Ь,- - коэффициент регрессии.

При равном числе параллельных опытов во всех точках плана матрицы дисперсия ошибки определения коэффициента регрессии определялась по формуле:

52 {Ь] ] = 5 2|У 1

N ■т

(3.6)

где 52{Ь.] - дисперсия ошибок определения коэффициентов регрессии.

Среднеквадратические отклонения дисперсий ошибок определения коэффициентов регрессии:

Ь, ] =15 {У1, где 5{Ь,1 - среднеквадратическое

V N ■т

отклонение дисперсии Значимость коэффициентов регрессии определяли независимо по t -критерию Стьюдента[93], при этом для каждого коэффициента вычислялись значения ^ - критерия по формуле:

|ь,.|

5Ь1

где \Ь А - рассчитанные коэффициенты регрессии;

511 - средние квадратичные отклонения дисперсий коэффициентов регрессии.

Затем проверялась гипотеза о значимости коэффициентов Ьь При g = 5% уровне значимости определяли число степеней свободы Узы = N (т - 1). По таблицам находили критическое значения критерия Стьюдента ^р.

Если расчетное значение Ъ оказалось больше ^ - коэффициент признавался значимым. В противном случае коэффициент считался статически незначимым.

В математическую модель включены только значимые коэффициенты, определяющие линейные эффекты и парные взаимодействия.

Проверка адекватности модели проводили по критерию Фишера. Для

этого находили разность между средними значениями ^у показателя параметра оптимизации процесса для каждой точки матрицы, полученным

Экспериментально, И значением Затем определили оценку дисперсии адекватности

модели по формуле:

т_ - Г Г•

- V Ул ■>

- 1 V —

2 т *

—

N - 1У— У Ул ' (3.7)

где 52ай - оценка дисперсии адекватности модели;

т - число значимых коэффициентов;

^ - среднее арифметическое по т опытам в точке с номером V;

Уъ - математическое ожидание параметра оптимизации. Адекватность модели определялась по формуле:

V2

F

ad

Б2 (У)'

где F -вычисленное значение критерия Фишера.

Задавали уровень значимости g = 5% и определили число степеней свободы У^ = N-1 иV2ad = N^-1), затем находили по таблице критическое значение критерия Фишера Fкр.

Гипотеза адекватности модели принималась, если значение критерия Фишера оказывалось больше расчетного.

Оценку коэффициентов влияния каждого фактора в действительных значениях производили по формуле:

где - коэффициент чувствительности параметра процесса в действительных значениях;

- интервал варьирования факторов.

Пересчет коэффициентов t значений факторов в уравнении производили по уравнению преобразования.

После проверки адекватности модели по критерию Фишера осуществлялся переход от кодированных значений к действительным значениям, и определялась математическая модель процесса.

После потенцирования уравнения и подстановки натуральных значений факторов получали математическую модель изучаемого процесса.

3.3 Выводы

1. Определены объекты исследования (кольца радиально-упорных

шарикоподшипников ), средства и условия проведения исследований.

2. Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка по

исследованию процесса раскатки.

3. Проведены предварительные эксперименты, определившие

степень влияния факторов на раскатки

4. Разработана методика полного факторного эксперимента 23 для

определения эмпирических зависимостей геометрических параметров и качества поверхности, при раскатке, от технологических факторов процесса ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Исследование параметров рабочих поверхностей, получаемых при раскатке после операции шлифования

Целью исследований являлось определение степени влияния варьируемых факторов при раскатке на момент сопротивления, ударную грузоподъёмность, статическую грузоподъёмность, которые выступали в качестве показателей процесса пластического деформирования.

Для определения механизма влияния исследуемых факторов на результаты использовались линейные модели на основе полиномов, которые приводились в натуральные значения.

В результате обработки всех полученных данных по указанной выше методике с применением программной среды Excel 2007 были получены следующие степенные зависимости:

м =0,16 + 6 10" 4п + 9,9 10" 6Р +10" 3 ? + 7,5 10" 4п •t; С =3048 " 21,86£ + 2,4Р + 21,24? " 0,3k •Р;

У =280 " 17,2£ + 0,0036Р +1,91? + 0,0007£ Р

На основании экспериментальных исследований и математических расчетов построены графики (рис. 4.1- 4.3) зависимости момента

сопротивления от осевой нагрузки, количества шариков и времени при

раскатывании дорожек качения шариковых подшипников:

? 0,31 й й К

| 3,27

■II

в

о.

