Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 12
1.1. Влияние геометрической точности и качества рабочих поверхностей прецизионных деталей на эксплуатационные характеристики изделий 12
1.2. Основные закономерности процесса суперфиниширования 21
1.2.1. Особенности процесса суперфиниширования 21
1.2.2. Основные пути повышения производительности суперфи- ниширования
1.2.3. Точность и качество поверхности деталей после обработки
суперфинишированием 26
1.2.4. Влияние технологических параметров суперфиниширова- ния на точность и качество поверхности деталей 30
1.3. Влияние способов суперфиниширования на точность и качество конических поверхностей деталей 40
1.4. Выводы, цель и задачи исследования 48
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование процесса суперфиниширования конических поверхностей с двойной осцилляцией инструмента 53
2.1. Теоретическое исследование влияния способа суперфиниширования с двойной осцилляцией инструмента на производительность обработки 55
2.2. Теоретическое исследование влияния способа суперфиниширования с двойной осцилляцией инструмента на точность формы 64
2.2.1. Исследование влияния способа суперфиниширования с двойной осцилляцией инструмента на точность формы конического профиля заготовок в продольном сечении 65
2.2.2. Исследование влияния способа суперфиниширования с двойной осцилляцией инструмента на волнистость конического профиля заготовок в поперечном сечении 70
2.3. Исследование процесса суперфиниширования конических
поверхностей заготовок, ограниченных бортами 89
2.4. Выводы 94
ГЛАВА 3. Методика проведения экспериментальных исследований. научная аппаратура и оборудование 96
3.1. Показатели эффективности процесса суперфиниширования 96
3.2. Контролируемые параметры. Методы и средства измерения .96
3.3. Условия проведения исследований и техника эксперимента .100
3.3.1. Образцы для исследований 100
3.3.2. Абразивный инструмент ..103
3.3.3. Экспериментальная установка
3.3.4. Режимы обработки 121
3.4. Метрологическая оценка показателей эффективности процесса суперфиниширования 122
3.5. Планирование экспериментов, состав и количество опытов 124
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования способа суперфиниширования с двойной осцилляцией инструмента 127
4.1. Исследование влияния элементов режима обработки на эффективность процесса суперфиниширования с двойной осцилляцией инструмента 127
4.2. Исследование влияния способа суперфиниширования на производительность обработки 147
4.3. Исследование влияния способа суперфиниширования на точность обработки 148
4.4. Исследование влияния способа суперфиниширования на качество поверхности и состояние поверхностного слоя 153
4.5. Выводы 160
ГЛАВА 5. Опытно - промышленная проверка и внедрение результатов исследований в производство 162
5.1. Место проведения опытно - промышленной проверки и внедрения результатов исследований в производство 162
5.2. Результаты стендовых испытаний 166
5.3. Технико - экономическая эффективность от внедрения нового способа суперфиниширования с двойной осцилляцией инструмента в производство 177
5.4. Выводы 180
Общие выводы -...181
Библиографический список
- Основные закономерности процесса суперфиниширования
- Теоретическое исследование влияния способа суперфиниширования с двойной осцилляцией инструмента на точность формы
- Контролируемые параметры. Методы и средства измерения
- Исследование влияния способа суперфиниширования на производительность обработки
Введение к работе
В современном машиностроении широко применяются прецизионные детали с высокоточными коническими поверхностями, к которым относятся конические подшипники, используемые в автомобильной, станкостроительной и многих других отраслях промышленности.
В настоящее время технический уровень изготовления конических подшипников находится ниже уровня качества цилиндрических шарико -и роликоподшипников. Поэтому перед подшипниковой промышленностью стоит проблема повышения эксплуатационных характеристик конических подшипников, которые во многом зависят от точности геометрической формы дорожек качения колец и качества их поверхностного слоя, формируемых на заключительной стадии технологического процесса изготовления колец.
Основным методом окончательной обработки дорожек качения колец конических подшипников является суперфиниширование. Однако традиционные способы суперфиниширования конических поверхностей не могут обеспечить достаточно высокой производительности обработки, требуемой точности формы дорожек качения колец и необходимого качества поверхностного слоя. Повысить эффективность этого технологического процесса можно за счет придания абразивному бруску дополнительных движений, в частности осциллирующих, которые способствовали бы повышению режущей способности бруска, изменению характера и величины съема металла с заготовки.
