Оптимизация процесса профильного шлифования кольца подшипника

Рис. 1. Схема нагружения дорожки качения внутреннего кольца подшипника при шлифовании

На основании математической модели процесса шлифования дорожки качения колец подшипников была построена конечно-элементная модель (рис. 2).

Рис. 2. Конечно-элементная модель в программном пакете ANSYS

Решались две задачи по определению деформаций при профильном шлифовании дорожки

a)

Рис. 3. Изолинии радиальных перемещений по оси Х при угле α=10°,черновые режимы шлифования (а); изолинии остаточных напряжений при угле α=10°, черновые режимы шлифования (б)

качения внутреннего кольца подшипника. Решение первой задачи заключалось в наложении силовой нагрузки на обрабатываемую поверхность при разных вариантах положения жестких опор (угол α может быть равен 5, 10, 15 и 20°). В результате решения были получены изолинии радиальных перемещений по оси Х и изолинии остаточных напряжений для каждого из вариантов положения опор при черновых и чистовых режимах шлифования (рис. 3).

Решение второй задачи заключалось в наложении силовой нагрузки на обрабатываемую поверхность для различных поперечных подач равных S2=0.15;0.3;0.45,0,6 мм/мин для каждого из вариантов положения жестких опор. В результате решения были также получены изолинии радиальных перемещений по оси Х и изолинии остаточных напряжений. Таким образом, в результате действия сил резания в поверхностном слое образовывается остаточное напряженное поле, которое не является равномерным, что приводит к короблению заготовки в радиальном направлении.

Теоретические исследования показали, что с увеличением угла α остаточные напряжения сжатия также увеличиваются, при этом повышение врезной подачи приводит к увеличению остаточных напряжений. Суммарные напряжения от действия сил резания составляют 60 - 180 MПа.

Полученные остаточные напряжения и соответственно деформации на кольце подшипника оказывают влияние на отклонение формы дорожки качения в радиальном направлении. В производственных условиях данные отклонения исследуются на приборе «Talyrond» при определении некруглости заготовки.

По результатам теоретических исследований, выполненных в программном пакете ANSYS, построены графики зависимости величины оста-

Рис. 4. Влияние величины остаточных напряжений от положения жестких опор точных напряжений от положения жестких опор и значения поперечной подачи, а также графики зависимости величины отклонения от круглости профиля дорожки качения от положения жестких опор и значения поперечной подачи (рис. 4).

Практическими исследованиями установлено, что увеличение врезной подачи при шлифовании приводит к увеличению отклонения от круглости профиля дорожки качения, а значит и к увеличению деформации упругой системы. Поэтому для достижения оптимальных условий процесса шлифования дорожки качения, т. е. соотношения величин напряжений и отклонений от круглости, следует применять наладку жестких опор при угле α=10-15° (рис. 5). Таким образом, в результате моделирования процесса шлифования дорожки качения внутренних колец подшипников в программном комплексе ANSYS было выявлено, что большое влияние на остаточные

♦ Черновые режимы обработки

■ Чистовые режимы обработки

А Суммарные отклонения после обработки

)( Верхняя граница допуска

Рис. 5. Влияние режимов шлифования и угла а на величину отклонения от круглости профиля дорожки качения подшипника при шлифовании на жестких опор напряжения оказывают режимы шлифования и положения жестких опор (поперечная подача, скорость вращения детали).

С целью оптимизации производительности процесса врезного шлифования выполнен расчёт оптимальных режимов резания. Расчёт производился для режимов чернового шлифования внутреннего кольца подшипника №20000083,оборудование-Bryant 1-M, частота вращения шпинделя: nк=1750….1850 об/мин; коэффициент полезного действия: п=0,8; размеры шлифовального круга: Dк=355 мм, Вк =16 мм; характеристики шлифовального круга для черновой обработки – 24АМ40СТ1К. Обработка сравнивалась с применением масляных и водных СОЖ. В процессе обработки шлифовальный круг периодически правился (через 20 колец). Режимы правки круга: поперечная подача Sпоп = 0.015 мм /дв.ход, продольная подача Sпр = 0.02 мм/об , минутная подача Sмин= Sпр nо= 37 мм/мин, алмаз в оправе а= 900, время правки т=15 с.

Ограничение 1.

Связано с предельно допустимой шероховатостью обрабатываемой поверхности дорожки качения подшипника

R_a ■ V/ a ■ d ^Ц aK ‚

Уa    Za

V " S 2 ⁵

Ca ■ В Ц ■ K 1 ■ K ₂ ■ K 3 ■ K 4 ’

( 1)

где R_a = 0,08 мкм, V_k=42 м/с, d=4.8, μ=0,2, Ca = 0,1, B_k=1мм, x _а = 0,9, y _а = 0,7, z _а = 0,45, К₂ = 1,8 , К₃ = 1,4 , К₄ = 1, при шлифовании на масляной СОЖ, К₁ = 1,4, при шлифовании на водной СОЖ, К₁ = 1,0

Ограничение 2.

