Тернопільський державний технічний університет імені ІВана Пулюя

Лапченко Юрій Сергійович

УДК 621.822:681.2:369.64

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ експлуатаційних характеристик кілець роликопідшипників

05.02.08 – технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тернопіль – 2007

Дисертаціює є рукопис

Робота виконана в Луцькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Марчук Віктор Іванович

Луцький державний технічний університет,

завідувач кафедри “Приладобудування”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Лєбєдєв Володимир Георгійович

Одеський національний політехнічний університет,

професор кафедри “Технологія конструкційних матеріалів”

кандидат технічних наук, доцент

Матвійчук Анатолій Васильович

Тернопільський державний технічний університет

імені Івана Пулюя,

доцент кафедри “Технологія машинобудування”

Захист відбудеться “13” вересня 2007 р. о 1000 на засіданні спеціалізованої вченої ради К58.052.03 у Тернопільському державному технічному університеті ім. Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська 56.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська 56.

Автореферат розісланий “5” червня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Данильченко Л.М.

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний науково-технічний прогрес в машинобудуванні супроводжується підвищенням потужності та швидкості машин з одночасним зростанням їх надійності, точності та довговічності.

Безперервний розвиток багатьох галузей техніки, зокрема, приладо- та верстатобудівної, автомобільної, сільськогосподарської та інших пов’язаний з використанням великої кількості підшипників кочення як опор різних коливальних чи обертальних механізмів, причому в більшості випадків якість функціонування всього пристрою або машини залежить від динамічних та експлуатаційних характеристик підшипникових опор. Тому, показники якості окремого пристрою чи машини в цілому нерозривно пов’язані з показниками якості та експлуатаційними характеристиками кожного підшипникового вузла як окремої роторної системи, яка потенційно може бути основним джерелом небажаних явищ чи характеристик всього механізму, приладу або машини. В зв’язку з цим, вимоги до якості виготовлення підшипників кочення та їх експлуатаційних показників постійно зростають, а технологічне забезпечення цих вимог стає все проблематичнішим.

Відомо, що якість підшипника та його експлуатаційні характеристики, такі як віброактивність, шумність, точність, надійність, довговічність тощо, залежать від параметрів мікротопографії поверхонь кочення й фізико-механічних властивостей поверхневого шару робочих і монтажних поверхонь.

Тому, технологічне забезпечення всезростаючих вимог до якості робочих поверхонь і експлуатаційних характеристик роликопідшипників в процесі їх виготовлення є актуальною науковою проблемою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в Луцькому державному технічному університеті відповідно до української державної програми розвитку сільськогосподарського машинобудування та забезпечення агропромислового комплексу конкурентноспроможною технікою, затвердженою Постановою Кабінету Міністрів України 1 грудня 1997 року № 1341, а також відповідно до координаційного плану Комітету з питань науки і техніки України, розділу “Машинобудування” (позиція 43) “Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні” на 2001 – 2006 роки.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення надійності й довговічності роликопідшипників шляхом технологічного забезпечення параметрів якості поверхонь обертання кілець на операціях безцентрового шліфування.

Для досягнення мети в роботі поставлені такі завдання:

- провести аналіз походження та теоретично обгрунтуванти причини виникнення конструкційних, структурних і технологічних дефектів в роликових підшипниках, що спричиняють погіршення експлуатаційних показників, і на їх основі удосконалити технологічні параметри, які забезпечують зменшений рівень вібрації, шуму, точність обертання та довговічність підшипника;

- встановити взаємозв’язки параметрів мікрогеометрії робочих поверхонь кілець із характерними експлуатаційними показниками підшипника;

- дослідити механізм походження вібрацій в роликопідшипниках та їх вплив на формування експлуатаційних характеристик;

- розробити математичну модель формоутворення параметрів геометричної структури поверхні (ГСП) на операціях безцентрового шліфування для алгоритмізації задач технологічного забезпечення параметрів якості кілець роликопідшипників;

- дослідити вплив режимів різання викінчувальних шліфувальних операцій на кінцеві параметри якості робочих поверхонь кілець роликопідшипників;

- експериментально дослідити вплив технологічних чинників на параметри мікрогеометрії поверхонь обертання кілець;

- розробити інженерну методику керування параметрами та показниками процесу безцентрового шліфування з метою підвищення якості оброблення робочих поверхонь кілець роликопідшипників.

Об’єкт дослідження – прогресивні технологічні процеси формоутворення поверхонь кочення кілець роликопідшипників.

Предмет дослідження – параметри мікротопографії й методи керування формоутворенням робочих поверхонь роликопідшипників на операціях безцентрового шліфування поверхонь кочення зовнішніх кілець.