Поэтому исследование процесса суперфиниширования заготовок колец конических подшипников и разработка на его основе нового способа обработки с целью повышения производительности и качества изготовления прецизионных деталей является важной научной задачей. В настоящей диссертационной работе представлен комплекс теоретико - экспериментальных исследований влияния параметров способа суперфиниширования с двойной осцилляцией инструмента на производительность обработки и качество заготовок колец конических подшипников.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Новый способ суперфиниширования конических поверхностей с двойной осцилляцией инструмента, обеспечивающий повышение производительности обработки, точности формы и качества поверхностного слоя прецизионных деталей.
2. Результаты теоретико - экспериментальных исследований процесса суперфиниширования с двойной осцилляцией инструмента: аналитические условия для его реализации и кинематическая модель для определения рациональных режимов обработки.
3. Результаты экспериментальных исследований влияния параметров предлагаемого способа суперфиниширования на производительность и качество обработки.
4. Результаты опытно - промышленных испытаний и внедрения разработок в промышленность.
Автор выражает благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору кафедры "Инструментальные системы и сервис автомобилей" Самарского государственного технического университета Рахчееву Валерию Геннадьевичу за помощь, оказанную при выполнении данной работы.
Основные закономерности процесса суперфиниширования
В настоящее время в серийном и массовом производстве при изготовлении прецизионных деталей предъявляются высокие требования к точности и шероховатости поверхности: некруглость менее 1 мкм, волнистость менее 0,2 мкм, нецилиндричность и непрямолинейность образующей менее (2 - 5) мкм, параметр шероховатости Ra = (0,02 - 0,08) мкм, отсутствие дефектного слоя металла (структурно-фазовых изменений, напряжений растяжения, микротрещин), определенные значения параметров формы микронеровностей и опорной поверхности [98 - 103].
Обеспечение этих требований достигается на финишных операциях технологического процесса изготовления деталей. Основным методом финишной абразивной обработки является суперфиниширование (рис. 3) h———Н Рис. 3. Схема движений бруска и заготовки при суперфинишировании: 1 - заготовка; 2 — брусок; V0K — окружная скорость заготовки; S — осевая подача; Voc — скорость осевой подачи; щр — частота колебаний бруска; а — размах колебаний; ас — угол сетки
При контакте рабочей поверхности бруска с обрабатываемой поверхностью заготовки происходит царапание металла одновременно большим числом абразивных частиц. Размер таких частиц при суперфинишировании составляет (5 - 20) мкм, среднее число частиц на поверхности бруска (4-Ю2 - 5-Ю3) зерен на 1 мм2 [2]. Основными видами взаимодействия абразивных зерен с металлом являются микрорезание со снятием тончайших стружек и трения с пластическим оттеснением металла. Для интенсивного резания необходимо, чтобы абразивный брусок самозатачивался путем скалывания и вырывания затупившихся зерен из связки.
Путем выбора оптимальных характеристик брусков и регулирования параметров обработки (скорости, давления) можно управлять процессом обработки, осуществляя на первой стадии непрекращающееся резание металла в течение достаточно длительного времени, необходимого для исправления погрешностей формы заготовки, удаления исходной шероховатости и дефектного слоя. Скорость съема металла при этом составляет (2 - 4) мкм/с. Для получения поверхности с малой шероховатостью Ra = (0,04 - 0,08) мкм, а также для создания благоприятного микрорельефа поверхности деталей и упрочненного поверхностного слоя металла процесс обработки на заключительной стадии может быть переведен в режим преобладающего граничного трения, при котором съем металла резко сокращается, а брусок выглаживает обрабатываемую поверхность. Такой переход можно осуществить, изменяя параметры обработки: повышая окружную скорость заготовки или инструмента, снижая давление бруска и частоту колебаний бруска.
Ранее применявшийся процесс обработки брусками с самопрекращением резания и съема металла был неуправляемым и не мог обеспечивать стабильного качества деталей, так как самопрекращение съема металла часто происходит значительно раньше, чем удаляется припуск, необходимый для исправления погрешностей формы и устранения дефектного слоя [117].