с о

и

1_ ЭД9 X V й о

^ 3,15

Рисунок 4.1 - Зависимость момента сопротивления вращению М (P,t,k) (Им) подшипника от нагрузки Р(кН) приложенной к подшипнику при обработке методом холодной

шариковой раскатки.

Видно, что наибольшее влияние во всех проведенных экспериментах

имела нагрузка, так как улучшение параметров зависит от изменения

поверхности дорожки качения, в нашем случае это ее пластическое деформирование, которое возможно при достижении определенных нагрузок. Естественно повышение нагрузок приводит к увеличению упрочненного

слоя и «сглаживанию» поверхности.

На рисунке 4.1 видно, что момент сопротивления вращению

увеличивается при увеличении нагрузки при раскатке, это показывает, что момент сопротивления находится в прямой зависимости от нагрузки. С

увеличением нагрузки возрастают размеры площадки контакта и возрастает

сила трения шариков и дорожек качения.

В 10 15

Нагрузка на подшипник,кН

— *— тт ■ ггес1 — * — пглх

х 3,29 #

Количество шарикоЕ.шт

— min ■ sred — * - max

Рисунок 4.2 - Зависимость момента сопротивления вращению М (P,t,k) (Нмм) подшипника от количества шариков к(шт) при обработке методом холодной шариковой

раскатки.

На рисунке 4.2 показано, что момент сопротивления вращению уменьшается при увеличении количества раскатных шариков при обработке. Это обусловлено тем, что при увеличении количества шариков действующая нагрузка в точках взаимодействия шариков с дорожкой качения уменьшается , а момент сопротивления вращению находится как мы знаем в прямой зависимости от нагрузки. При уменьшении нагрузки уменьшаются зоны контакта дорожки качения и шариков, при этом толщина стенки дорожек качения увеличивается от количества шариков. С возрастанием числа шариков увеличивается площадь контакта, на котором действуют силы трения

Рисунок 4.3 - Зависимость момента сопротивления вращению М (РД,к) (Нмм) подшипника от времени обработки холодной шариковой раскатки ^с).

На графике 4.3 видно, что момент сопротивления уменьшается с увеличением времени обработки. Время имеет большее влияние, так как для лучшего укатывания желоба при раскатки необходимо большое количество проходов каждого шарика при определенной нагрузки в отличие от операций резания (за короткое время можно снимать большой припуск), особенно значимо его влияние при изменении твердости. При длительном воздействии материал становиться более плотным, что свидетельствует об малых значениях момента сопротивления вращении.

На основании экспериментальных исследований и математических

расчетов построены графики (рис. 4.4- 4.6) зависимости статической грузоподъемности от осевой нагрузки, количества шариков и времени при раскатывании дорожек качения шариковых подшипников:

Рисунок 4.4 - Зависимость статической грузоподъемности С^,^) (кН) подшипника от нагрузкиP(кН) приложенной к подшипнику при обработке методом холодной шариковой

раскатки.

С возрастанием нагрузки увеличивается степень упрочнения обработанной поверхности и размер поперечного сечения локальной дорожки качения, что приводит к снижению контактных напряжений в подшипнике, а следовательно, к повышению статической грузоподъемности подшипника. это и показывает рисунок 4.4 .

Рисунок 4.5 - Зависимость статической грузоподъемности подшипника от количества шариков к(шт) при обработке методом холодной шариковой раскатки.

Меньшее влияние на показатель процесса шариковой раскатки статическую грузоподъемность оказывает количество раскатных шариков. С уменьшением числа раскатных шариков увеличивается нагрузка на шарики, что равносильно увеличению внешней нагрузки. Но как было показано выше, при числе шариков, равным трем, процесс раскатки осуществляется нестабильно, что и вызывает снижение влияния этого фактора. Но проводя результирующий анализ можно сделать общий вывод о том, что статическая

грузоподъемность уменьшается, что показано на рисунке 4.5.

Рисунок 4.6 - Зависимость статической грузоподъемности С(Р^,к) (кН) подшипника от времени обработки методом холодной шариковой раскатки ^с).

На рисунке 4.6 показано увеличение статической грузоподъемности при

увеличении времени обработки. Время обработки также оказывает

значительное влияние на результаты. Объясняется это тем, что пластическая

деформация дорожки качения происходит в течение несколько оборотов

колец подшипников. Но после того, как пластическая деформация

заканчивается, осуществляется стабилизация геометрических параметров

дорожки качения и физико-механических свойств поверхностного слоя.