Методи дослідження. Методологічною основою роботи є системний підхід до визначення досліджуваного об’єкту – технологічних процесів формоутворення поверхонь обертання з урахуванням зв’язків технологічних факторів із параметрами макро- і мікрогеометрії поверхні та експлуатаційними характеристиками роликопідшипників. В основу досліджень було покладено загальні положення технології машинобудування, теорії різання матеріалів, а також математичний апарат аналізу та синтезу для моделювання параметрів мікрорельєфу поверхонь обертання в процесі їх формоутворення на операціях механічного оброблення; теорії коливань, гармонічного аналізу для дослідження механізму виникнення вібрацій підшипників і причин, що їх викликають; математичної статистики, оптимального керування, теорії автоматичного керування процесом шліфування; методів чисельного інтегрування диференційних рівнянь; апарат перетворень Лапласа, Тейлора – для моделювання нерівностей оброблюваних поверхонь, їх віброактивності та розроблення методики ідентифікації процесу шліфування; методів планування експерименту - для проведення експериментальних досліджень, аналізу та оброблення результатів експериментів. Для аналізу ГСП, а також для дослідження параметрів відхилення від форми використовували сучасне метрологічне автоматизоване устаткування – автоматизований дослідницький комплекс Talyskan – 150 з керуючою програмою Map universal для дослідження мікротопографії поверхні в 3D системі. Для проведення гармонічного аналізу поверхонь обертання використано автоматизовану установку MWA 160В.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

- теоретично обґрунтовано функціональні зв’язки між кінематичними особливостями технологічного устаткування, режимами формоутворення, характеристиками оброблювального інструменту, показниками процесу формоутворення й параметрами мікрорельєфу оброблюваних поверхонь та експлуатаційними властивостями деталей підшипників;

- на основі математичного моделювання встановлено взаємозв’язки параметрів геометричної структури поверхонь кочення з віброакустичними параметрами, які характеризують віброактивність поверхні за показником швидкості вібрацій;

- виявлено функціональні взаємозв’язки між параметрами хвилястості поверхонь кочення зовнішніх кілець, рівнем віброактивності зовнішнього кільця, спектральною характеристикою доріжок кочення, числом тіл кочення в підшипнику та прогнозованою віброакустичною характеристикою підшипника;

- розроблено математичну модель формоутворення параметрів хвилястості на операціях безцентрового шліфування поверхонь кочення зовнішніх кілець для алгоритмізації задачі технологічного забезпечення необхідних параметрів якості.

Практичне значення одержаних результатів.

- вдосконалено технологію формоутворення поверхонь кочення зовнішніх кілець роликопідшипників на операціях безцентрового шліфування;

- скорочено кількість технологічних операцій в структурі технологічного процесу механічного оброблення зовнішніх кілець роликопідшипників, що дозволило зменшити собівартість технологічних операцій;

- розроблено та реалізовано на практиці метод технологічного керування параметрами хвилястості поверхонь кочення на операціях безцентрового шліфування кілець роликопідшипників;

- запропоновано спосіб безцентрового шліфування поверхонь кочення з регульованою нормальною силою для забезпечення та стабілізації необхідних параметрів якості шліфованих поверхонь;

- впроваджено у виробництво практичні рекомендації щодо впливу структури та будови шліфувальних кругів на параметри мікротопографії поверхні, які дали змогу підвищити якість і експлуатаційні показники поверхонь кочення зовнішніх кілець на операціях чистового шліфування з використанням шліфувальних автоматів SІW–4В;

- розроблено інженерну методику керування параметрами якості поверхонь обертання кілець роликопідшипників та їх експлуатаційними характеристиками, яку передано для практичного використання на діючому виробництві ВАТ ЛПЗ та в навчальний процес підготовки фахівців з напряму 6.0909 “Прилади” та напряму 06.0902 “Інженерна механіка” ЛДТУ для проведення лабораторних робіт і лекційних занять курсів “Спеціальні технології приладобудування”, “Технологія приладобудування”, “Технологія машинобудування”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень, що виносяться на захист, отримані автором самостійно. Особистий внесок дисертанта полягає в обґрунтуванні наукового напрямку [3, 5], формулюванні мети роботи; обґрунтуванні та розробленні методик експериментальних досліджень, участі в постановці й проведенні експериментальних досліджень; розробленні математичних моделей [4, 8, 12], встановленні теоретичних залежностей [1, 2, 6]; формулюванні новизни та основних висновків за результатами роботи [7, 9, 10]; аналізі й узагальненні отриманих результатів дослідження [11].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідались та обговорювались на 7 наукових конференціях та семінарах, зокрема: 1-ій українсько-польська науковій конференції “Сучасні технології виробництва в розвитку економічної інтеграції та підприємництва” Технологічного університету Поділля - Краківського політехнічного університету (смт. Сатанів, Хмельницький, 2003); міжнародній науково-технічній конференції “Автоматизація: проблеми, ідеї, рішення” Севастопольського національного технічного університету (м. Севастополь, 2004); 5-ій міжнародній науково-технічній конференція “Техніка і технологія монтажу машин” Жешівського національного технічного університету (м. Жешув, Польща, 2004); 5-ій науково-технічній конференції “Приладобудування 2006: стан і перспективи” Національного університету Київського політехнічного інституту (м. Київ, 2006). Робота доповідалась й отримала позитивний відгук на розширеному засіданні науково-технічного семінару Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.

Публікації. результати наукових досліджень викладені у 12 працях (1 одноосібна), з яких – 9 статей у фахових виданнях, 3 – у тезах науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Повний обсяг дисертації – 223 стор. машинописного тексту, в тому числі – 55 ілюстрацій, 12 таблиць, 5 додатків та список використаних джерел з 190 найменування.