В отличие от шлифования, при котором контактная поверхность составляет незначительную часть рабочей поверхности круга, при суперфинишировании брусок постоянно контактирует с заготовкой по всей рабочей поверхности. Причем в начальный момент времени брусок прирабатывается к обрабатываемой поверхности. Такой контакт пары брусок-заготовка способствует повышению производительности обработки и точности формы деталей. Давление при суперфинишировании на поверхности контакта бруска с заготовкой составляет (0,1 - 1) МПа, что в (10 -100) раз меньше, чем давление при шлифовании. Скорость резания при обработке брусками (10-100) м/мин, то есть в (15 - 100) раз ниже, чем при шлифовании. В результате при суперфинишировании тепловыделение в зоне обработки значительно ниже, чем при шлифовании, а контактная температура не превышает (60 - 100) С. Таким образом, отсутствуют физические причины образования в поверхностном слое микротрещин и прижогов, а также остаточных напряжений растяжения [110].
Характерным признаком процесса суперфиниширования является повышенная частота (20 - 50 Гц) колебаний абразивного бруска. Колебательное движение интенсифицирует процессы резания металла и самозатачивания бруска, создает более однородный микрорельеф с меньшей шероховатостью обработанной поверхности.
Процесс суперфиниширования характеризуется сложной кинематикой, совмещением нескольких рабочих движений инструмента и заготовки. Изменяя соотношение скоростей этих движений, можно получить различные траектории и скорость движения абразивного зерна по обрабатываемой поверхности и, соответственно, влиять на механизм процесса взаимодействия абразивного бруска с заготовкой.
Теоретическое исследование влияния способа суперфиниширования с двойной осцилляцией инструмента на точность формы
Как отмечалось в разделе 1.1 точность формы поверхностей вращения характеризуется в соответствии со стандартом ГОСТ 24642 - 81 следующими видами отклонений (погрешностей) формы: отклонение от круглости, частными видами которого являются овальность и огранка, и отклонение профиля продольного сечения, частными видами которого являются конусообразность, бочкообразность и седлообразность. Волнистость - это неровности поверхности, занимающие промежуточное положение по шагу между шероховатостью и отклонениями геометрической формы. В зависимости от кинематики процесса механической обработки, различают поперечную и продольную волнистость. Продольная волнистость образуется в направлении вектора скорости резания, поперечная -в плоскости, перпендикулярной ему.
Если параметр формы - отклонение от круглости зависит от жесткости технологической системы (жесткость шпинделя станка, оправки, крепления инструмента и т.д.), то параметры отклонения профиля продольного сечения и волнистость заготовки определяются траекторией движения инструмента по обрабатываемой поверхности. Особо остро стоит вопрос обеспечения высокой точности формы продольного сечения и волнистости конических поверхностей. Поэтому для обеспечения высокой точности формы конического профиля и низкой волнистости при способе суперфиниширования с двойной осцилляцией инструмента требуется проведение самостоятельного теоретического исследования.
Анализ существующих способов суперфиниширования, выполненный в разделе 1.3, показал, что они имеют серьезные недостатки, главным из которых является невозможность обеспечения высокой точности формы конического профиля заготовки.
Способ суперфиниширования с продольным перемещением бруска является наиболее распространенным как в отечественной, так и в зарубежной промышленности. При перемещении бруска вдоль обрабатываемого конического профиля, его рабочая поверхность из - за самозатачиваемости приобретает геометрическую форму в виде дуги окружности с максимальным радиусом. Это объясняется тем, что при движении, например, бруска от минимального диаметра конической поверхности к максимальному, брусок встречается на своем пути с множеством увеличивающихся диаметров, которые препятствуют его движению. Под действием усилия от исполнительных механизмов станка рабочая поверхность бруска, имеющая форму дуги окружность с минимальным радиусом, постепенно самозатачивается и приобретает геометрическую форму в виде дуги окружности с максимальным радиусом. При этом, когда брусок взаимодействует с максимальным диаметром, он контактирует всей своей рабочей поверхностью и удаляет с нее наибольший слой металла. При обратном движении брусок, не встречая никакого сопротивления, не изменяет свою форму рабочей поверхности, и когда он взаимодействует с минимальным диаметром, то контакт происходит средней частью его рабочей поверхности. Это приводит к тому, что с минимального диаметра снимается намного меньший слой металла, чем с максимального. Такие условия съема металла приводят к неравномерности удаления припуска с конической поверхности, а, следовательно, и к искажению ее формы. Таким образом, указанное условие контактирования не позволяет целенаправленно воздействовать на отдельные участки обрабатываемой конической поверхности с целью формирования ее заданной формы.