Связано с деформацией технологической системы, ее влиянием на фактический съем металла и погрешность обработки.

V 1 r ■ S 2 <

Ц ц ■ E ■ I ■ [ f ^ ] ■ V k 1020 ■ C N ■ l 33 ■ B ₃ ■ d 33 ■ K 4 ■ K 5 ■ K 6 ■ K 7

, ( 2)

где μ _U=0,6, E=200000000 МПа, I=12,8 мм⁴, [f_max]= 0,0015 мм, V_k=42 м/с, C_N=0,14, l₃=1,2 мм, B₃=1,2 мм, d₃=4 мм , K ш=4,5, K₅=1, K₆=0,8, K₇=1,1, r=0,8, y=0,7, q=0,2, при шлифовании на масляной СОЖ, K₇=0,88, при шлифовании на водной СОЖ, K₇=1.1.

Ограничение 3.

Связано с допустимым уровнем температуры шлифования © max влияющим на структурные и фазовые изменения в обрабатываемом матери- але, а в ряде случаев приводящим к возникнове- нию прижогов и микротрещин

V ( r - 0,5 ) S ( * - 0,25 ) <  © KP " Am •^d 3 , 3 ) ■ ( d 3 + D K ) '

¹      ■ ²       "943 - a M ■ D K-²⁵ ■ K 5 ■ K 6 ■ K 7 ■ B 3 "

, ( 3)

где © _KP = 750 ^oC X M =0,14, d₃=4, q=0,2, d₃=4, D k =355 мм, a_M=0,065, K^,₆=0,8, K₇=1,1, B₃=1, z=1,2, r=0,8 (1.4), x=0,55, при шлифовании на водных СОЖ K₅=1.3 ,при шлифовании на масляной СОЖ K₅=1.

Построим математическую модель процесса шлифования с масляной СОЖ без выхаживания.

Определим оптимальные режимы врезного шлифования дорожки качения внутренних колец подшипников из ШХ15 для гарантированного обеспечения шероховатости поверхности Ra= 0,08 мкм.

Решением данной математической модели является точка пересечения, связывающая ограничения по шероховатости и точности, т.е. Х_1опт= 1.5, Х = 9.5. Тогда           ^{x 1 опт    3,5}        4.5

, 2опт                    1опт м/мин, n10пт. = 450 об/мин, ex2опт     e6

S_2o„_m =-----=----= 0,4 мм/мин. 0.0008

2 опт _{1000   1000}

13,3 мм/мин, S20пт.=0.03 мм/об.

Определим время обработки при снятие припуска 0.3 мм, т=0.3х 60/ (450 х 0.0008)=50 с.

Для Ra= 0,12 мкм          x1опт3,7

, м/мин. n10пт. = 4000 об/мин, ex2опт

S =----=----= 0,66 мм/мин или

2опт   10001000

0,000165 мм/обор. т=0.3х 60/(4000 х 0.000165)=27 с.

Для Ra= 0,16 мкм x1опт    3,9      м/мин. n =4900

1 опт                                                 10пт.

об/мин,

S

2 опт

x 2 опт e

e ⁷

----= 1,1 мм/мин. 0.00022

мм/обор. т=0.3х 60/ (4900 х 0.00022)=16.7 с.

при Ra= 0,08 мкм

V 1 опт = е^{х 1} опт = e ^3,3 = 27 м/мин. 2700 об/мин. x 2 опт       7

Sionт =-----=     = 1,09 мм/мин. 0.0004

2 опт   _{1000   1000}

мм/обор. т=0.3х 60/ (2 700 х 0.0004)=16,7 с.

Рис. 6. Математическая модель процесса шлифования дорожки качения с применением масляной СОЖ

Рис. 7. Математическая модель процесса шлифования дорожки качения с применением водных СОЖ

при Ra= 0,12 мкм

при Ra= 0,16 мкм

V 1 опт = e^{x 1} опт = e 3’6 = 36 м/мин. 3600

x 2 опт       7,5

e x опт      e ,

Sionm =----- =---- = 1,8 мм/мин. 0.0005

^{2 опт}   1000 1000

V 1 опт = е^{х 1} опт = e ^3,8 = 44 м/мин. 4400

S

2 опт

т=0.3х 60/ (3600 х 0.0005)=10 с.

e x 2 опт 1000

_e 7,9

----= 2,6 мм/мин. 0.0006

т=0.3х 60/ (4400 х 0.0006)=6.8 с.

Таблица 1. Сравнительные данные

Вид СОЖ	Шероховатость Ra, мкм
	0,08	0,12	0,16
Масляная	50	27	16,9
Водная	16,7	10	6,8

OPTIMIZATION OF THE PROCESS OF PROFILE GRINDING OF A BEARING RING

В таблице приведены сравнительные данные по оптимизации поперечной подачи и трудоемкости в секундах при разных СОЖ и параметрах шероховатости поверхности.

Из приведенных данных видно, что применение водных СОЖ повышает производительность процесса в 2,5-3,0 раза при сохранении требуемых параметров шероховатости и отклонения от круглости.