Основний зміст роботи

У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми, визначено мету та задачі дослідження, викладено наукову новизну й практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі представлено детальний аналіз сучасного стану проблеми технологічного забезпечення якості геометричної структури поверхні (ГСП) кілець роликопідшипників та їх експлуатаційних характеристик. Виконано статистичний аналіз виробничих дефектів робочих поверхонь роликопідшипників і проведено аналіз причин, що призводять до виникнення технологічних дефектів. В результаті аналізу літературних джерел і проведеного статистичного аналізу виробничого досвіду встановлено, що основні причини зниження експлуатаційних характеристик роликопідшипників, такі як: довговічність, надійність, вібрації, шум, точність обертання залежать від стану геометричної структури робочих поверхонь кілець та фізико-механічних властивостей поверхневого шару.

Питання керування параметрами якості поверхонь в процесі механічного оброблення й технологічного забезпечення необхідних експлуатаційних характеристик деталей машин висвітлені в роботах П.Н. Дьяченко, А.І. Каширіна, А.І. Ісаєва, А.А. Маталіна, А.Г.Суслова, А.М. Суліми, І.В. Крагельського, І.В. Рижова, В.А. Прилуцького, М.Б. Дьомкіна, В.С. Мухіна, В.К. Старкова, В.Ф. Без’язичного, Ю.Р. Вітенберга, Х.Шмальца, Г.Шлезінга, Ф.Боудена, Д.Тейбера, Т.Хисакадо, А.Адамсона, Я.І. Рудзіта, Ю.М.Данильченко, В.І.Марчука. На підставі аналізу літературних джерел з напряму дисертаційного дослідження визначено наукові підходи, що стосуються стратегії та тактики розв’язання поставлених задач.

У другому розділі проведено аналіз вібрацій в роликових підшипниках під час їх роботи в складі підшипникових опор, зв’язків віброактивності підшипників з їх експлуатаційними характеристиками. Встановлено, що в підшипниках кочення виникають вібрації різного походження з широким спектром амплітудно-частотних характеристик. Вібрації роликових підшипників мають різну природу та поділяються на структурні, конструкційні, технологічні, випадкові або експлуатаційні, які виникають від забруднень чи інших недоліків експлуатації. Найсуттєвішими є вібрації, спричинені похибками форми робочих поверхонь, які виникають під час виготовлення деталей підшипників – технологічні вібрації. Ці вібрації характеризуються широким спектром частот і амплітуд і найчастіше проявляються в межах частот , де - частота обертання внутрішнього кільця, а - число тіл кочення в підшипнику. Вібрації структурні, що пов’язані з циклічною зміною жорсткості підшипника, деформаціями кілець та тіл кочення від радіальних навантажень у роликових підшипниках, завдяки контактуванню тіл кочення з поверхнею доріжки кочення не точковому, як це має місце в кулькових підшипниках, а лінійному досить незначні та на експлуатаційні характеристики підшипників не впливають.

Точність обертання підшипників кочення, насамперед, визначається рівнем низькочастотних вібрацій. Амплітуда цих коливань може сягати мкм для підшипників нормальної точності, мкм - для прецизійних і мкм - для надпрецизійних. Різні гармоніки похибок форми та хвилястості кілець по-різному впливають на інтенсивність вібраційних збурень. Так, хвилястість доріжки кочення зовнішнього кільця з числом хвиль викликає інтенсивні радіальні вібрації, а хвилястість з числом хвиль - осьові вібрації з частотою . Така ж хвилястість внутрішнього кільця викликає радіальні вібрації з частотами та осьові вібрації з частотою .

Встановлено, що існуючі методи вимірювання похибок формоутворення робочих поверхонь деталей роликопідшипників не дозволяють визначити параметри високочастотних відхилень хвилястості та шорсткості поверхні, які спричиняють високочастотні складові спектру динамічної хвилястості (вібрації) підшипника, оскільки амплітуди цих нерівностей мкм менші або дорівнюють інструментальній похибці кругломірів.

У третьому розділі розглянуто теоретичні передумови, технологічні особливості й розроблено математичну модель формування хвилястості поверхні на операціях безцентрового врізного шліфування кілець роликопідшипників. На рис. 1 показано розрахункову схему безцентрового шліфування поверхонь кочення зовнішнього кільця роликопідшипника.

Технологічною особливістю процесів безцентрового шліфування робочих поверхонь кілець роликопідшипників є те, що з метою зведення до мінімуму похибок в системі обертання деталі остання базується на жорстких опорах 1, 2 (рис. 2) за допомогою зовнішньої циліндричної поверхні кільця.

Оскільки доведено, що основним джерелом виникнення хвилястості при без центровому шліфуванні доріжки кочення зовнішнього кільця є коливання шліфувального круга, то для визначення амплітуди й частоти коливань розроблено розрахункову схему системи шпінделя шліфувального круга. Записано рівняння, що визначає переміщення центру мас шпінделя шліфувального круга в проекції на осі координат (рис. 3):

, (2)

де - сила тяжіння; , , , жорсткості опор відповідно у вертикальному та горизонтальному напрямках; , , , - реакції підшипників у напрямках та , що викликані малими переміщеннями , , , .