Врезное суперфиниширование, при котором брусок прижимается к обрабатываемой поверхности вращающейся заготовки и совершает осциллирующее движение, получило в промышленности меньшее распространение, чем суперфиниширование с продольным перемещением бруска. При обработке конических поверхностей врезное суперфиниширование также не обеспечивает высокую точность формы. При контактировании бруска его профиль самозатачивается и приобретает форму, идентичную форме его рабочей поверхности. При этом в каждом поперечном сечении заготовки удаляются близкие между собой микрообъемы металла за счет применения бруска постоянной толщины. Но так как в каждом поперечном сечении радиусы заготовки различны, то с наибольшего диаметра конической поверхности удаляется наименьший припуск, а с наименьшего диаметра - наибольший припуск. Неравномерность удаления припуска в различных поперечных сечениях заготовки приводит к искажению формы конической поверхности.
Способ суперфиниширования конических поверхностей, разработанный Рахчеевым В.Г. и Филиным А.Н., при котором брусок путем обкатывания без проскальзывания перемещается вдоль обрабатываемого профиля, недостаточно полно решает задачу повышения их точности формы. Удаление припуска с обрабатываемой конической поверхности происходит за счет применения специального абразивного бруска в форме трапеции.
Контролируемые параметры. Методы и средства измерения
Эффективность процесса суперфиниширования заготовок колец конических подшипников оценивали по следующим показателям: - отклонение от круглости А , мкм; - волнистость поверхности Wz, мкм; - отклонение угла конуса Аа, мкм; - среднее арифметическое отклонение профиля Ra, мкм; - съём металла Q, мм / мин; - тангенциальные остаточные напряжения ат, МПа; - микротвердость Н50, МПа; - содержание остаточного аустенита Аост, % .
В ходе проведения экспериментов контролировали следующие параметры: - частота вращения заготовки п3, об / мин; - частота осцилляции инструмента в поперечном сечении заготовки п„сЦ.поп, дв. ход / мин ; - амплитуда осцилляции инструмента А в поперечном сечении заготовки, град.; - частота осцилляции инструмента в осевом сечении заготовки п0сц.ос, дв. ход / мин ; - давление инструмента р, МПа; - отклонение от круглости Акр, мкм; - волнистость поверхности Wz, мкм; - отклонение угла конуса Аа, мкм; - среднее арифметическое отклонение профиля Ra, мкм; - съём металла Q, мм3 / мин; - тангенциальные остаточные напряжения ст, МПа; - микротвердость Н50, МПа; - содержание остаточного аустенита Аост, % ; - время суперфиниширования /, мин .
Контроль элементов режима суперфиниширования - частоты вращения заготовки п3; частоты осцилляции инструмента в поперечном сечении заготовки посцмоп; амплитуды осцилляции инструмента А в поперечном сечении заготовки; частоты осцилляции инструмента в осевом сечении заготовки посцж ; давления инструмента р - производили по индикаторам на панели управления станка.
Время суперфиниширования / фиксировали секундомером "Агат" с ценой деления 0,25 с точностью до 1 с.
Измерение отклонения от круглости Акр и волнистости Wz производили на кругломере мод. "Талиронд - 200" фирмы "Тейлор - Гобсон" (Англия) по методике ГОСТ 24642 -81. Запись круглограммы осуществляли в полярных координатах при увеличении в 10 000 раз.
Контроль размерных параметров колец подшипников проводили согласно руководящему документу РД 37.006.100 - 90, разработанному НПО ВНИПП.
Отклонение угла конуса Аа дорожки качения внутренних колец контролировали на приборе У - 451М с использованием измерительной головки 02ИГП ГОСТ 28798 - 90.
