Качество поверхности и долговечность подшипников после дробеструйных способов обработки

Повышение надежности и долговечности опор качения наряду с конструкторскими решениями может быть достигнуто путем рационального воздействия на поверхностные слои деталей технологическими методами. Использование традиционных способов ППД, основанных на вдавливании деформирующего инструмента в обрабатываемую поверхность (обкатывание шариком, роликом, алмазное выглаживание) нетехнологично при обработке маложестких тонкостенных кольцевых деталей со сложной конфигурацией поверхности, имеющих малоразмерные конструктивные элементы в виде галтелей и канавок. Поэтому получила распространение схема обработки, при которой отсутствует жесткая кинематическая связь деформирующего инструмента с обрабатываемой поверхностью. К подобной схеме относятся способы дробеструйной обработки с применением СОЖ на пневмодробеструйных и гидродробе-струйных установках [1, 2].

зависимости шероховатости поверхности от режимов обработки:

к.-с^цр^кТ. , мкм где p – рабочее давление на выходе сопла-эжектора, МПа; d – диаметр дроби, мм; t – время обработки участка поверхности, с; R _{a исх} – параметр исходной шероховатости, мкм.

После логарифмирования получим линейное уравнение регрессии в виде:

У = lgR_a = ^0 + Р_гХу + ^2^2 + №+М, где Y – истинное значение шероховатости поверхности в логарифмическом масштабе; X₁, X₂, X₃, X₄ – логарифмы соответственно p, d, t, R_{a исх}; Ро —Р* ~ искомые коэффициенты, оценка которых должна быть определена.

В результате эксперимента будет получена эмпирическая модель вида:

У = Ь_о I Ь^ + Ь₂Х₂ + Ь₃Х₃ + Ь₄Х₄ , где У – оценка V = lgRa , b₀ … b₄ – оценки коэффициентов Ро — Ра .

В табл. 1 указаны основные уровни и интервалы варьирования контролируемых факторов режима при обработке дорожек качения колец радиальных роликоподшипников по плану ДФЭ 24-1.

Используя встроенные статистические функции пакета MS Excel, в табл.2 приведены результаты статистического оценивания линейного уравнения регрессии и его коэффициентов.

Из анализа уравнения следует, что в принятой локальной области определения факторов (см. табл.1) фактор Х3 – время обработки поверхности – оказался статистически незначим, что не получило отражения в ранее выполненной работе [3]; повышение рабочего давления и, следовательно, возрастание кинетической энергии деформирующего тела приводит к увеличению шероховатости обработанной поверхности вследствие увеличения глубины остаточного отпечатка; увеличение диаметра дроби способствует уменьшению

Таблица 1. Уровни факторов и интервалы их варьирования

Уровни факторов	Обозначение	p, МПа	d, мм	t, c	R a исх
Основной	0	0,28	1,25	37,5	0,29
Интервал варьирования	Axi	0,12	1,15	22,5	0,21
Верхний	1	0,4	2,4	60	0,5
Нижний	-1	0,16	0,1	15	0,085

Таблица 2. Оценка параметров уравнения регрессии

№ X0 X1 X2 X3 X4 X1X3=X2X4 X1X4=X2X3 Yr3KCn Угед (УГэксп—Угед)2 (Угед ср- Угед) 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -0,6198 -0,6033 0,0003 0,0059 2 1 1 -1 1 -1 1 -1 -0,4437 -0,4602 0,0003 0,0044 3 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -0,3187 -0,3022 0,0003 0,0502 4 1 -1 1 -1 1 1 -1 -0,3468 -0,3633 0,0003 0,0266 5 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -0,8239 -0,8074 0,0003 0,0790 6 1 1 -1 -1 1 -1 1 -0,3279 -0,3444 0,0003 0,0331 7 1 -1 1 1 -1 -1 1 -0,9208 -0,9373 0,0003 0,1689 8 1 1 1 1 1 1 1 -0,4089 -0,3924 0,0003 0,0179 Y = -0,5263+0,0252X1-0,0988X2+0,1757X4+0,0715X1X3-0,043X1X4 _ = У reg ср -0,5263 0,0022 0,3860 bi -0,0430 0,0715 0,1757 0,0033 -0,0988 0,0252 -0,5263 S2(y) = 0,0467 oi 0,0165 0,0165 0,0165 0,0165 0,0165 0,0165 0,0165 S(bi) = 0,0165 Коэффициенты корреляции R2 0,9944 0,0467 #н/д #Н/Д #Н/Д #Н/Д #Н/Д X1X2 0 F расч 29,4964 1,0000 #н/д #Н/Д #Н/Д #Н/Д #Н/Д X1X3 0 SS 0,3860 0,0022 #Н/Д #Н/Д #Н/Д #Н/Д #Н/Д X1X4 0 Оценка достоверности коэффициентов уравнения регрессии X1Y 0,114 ti = bi/oi 2,61 4,33 10,64 0,20 5,98 1,53 31,87 Оценка R2 X2Y -0,448 Р 0,2332 0,1445 0,0596 0,8749 0,1054 0,3691 0,0200 а 1-а X3Y 0,015 1-Р 0,7668 0,8555 0,9404 0,1251 0,8946 0,6309 0,9800 0,14 0,86 X4Y 0,798 шероховатости. Наибольшее влияние на формирование шероховатости оказывает исходная шероховатость поверхности качения, что отражает проявление технологической наследственности и накладывает ограничения на область применения дробеструйных способов обработки.