Для повного визначення руху осі шпинделя складено диференційне рівняння, що описує кутове обертання осі шпинделя відносно нерухомих осей та . Відповідно закону зміни моменту кількості руху похідна по часу повного моменту кількості руху рухомої системи відносно нерухомої осі дорівнює моменту зовнішніх сил відносно тієї ж осі. В результаті пружних деформацій вісь обертання складає з нерухомими координатними площинами та малі кути та . Визначено кути повороту осі шпинделя у вертикальній та горизонтальній площинах:

; . (3)

Визначено складові моменту кількості руху відносно осей , , :

; ; ,

де - момент інерції шліфувального круга відносно осі ; - момент інерції шліфувального круга відносно осей та .

Складено рівняння для визначення моменту кількості руху відносно нерухомих осей та , шляхом проектування на ці осі моментів , , :

;

.

На основі закону зміни моменту кількості руху отримано:

; , (4)

де та - відповідно моменти зовнішніх сил відносно осей та .

З врахуванням рівностей (3) і (4), диференційне рівняння, яке описує повороти осі шпинделя відносно нерухомих осей та :

. (5)

Отримано систему диференційних рівнянь, що описують рух осі шпинделя шліфувального круга в просторі під дією сил різання з врахуванням неврівноваженості круга (рис.3):

. (6)

Складено систему рівнянь для силової неврівноваженості круга, оскільки згідно (2, 4) встановлено, що найбільше відхилення осі викликає саме силова неврівноваженість, амплітуда вібрації якої у 2-3 разів більша амплітуди вібрацій, що викликані моментом неврівноваженості. Розроблено алгоритм і програма для розрахунку координат профілю утворюваної хвилястості.

де - маса деталі і її шпинделя; - маса круга і його шпинделя; - приведена жорсткість шпинделя деталі, передньої бабки та їх опорних вузлів; - приведена жорсткість шпинделя круга та супорта; - радіальна жорсткість круга; та - коефіцієнти демпфування відповідно шпинделів деталі і круга; - коефіцієнт демпфування круга; - переміщення деталі; - радіальне спрацьовування круга; - переміщення зони контакту деталі і круга; - переміщення круга; - переміщення супорта круга.

Встановлено, що на пружну деформацію системи ВІД впливають як переміщення подачі , так і переміщення елементів динамічної моделі процесу шліфування, характеристики якого залежать від зворотнього зв’язку між нормальною силою та деформацією (рис. 4). Цей зв’язок може бути керованим залежно від механізму знімання припуску на оброблення деталі та радіального спрацьовування шліфувального круга.

Для проведення розрахунку і підтвердження висунутих теоретичних положень необхідно визначити експериментальні параметри, а саме сили різання, величину ударного навантаження. Для проведення відповідних оригінальних експериментальних досліджень розроблено спеціальні методики досліджень.

З врахуванням пружно-масових і демпфуючих параметрів системи ВІД, скориставшись передавальними функціями, розраховано їх частотні характеристики.

У четвертому розділі комп'ютерно змодельовано стратегію регулювання нормальної сили . При цьому були досліджені: по-перше, динаміка зростання й падіння сили , по-друге, вплив найбільших збурень, що найчастіше зустрічаються в практиці та виникають в результаті ексцентричного закріплення деталі.

Для порівняння цієї стратегії регулювання з традиційними способами управління процесом шліфування було проведено також моделювання шліфування з постійною швидкістю подачі круга і стабілізованою нормальною силою. Дослідження проведено для процесу, який складається з чорнового та чистового шліфування. Проведено також моделювання процесу для визначення ступеня достовірності оцінки параметрів моделі.

Якщо перше торкання круга із заготовкою наступає в мінімумі розгортки профілю, то максимальний приріст нормальної сили в результаті обороту ексцентричної заготовки з урахуванням пружних переміщень системи ВІД представлено рівнянням:

, (7)

де: - коефіцієнт пропорційності нормальної сили; - коефіцієнт сумарної (загальною) жорсткості системи ВІД; - час одного оберту деталі на етапі шліфування.

За наявності у заготовки ексцентриситету виникає додаткове зростання сили після першого контакту із заготовкою, яке залежить від кутового розташування ексцентриситету (рис. 5).

Зростання сили відрізняється на початку різання в мінімальній точці розгортки профілю заготовки ("западина" - т.1) і в максимальній точці розгортки ("вершина" - т.3).

Такий випадок першого торкання круга із заготовкою можливий лише для відповідного кутового положення ексцентриситету та швидкості подачі . Найчастіше перше торкання круга із заготовкою наступає вище мінімуму кривої розгортки профілю, і тому і приріст сили буде відповідно меншою. Доведено, що ця геометрично-кінематична проблема першого торкання круга із заготовкою не може бути вирішена аналітично.

Тому, в подальшому моделюванні прийнято умову, що перше торкання круга із заготовкою наступає в точці 2, а амплітуда приросту сили описується рівнянням:

. (8)

Періодичні збурення сили , що викликаються ексцентриситетом, описано рівняннями:

; (9)

; (10)

де: - ексцентриситет заготовки в момент - того її оберту.