Шероховатость поверхности заготовок по параметру Ra измеряли на профилометре мод. "Талисерф - 5" фирмы "Тейлор - Гобсон" (Англия).
Съем металла Q при суперфинишировании определяли по методике, изложенной в ГОСТ 21445 - 84.
Определение остаточных напряжений проводили методом непрерывного тензометрирования с последующим расчетом по соответствующей методике [163].
Исследуемые кольца роликовых радиально - упорных конических подшипников не удовлетворяли условию симметрии поперечного сечения относительно срединной плоскости [133]. При удалении поверхностных слоев металла с таких колец, кроме изменений диаметра 5Т, дополнительно имели место угловые деформации диаметральных сечений разрезанно го кольца \/, которые проявлялись
Исследование влияния способа суперфиниширования на производительность обработки
Исследования выполнены с целью определения влияния на производительность обработки, точность формы и качество поверхности заготовок таких элементов режима суперфиниширования как угловая амплитуда осцилляции инструмента А, частота осцилляции инструмента в поперечном сечении заготовки посцмоп, частота вращения заготовки п3, частоты осцилляции инструмента в осевом сечении заготовки посцж, давление инструмента р и характеристики абразивного бруска, а также установления рациональных режимов обработки.
Установлено, что на точность формы заготовки в поперечном сечении (по параметру отклонение от круглости) и волнистость существенно влияет угловая амплитуда А осцилляции инструмента (рис. 32).
Как видно из рис. 32, отклонение от круглости и волнистость значительно уменьшаются при увеличении угловой амплитуды колебаний бруска. Причем существенное снижение параметров наблюдается в диапазоне А от 50 до 70. Наименьшее значение параметров наблюдается при угловой амплитуде колебаний бруска, равной 70. Незначительное снижение параметров при амплитуде колебаний бруска до 30 объясняется тем, что длина дуги взаимодействия бруска с обрабатываемой поверхностью заготовки не обеспечивает перекрытия большого числа волн на обрабатываемой поверхности. При этом происходит копирование погрешностей формы, оставшихся от предшествующей обработки. Увеличение длины взаимодействия бруска с обрабатываемой поверхностью заготовки, за счет увеличения амплитуды осцилляции бруска свыше 70, дает отрицательный эффект. Экспериментальные исследования показали, что при этом наблюдается динамическая неустойчивость суперфинишной головки станка, возникает вибрация головки и на обрабатываемой поверхности появляются следы от вибраций.
Таким образом, осциллирующее колебательное движение инструмента в плоскости, перпендикулярной оси вращения заготовки, с амплитудой А, равной 70, позволяет значительно повысить точность формы по параметрам отклонения от круглости и волнистости. Полученные результаты согласуются с результатами теоретических исследований (см. табл. 10 и рис. 26), показывающих, что с увеличением угловой амплитуды осцилляции инструмента увеличивается количество волн, охватываемых рабочей поверхностью инструмента на обрабатываемой поверхности заготовки.
Результаты исследований влияния частоты осцилляции инструмента в поперечном сечении заготовки пОСЦ)ЮП на отклонение от круглости и волнистость представлены на рис. 33.
Экспериментально установлено, что повышение частоты осцилляции инструмента с 750 до 7500 дв. ход / мин приводит к увеличению от клонения от круглости и волнистости. Поэтому, с точки зрения достижения наименьших параметров отклонения от круглости и волнистости, для данных условий обработки, рациональным числом колебаний бруска является посцмоп = 750 дв. ход / мин. При этом обеспечивается необходимая скорость резания, а абразивные зерна, работая всеми гранями, изнашиваются равномерно и используются с высокой эффективностью.
На рис. 34 приведены результаты исследований влияния частоты вращения заготовки п3 на отклонение от круглости и волнистости дорожек качения колец подшипников. Как видно из рисунка, при новом способе суперфиниширования с двойной осцилляцией инструмента наименьшие значения отклонения от круглости и волнистости дорожек качения колец наблюдаются при частоте вращения заготовки п3 =7500 об/мин. Характерно, что при уменьшении частоты вращения заготовки наблюдается снижение съема металла.