Переходя от уравнения регрессии в кодированном виде к выражению с натуральными значениями переменных и потенцируя, получим искомую зависимость:

. „(o-M-nSstop) ^(O.B9+1.1 bFsp)

, мкм.

Я p2,02,^0,143

Приведенные на рис. 1 графики изменения параметра шероховатости поверхности дорожки качения колец показывают, что в пределах применяемых режимов упрочняющей обработки достигается уменьшение шероховатости лишь шлифованных поверхностей с Raисх=0,32…0,63 мкм. Минимальные значения параметра Ra составляют 0,17…0,19 мкм после УМШ и 0,11…0,13 мкм после ГДУ.

Результаты измерений (табл.3) высотных и шаговых параметров шероховатости Rmax, Rz, Ra, волнистости Нв, огранки Ног, отклонений от прямолинейности образующей дорожки качения h, а также значений параметров начального участка опорной кривой свидетельствуют о том, что чем ниже исходная шероховатость и интенсивнее режимы дробеструйной обработки, тем в большей степени возрастают высотные параметры шероховатости обработанной поверхности и погрешности формы в поперечном и продольном сечениях кольца.

При переходе от шлифования к суперфинишированию наряду с уменьшением высотных параметров шероховатости наблюдается снижение относительной опорной длины профиля поверхности дорожки качения на начальных уровнях сближения, особенно характерное для Ra ≤ 0,08 мкм. Известно, что такие поверхности с остроконечными вершинами выступов и низкой опорной способностью слабо сопротивляются контактным нагрузкам,

Рис. 1. Зависимости параметра Ra после УМШ (сплошные линии) и ГДУ (штриховые линии) от давления p на выходе сопла-эжектора:

а – при t = 30 c и Raисх= 0,5 мкм (1); Raисх= 0,25 мкм (2); Raисх= 0,08 мкм (3); б – при Raисх= 0,08 мкм и t = 60 c (4); t=30 с (5); t = 15 с (6)

плохо удерживают смазку и характеризуются повышенным износом приработки. Применение для этих поверхностей УМШ или ГДУ, несмотря на некоторое увеличение высотных параметров шероховатости, значительно уменьшает следы абразивной обработки, формирует характерный микрорельеф с наличием масляных карманов, удерживающих смазку, повышает опорную способность профиля и контактную жесткость поверхности качения, что способствует увеличению сопротивляемости различным видам износа и сохранению заданных зазоров в подшипнике.

На рис. 2 приведены результаты исследований микротвердости Н_0,981 и остаточных напряжений ( о₆ -цо₅) в ^,поверхностном слое дорожек качения внутренних колец подшипников 6-32205Д1 в зависимости от способов обработки и длительности стендовых испытаний при максимальных контактных напряжениях □_zmQX = 2200 МПа. При исследовании остаточных напряжений использовался метод колец и полосок, а напряжения в кольцах подшипников рассчитывали по формулам, приведенным в работе [4], полученным на основе авторского свидетельства [5]; здесь ( Об - ^ – компо-

Рис. 2. Влияние способов обработки и продолжительности стендовых испытаний подшипника на изменение физико-механических характеристик:

1 – суперфиниширование; 2 – суперфиниширование + УМШ (р=0,2 МПа; t=40с);

3 – суперфиниширование + УМШ + 50 ч стендовых испытаний

Таблица 3. Параметры шероховатости поверхности дорожки качения колец

Способ обработки дорожки качения внутреннего кольца подшипника Параметры микропрофиля, мкм Относительная опорная длина профиля tp при относительном сближении е -i ж 2 R °- О ° Л * у = 8 У У'О к я ° X О я я 5 н « X и у t о я О я х к Е о; N ct 9 о; -о а: о а: 0,1 0,2 0,3 Шлифование 4,3 3.4 0,6 1 ,5 1 .3 0,18 0,3 0,4 1 УМШ (р — — 0,4 МПа; Г—15 с) 3.4 2,4 0,47 2 1.5 0,2 0,3 0.5 3,5 Суперфиниширование 0,9 0,75 0,1 0,2 0,2 0,16 0,29 0,42 0 УМШ (р = — 0.4 МПа: / — 60 с) 3 2,2 0,36 0,6 0,5 0,15 0,2 0,38 4,5 Суперфиниширование , 0,8 0,62 0.08 0, 18 0,2 0, 15 0,28 0,42 0 УМШ (р-= 0,18 МПа: / = 30 с) 2 1,5 0,1 7 0,3 0 .4 0.2 0,36 0,52 2 Шлифование 4 3,2 0,45 2 1 .5 0, 18 0,32 0,41 0,5 ГДУ (р = — 0,4 МПа: / = 60 с) 3.8 2.7 0,39 1 .4 I 0.25 0,4 0,58 4 Суперфиниширование 0,78 0.55 0. 09 0.2 0,2 0.15 0.3 0,45 -2 ГДУ (р— 0.4 МПа; / = 15 с) 1.3 0,8 0,15 0,4 0,3 0,3 0,48 0,69 4 Суперфиниширование 0,65 0.42 0,07 0,1 0,2 0, 17 0,35 0,58 1 ГДУ (р— 0,2 МПа; /—60 с) 1 .2 0.9 0.11 0,4 0,4 0,2 0.45 0,66 2 нента напряжений, снимаемых при электрополировании кольца, где °9- ^s- соответственно окружные и осевые остаточные напряжения; μ – коэффициент Пуассона.

Из приведенных данных следует, что величина и градиент остаточных напряжений и микротвердости, возникающих при упрочняющей обработке, не претерпевают существенных изменений в процессе многократных циклических нагружений при качении. Стабилизация напряжений и микротвердости происходит вследствие ограничения дополнительного наклепа во время испытаний в связи с интенсив- ной пластической деформацией при предварительном упрочнении. При этом достигается эффект «тренировки» рабочих поверхностей, приводящий к сокращению продолжительности приработки и уменьшению её негативного влияния на работу опоры.

Критерием эффективности выбранного способа и режима обработки являются результаты стендовых испытаний подшипников. Приведенные в табл.4 результаты сравнительных стендовых испытаний роликоподшипников типа 32118Р2 после суперфиниша и дополнительного упрочнения микрошариками показывают, что

Таблица 4. Результаты стендовых испытаний подшипников 32118Р2

Способ обработки дорожки качения колец Долговечность Коэффициент рассеяния долговечности Наименьшая, ч % к расчетной L90 L50 Суперфиниш 484 1894 3031 4,58 Упрочнение микрошариками (р = 0,2МПа; t = 40 c) 2172 6070 7170 1,79 долговечность упрочненных подшипников при 10%-ной вероятности повреждения в 3,2 раза, а при 50%-ной вероятности повреждения в 2,53 раза выше соответствующей долговечности подшипников после абразивной обработки. При этом коэффициент рассеяния долговечности в пределах испытуемых партий, определяемый отношением наибольшего времени работы к наименьшему, составил для серийных подшипников 4,58, а для упрочненных подшипников 1,79.

ВЫВОДЫ

Выбор способа и режимов упрочняющей обработки маложестких кольцевых деталей следует осуществлять с учетом их конструктивных особенностей, технологических требований к параметрам микрогеометрии, точности размеров и формы.

Стабилизация качества поверхности дорожек качения колец, достигаемая дополнительной упрочняющей обработкой, обусловливает повышение и стабилизацию эксплуатационных характеристик опор качения.