Отримано рівняння для стохастичного збурення , що спричиняють зміни різальних властивостей круга:

, (11)

де: - постійна складова; - складова, залежна від процесу (сили ); - випадкові числа (-1,0<<1,0).

Встановлено, що величина хвилястості шліфованої поверхні залежить від коливань сили різання, дисбалансу круга після наступної правки, випадкових навантажень, що виникають в кінематичних ланках верстату, вібраційних навантажень на бабку шпинделя збоку привідного електродвигуна та вхідного управляючого параметру у вигляді кута повороту вала крокового двигуна. На частку дисбалансу круга припадає до 30% загальної похибки від хвилястості поверхні, на коливання сили різання - 25-30%, на частку вібраційних коливань динамічної системи верстату - до 15%, на хвилястість, успадкованої з попередньої токарної операції, - 20-25% загальної похибки формоутворення.

У п’ятому розділі описано методику експериментальних досліджень коливань шпинделя з шліфувальним кругом в процесі безцентрового шліфування з використанням вібровимірювальної апаратури контактним способом.

У табл. 1 наведено значення висоти та кроку хвиль, розрахованих для процесів шліфування на верстаті-автоматі SIW-4B абразивним шліфувальним кругом.

Результати табл. 1 свідчать, що із збільшенням режимів шліфування висота хвилястості в основному збільшується, але за певних режимів шліфування висота хвиль може бути мінімальною, наприклад, із збільшенням vд від 30 до 70 об/хв (t=0,01 мм), висота хвилястості збільшується. При vд=80-90 об/хв вона є дещо нижчою та складає Wz=1,05 мкм, при vд> 100 об/хв висота хвиль збільшується. Аналогічно при швидкості деталі vд=90-110 об/хв (t=0,03 та 0,05 мм). Доведено, що для таких режимів оброблення спостерігається додатковий ефект перерізання хвиль і зменшення їх висоти.

Таблиця1

Параметри хвилястості на поверхні кочення зовнішнього кільця для процесів шліфування на верстаті-автоматі SIW-4B

Швидкість обертання деталі vд, об/хв | Глибина шліфування t, мм

0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | 0,05

мкм |

мм |

мкм |

мм |

мкм |

мм |

мкм |

мм |

мкм |

мм

30 | 0,2

0,2 | 1,05

1,05 | 0,8

0,8 | 1,1

1,1 | 0,7

0,7 | 1,08

1,08

40 | 0,7

0,65 | 1,35

1,35 | 1,5

1,5 | 1,48

1,48 | 0,8 | 1,27

50 | 2,0

2,0 | 1,84

1,84 | 1,7

1,7 | 1,75

1,75

60 | 1,8

1,8 | 2,3

2,3 | 1,5

1,5 | 2,2

2,2

70 | 1,8

1,5 | 2,7

1,3

80 | 1,5

1,05 | 2,89

1,46 | 2,8

1,9 | 2,9

1,49 | 5,7

5,7 | 2,9

2,9 | 5,9

5,9 | 2,95

2,95 | 5,9

5,9 | 2,95

2,95

90 | 5,0

3,4 | 3,34

1,7 | 5,0

2,7 | 3,3

1,69

100 | 3,0

2,1 | 3,8

1,83 | 4,4

2,85 | 3,6

1,87 | 5,0

3,15 | 3,6

1,83 | 5,0

3,1 | 3,62

1,82 | 5,9

3,45 | 3,6

1,85

110 | 5,1

3,45 | 4,08

2,05 | 4,3

3,6 | 4,05

2,03 | 4,8

3,7 | 4,08

2,01 | 5,2

4,0 | 4,07

2,12 | 5,3

3,85 | 4,05

1,98

120 | 7,3

4,4 | 4,73

2,15 | 7,5

5,05 | 4,4

2,2 | 7,3

4,8 | 4,43

2,24 | 5,7

4,4 | 4,28

2,18 | 6,0

4,15 | 4,17

2,1

130 | 8,0

4,8 | 4,79

2,4 | 10,0

5,95 | 4,76

2,38 | 10,0

6,3 | 4,67

2,07 | 8,0

5,5 | 4,72

2,35 | 7,8

5,6 | 4,75

2,3

150 | 10,4

5,9 | 5,5

2,75 | 14,8

7,95 | 5,53

2,77 | 14,9

8,15 | 5,5

2,69 | 13,7

8,2 | 5,53

2,79

160 | 12,0

6,55 | 5,88

2,97 | 15,5

8,35 | 5,79

2,91 | 18,2

9,9 | 5,84

2,93 | 15,8

9,0 | 5,78

2,93 | 12,3

8,45 | 5,8

2,9

170 | 22,8

12,1 | 6,28

1,96 | 16,2

9,85 | 6,18

3,07

Результати теоретичних і лабораторних досліджень перевірялися в заводських умовах.

Одним із поширених методів оброблення дискретних математичних моделей є інтерполяція функцій кубічними сплайнами - сплайн-інтерполяція (рис. 6). Процедури інтерполяції сплайнами широко реалізовані в сучасних математичних пакетах.

В пакеті MathCAD є ряд вбудованих функцій для інтерполяції сплайнами з різними граничними умовами, які використовувались при аналізі круглограм досліджуваних поверхонь кілець.

В результаті теоретичних та експериментальних досліджень запропоновано інженерну методику розрахунку параметрів хвилястості доріжок кочення зовнішніх кілець конічних роликопідшипників для конкретних умов шліфування та в залежності від технологічних параметрів. Методика шліфування з регульованою нормальною силою реалізована на дослідному зразку верстату-автомату SIW-4b на ВАТ ЛПЗ підтвердила ефективність запропонованого методу, що склала 38 тис. грн. в рік. За рахунок технологічного керування хвилястістю вдалося покращити й стабілізувати якість оброблюваних поверхонь зовнішніх кілець та підвищити експлуатаційні характеристики роликопідшипників. Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі ЛДТУ.

висновки

У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення наукової задачі, що виявляється в розробленні високопродуктивних методів виготовлення зовнішніх кілець роликових підшипників, які характеризуються покращеними експлуатаційними харакетристиками і є особистим розробленням автора. Задача вирішена за рахунок того, що автор вивів аналітичні залежності, які дозволяють визначити найраціональніші технологічні особливості процесу оброблення заготовок зовнішніх кілець роликових підшипників, дослідив динамічну модель формоутворення робочих поверхонь зовнішніх кілець, які забезпечують високу технологічність та продуктивність процесу оброблення зовнішніх кілець на операціях безцентрового шліфування.

1. На підставі аналізу літературних джерел та виробничого досвіду встановлено причини походження конструкційних та технологічних дефектів у підшипниках кочення, виявлено взаємозв’язки технологічних факторів формоутворюючих шліфувальних операцій з порушенням експлуатаційних характеристик кілець та підшипників в цілому. Виявлено, що технологічні дефекти роликопідшипників спричиняють низькочастотні (від 40 до 1300 Гц) та вискочастотні (від 1600 до 10000 Гц) вібрації, отже усунення цих експлуатаційних дефектів можливе шляхом направленого цілеспрямованого впливу на перебіг фінішних операцій механічного оброблення деталей.

2. Встановлено теоретичні залежності між числом тіл кочення в підшипнику , значенням динамічної хвилястості та параметрами k-ї гармоніки. Експериментально виявлено найнебезпечніше для експлуатаційної характеристики підшипника значення хвилястості, коли число хвиль кратне або дорівнює числу тіл кочення в структурі підшипника, що стало основою для вироблення стратегії технологічного керування експлуатаційними характеристиками роликопідшипника в процесі виготовлення.

3. Експериментально встановлено значення гармонік, які виникають від впливу окремих елементів шліфувального верстату-автомату SIW-4b. Так високочастотні гармоніки від 20 до 80 спричинені низькочастотними коливаннями бабки шліфувального круга, а також коливаннями системи приводу обертання та базування деталі. Гармоніки від 100 до 350 і вище спричинені коливаннями системи шпинделя шліфувального круга, хоча амплітуда високочастотних коливань значно менша і становить від 0,5 до 3,0 мкм.

4. Вперше розроблено математичну модель утворення хвилястості на робочих поверхнях кілець в процесі їх безцентрового шліфування з базуванням на жорстких опорах. Встановлено взаємозв’язки між динамічними та кінематичними параметрами процесу формоутворення (амплітуди, частоти коливань, співвідношення частот обертання круга й деталі з частотами коливань інструментального шпинделя), технологічними факторами (режими обробки, розміри, структура, конструкція круга) та параметрами хвилястості шліфованої поверхні. Отримано залежності, які дозволяють розрахувати координати формоутворюючих ліній контактування круга з поверхнею деталі в реальному часі, графічно побудувати профіль хвилі, визначити й прогнозувати параметри хвилястості.

5. На основі моделювання зв’язків технологічних чинників з параметрами ГСП шліфованої поверхні виявлено шляхи досягнення необхідних значень параметрів формоутворення поверхні кочення на безцентровошліфувальних автоматах SIW-4b, що втілено в рекомендованих режимах різання та характеристиках шліфувального інструменту. Наприклад, встановлено, що мінімальна амплітуда хвилястості шліфованої поверхні для низькочастотних гармонік відповідає співвідношенню частоти обертання деталі (60 об/хв) при глибинні різання 0,03 мм. Розбіжність теоретичних розрахунків та результатів експериментальних досліджень становить менше 10%.

6. Вперше на основі отриманої моделі формоутворення геометричної структури поверхні розроблено алгоритм і програма розрахунку координат профіля утвореної хвилястості, а також визначення амплітудних Wz, Wmax, крокових Smw та структурних nхв параметрів, які використано для інженерної методики проектування безцентровошліфувальних операцій. Розроблені алгоритми є основою для створеної методики автоматичного керування процесом шліфування з регульованою нормальною силою різання.

7. На підставі модульного принципу розроблено загальну математичну модель процесу безцентрового шліфування доріжок кочення, яка складається з окремих модулів - математичних моделей динамічної системи оброблюваної деталі, підсистеми шпинделя інструменту, зони різання і динамічної моделі кінематики верстату. Запропоновано методику сплайн-інтерполяції круглограм поверхонь кочення для встановлення небезпечних гармонік і значень режимів формоутворення на безцентровошліфувальних операціях.

8. На підставі математичного моделювання й проведених конструктивно-технологічних заходів розроблено методику керування процесом шліфування з регульованою нормальною силою різання. Впровадження методики дозволило зменшити амплітуду хвилястості з 2 мкм до 0,5-1 мкм та стабілізувати необхідне значення числа хвиль на поверхні кочення зовнішнього кільця роликопідшипника.

9. Впровадження теоретичних розробок та практичних рекомендацій дало змогу за рахунок вилучення операції чорнового шліфування отримати річний економічний ефект 38 тис. грн. Крім того використання результатів дисертаційних дослідженнь на діючому виробництві ВАТ Луцький підшипниковий завод дозволи забезпечити необхідний рівень якості робочих поверхонь і експлуатаційних характеристик роликопідшипників, знизити їх собівартість до 15% і, тим самим, підвищити ефективність автоматизованого переналагоджувального підшипникового виробництва.

Список основних праць публікованих за темою дисертації

1. Марчук В.І., Заблоцький В.Ю. Лапченко Ю.С.. Технологічне керування віброакустичними характеристиками роликопідшипників в умовах гнучких виробничих систем // Сучасні технології виробництва в розвитку економічної інтеграції та підприємництва // І Українсько-Польська наук. конф. 16-18 жовтня 2003 г., смт. Сатанів. – Хмельницький: Технологічний університет Поділля, 2003.-С. 98-103.

2. Марчук В.І., Матьошик В.О., Заблоцький В.Ю., Лапченко В.С.. Вдосконалення технології та експлуатаційних характеристик сепараторів роликопідшипників в умовах гнучко пере-налагоджувального виробництва // 4 междунар. науч.-техн. семинара (24-26 февраля 2004 г. - Свалява, Карпати).- Киев 2004 г.- С. 127-129.

3. Марчук В.І., Красовський В.В. Лапченко Ю.С.. Автоматизація дослідження точності при багато-інструментній механічній обробці // Автоматизація: проблеми, ідеї, рішення //Міжнар. наук.-техн. конф. Севастополь, 24-27 травня 2004 р. – Севастополь: СНТУ, 2004. – С. 27-30.

4. Марчук В.І., Лінчевський П.А. Наддачин В.Б. Лапченко Ю.С.. Моделювання формування хвилястості поверхонь обертання на операціях безцентрового шліфування кілець роликопідшипників // Наукові нотатки: Міжвуз. зб. (за напрямком “Інженерна механіка”). – Луцьк: ЛДТУ, 2004. -Вип.15.– С.204-216.

5. W. Marchuk, W. Zablocki Ju.Lapczenko. Technologiczne zapewnienie wlasciwosci eksploatacyjnych lozysk rolkowych w trakcie operacji montazu i prob w zautomatyzowanej produkcji // Materialy V Miedzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej. Technika i technologia montazu maszyn. – Rzeszow – Cedzyna k/Kielc, osrodek “Echo”, 2004.

6. Марчук В.І., Заблоцький В.Ю. Лапченко Ю.С. Віброакустичне діагностування експлуатаційних характеристик роликопідшипників // Збірник наукових праць V науково-технічної конференції Приладобудування 2006: стан і перспективи, 25-26 квітня 2006, Київ, ПБФ НТУУ “КПІ”, 2006. – 296 с.

7. Марчук В.І., Денисюк В.Ю. Лапченко Ю.С. Технологічне керування віброакустичними характеристиками доріжок кочення кілець роликопідшипників на операціях безцентрового шліфування // Физические и компьютерные технологии // Труды 11-й Международной науч.-техн. конф., 2-3 июня 2005г.: Харьков: ХНПК “ФЭД”, 2005. – С. 72-75.

8. Марчук В.І., Лапченко Ю.С. Моделювання процесу адаптивного безцентрового шліфування доріжок кочення кілець роликопідшипників на автоматі SWA AGL-125 // Наукові нотатки: Міжвуз. зб. (за напрямком “Інженерна механіка”). – Луцьк: ЛДТУ, 2005.– Вип. 17.- С. 219-230.

9. Марчук В.І., Лапченко Ю.С. Пристрій для динамічного гасіння високочастотних коливань шліфувального круга // Резание и инструмент в технологических системах// Международный научно-технический сборник. – Харьков, НТУ “ХПИ”, выпуск 70, 2006. – С. 298-301.

10. Марчук В.І., Лапченко Ю.С. Технологічне керування високочастотними коливаннями шліфувального круга при врізному безцентровому шліфуванні // Машиностроение и техносфера ХХІ века // Сборник трудов ХІІІ международной научно-технической конференции. – Донецк, том 5, 2006. – с. 279-282.

11. Лапченко Ю.С. Вплив нормальної сили ы ріжучих властивостей круга на основний час шліфування // Наукові нотатки: Міжвуз. зб. (за напрямком “Інженерна механіка”). – Луцьк: ЛДТУ, 2007.– Вип. 19.- С. 160-164.

12. Марчук В.І., Лапченко Ю.С. Динамічна модель процесу безцентрового шліфування доріжок кочення внутрішніх кілець роликопідшипників // Наукові нотатки: Міжвуз. зб. (за напрямком “Інженерна механіка”). – Луцьк: ЛДТУ, 2007.– Вип. 19.- С. 212-218.

Анотація

Лапченко Ю.С. Технологічне забезпечення експлуатаційних характеристик кілець роликопідшипників. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. – тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя. –Тернопіль, 2007.

Робота присвячена підвищенню експлуатаційних характеристик роликопідшипників і, на цій основі, створення методів направленого технологічного впливу та керування автоматизованими процесами в умовах переналагоджувального підшипникового виробництва.

Розроблена математична модель утворення хвилястості на робочих поверхнях кілець в процесі їх безцентрового шліфування з базуванням на жорстких опорах. Встановлені взаємозв’язки між динамічними і кінематичними параметрами процесу формоутворення (амплітуди, частоти коливань, співвідношення частот обертання круга і деталі з частотами коливань інструментального шпинделя) технологічними факторами (режими обробки, розміри, структура, конструкція круга) та параметрами хвилястості шліфованої поверхні.

На основі модульного принципу розроблена інженерна методика вдосконалення процесу безцентрового шліфування доріжок кочення, яка складається з окремих модулів - математичних моделей динамічної системи оброблюваної деталі, підсистеми шпинделя інструменту, зони різання і динамічної моделі кінематики верстата.

Ключові слова: роликопідшипник, зовнішнє кільце, безцентрове шліфування, нормальна сила різання, сплайн-інтерполяція, технологічний процес.

Аннотация

Лапченко Ю.С. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик колец роликоподшипников. – Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.02.08 – технология машиностроения. – Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя. – Тернополь, 2007.

Работа посвящена повышению эксплуатационных характеристик роликоподшипников и, на этой основе, создания методов направленного технологического влияния и управления автоматизированными процессами в условиях переналадочного подшипникового производства.

В первом разделе проведен анализ известных в литературе результатов исследований технологических процессов изготовления внешних колец роликоподшипников. Проведен статистический анализ производственный дефектов рабочих поверхностей роликоподшипников и анализ причин появления технологических дефектов.

Во втором разделе исследованы причины происхождения вибраций и ухудшения эксплуатационных характеристик конических роликоподшипников. Установлено, что в подшипниках качения возникают вибрации разного происхождения с широким спектром амплитудно-частотных характеристик. Вибрации роликовых подшипников имеют разную природу та разделяются на структурные, конструкционные та технологические, которые зависят от загрязнения и от других недостатков эксплуатации.

В третьем разделе разработана математическая модель образования волнистости на рабочих поверхностях колец в процессе их бесцентрового шлифования с базированием на жестких опорах. Установлены взаимосвязи между динамическими и кинематическими параметрами процесса формообразования (амплитуды, частоты колебаний, соотношения частот вращения круга и детали с частотами колебаний инструментального шпинделя).

В четвертом разделе приведена практическая реализация технологии бесцентрового шлифования внешних колец роликоподшипников с регулируемой нормальной силой резания. Определено, что во время шлифования деталей с эксцентриситетом вначале процесса появляются значительные колебания нормальной силы резания. Изучение характера изменений нормальной силы показало, что только на 6-8 оборотах, деталь начинает шлифоваться по всему контуру. Предложенный способ бесцентрового шлифования поверхностей качения внешних колец с регулируемой нормальной силой позволяет на 50% понизить высотные параметры волнистости и на 20% увеличить опорную площадь поверхности качения.

В пятом разделе приведены методики экспериментальных исследований процессов бесцентрового шлифования внешних колец роликоподшипников. Разработана инженерная методика управления параметрами волнистости на операциях бесцентрового шлифования за счет использования кругов разной конструкции, количества выступов и режимов обработки, а также их различного сочетания для достижения эффекта самоперерезания волн.

Ключевые слова: роликоподшипник, внешнее кольцо, бесцентровое шлифование, нормальная сила резания, сплайн-интерполяция, технологический процесс.

Annotation

Lapchenko Y.S. the Technological providing of operating descriptions rings of roller bearings. - Manuscript.

Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineering’s sciences of specialty 05.02.08 technology of engineer in a Ternopil State Technical University of the name of Ivan Pulyuya. – Ternopil, 2007.

Work is devoted to increase of operating descriptions of roller bearings and creation of methods of the directed technological influencing and management the automated processes in the conditions of bearing production.

The mathematical model of formation of waviness is developed for the workings surfaces of rings in the process of their without-center polishing with basing on hard supports. Intercommunications are seted between the dynamic and kinematics parameters of process of forming (amplitudes, frequencies of vibrations, correlation of frequencies of rotation of circle and detail with frequencies of instrumental vibrations) technological factors (modes of treatment, sizes, structure, construction of circle) and parameters of waviness of the polished surface.

On the basis of module principle developed the engineering method of perfection process of the without-center polishing of paths of rolling, which consists of the separate modules - mathematical models of the dynamic system of the processed detail, subsystem of instrument, area of cutting and dynamic model of kinematics of machine-tool.

Keywords: rolling bearing, outer ring, without-center polishing, normal cutting force, spline-interpolation, technological process.