СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ ИЗОГНУТОСТИ ТОРЦОВ ДЕТАЛЕЙ КЛАССА КОЛЕЦ ШЛИФОВАНИЕМ Российский патент 2009 года по МПК B24B7/04 

Предлагаемое техническое решение относится к области обработки деталей машин шлифованием и может быть использовано на предприятиях, изготавливающих подшипники качения, а также других предприятиях машиностроения при обработке торцов деталей класса колец с малой осевой жесткостью шлифованием на станках с круглым магнитным столом, например при обработке колец крупногабаритных и сверхкрупногабаритных подшипников качения.

Известны способы обработки торцов плоских или кольцеобразных деталей шлифованием на станках с прямоугольными или круглыми столами с креплением их магнитным полем, при которых для предотвращения от сдвига усилиями резания на время обработки применяют упоры в виде металлических планок или специальных призматических упоров (см. например, соответственно: Терган B.C. Плоское шлифование. М., Высшая школа, 1974, стр.209, рис.130 или патент РФ №2030280, М.кл. 6 В24В 5/32, БИ №7, 1995).

Известно так же, что минимальная площадь соприкосновения торцов колец с поверхностью круглых магнитных столов оговаривается паспортами на шлифовальные станки; во всех случаях обработки колец с площадями соприкосновения меньше паспортной рекомендуется применять дополнительные методы крепления колец, например самоцентрирующие кулачковые патроны или другие.

К недостаткам указанных способов следует отнести то, что деформация термообработки (изогнутость торцов) сохраняется после шлифования. Это объясняется тем, что деформированные детали, имеющие волнообразную поверхность торцов, притягиваются магнитным полем стола к его поверхности и касаются ее только в трех точках. Остальные участки поверхности торцов - впадины - не касаются поверхности магнитного стола, но под воздействием магнитного поля приобретают внутренние напряжения. Отшлифованная по торцам деталь сохраняет хорошую геометрию торцов, пока находится под воздействием магнитного поля стола; как только воздействие магнитного поля прекращается, под действием внутренних напряжений деталь вновь принимает изогнутость по торцам. Для устранения изогнутости торцов деталей класса колец шлифованием прибегают к разным технологическим приемам, изложенным в указанных источниках, приводящим к увеличению трудоемкости обработки.

Известен способ устранения изогнутости торцов деталей класса колец с малой осевой жесткостью шлифованием, осуществляемый на станках с круглым магнитным столом, согласно которому в зазоры, образованные изогнутостью между торцом кольца и поверхностью магнитного стола, вводят компенсаторы, фиксируют кольцо магнитным полем и производят обработку первого торца на режимах, при которых вертикальная составляющая их Р_у меньше усилия, потребного для деформации кольца в осевом направлении (см. патент РФ №2107604, М.кл. 6 В24В 7/04, БИ №9, 1998); такое исполнение способа позволяет почти полностью устранить остаточные внутренние напряжения в кольце от воздействия на него магнитного поля стола; при этом установка колец с асимметричным поперечным сечением на магнитный стол производится торцом с наименьшей площадью. Однако внутренние напряжения в кольце от воздействия на него магнитного поля стола полностью не исключены и для обеспечения требуемой точности торцов требуются дополнительные доводочные операции, что снижает производительность обработки колец.

Известен также способ устранения изогнутости торцов деталей класса колец с малой осевой жесткостью шлифованием, осуществляемым на станках с круглым магнитным столом, согласно которому шлифование первого торца кольца ведут без закрепления кольца магнитным полем на двух вертикальных подачах. Сначала шлифование производят на возможно минимальных подачах до полного сошлифовывания волнистости и стабилизации припуска, а затем - на оптимальных подачах с вертикальным усилием, меньшим предельно допустимого. При этом учитывают осевую жесткость и размеры кольца, форму его поперечного сечения, число волн изогнутости и ограничивают максимальный прогиб (см. патент РФ №2271918, МПК В24В 1/00, 7/04, 7/16, БИ №8, 2006). Указанный способ устранения изогнутости торцов принят авторами за прототип.

Известно, что термическая обработка колец с малой осевой жесткостью (закалка + отпуск) осуществляется в специальных штампах с торцевыми упорами; причем количество упоров в штампе зависит от диаметральных размеров колец - чем больше диаметр, тем больше упоров; общее количество упоров должно быть кратно трем, например шесть, девять, двенадцать и т.д. Это требование обуславливается тем, что установка и базирование заготовок колец торцами на плоскости осуществляется на трех точках. По количеству упоров в штампе различают шестиволновую, девятиволновую и т.д. изогнутость.

Известно, что стандартами предприятий (СТП) установлены допуски на неплоскостность торцов колец в пределах 50% величины допуска на непостоянство ширины по ГОСТ 520-2002. Практикой работы подшипниковых заводов РФ установлено, что изогнутость торцов колец, находящаяся в пределах допусков на неплоскостность для размерных диапазонов диаметров подшипников не создает при базировании и креплении в магнитных патронах для последующих операций шлифования других поверхностей внутренних напряжений в кольцах и не приводит к искажению параметров обработанных поверхностей.

К недостаткам применения прототипа следует отнести:

- появление деформаций и внутренних напряжений в кольцах от воздействия остаточного магнитного поля стола станка, что снижает точность окончательно обработанных колец;

- указанный способ фиксирования колец на магнитном столе при шлифовании первого торца не обеспечивает надежного закрепления кольца на всех режимах и для всех возможных размеров колец;

- отсутствие конкретных рекомендаций по назначению оптимальных режимов шлифования, основным из которых является вертикальная подача; для ее определения необходимы дополнительные экспериментальные исследования зависимости вертикального усилия резания от вертикальной подачи при шлифовании, что увеличивает время на подготовку производства;

- указанный в прототипе допускаемый прогиб не обеспечивает требуемую точность окончательно обработанного торца по техническим условиям, потому что определяется величинами, не связанными с допуском на неплоскостность окончательно обработанного торца.

Техническим результатом изобретения являются:

- исключение воздействия остаточного магнитного поля стола станка на создание деформаций и внутренних напряжений в кольцах, что повышает точность окончательно обработанных колец;

- определение оптимальной величины вертикальной подачи шлифования первого торца из условия ограничения прогиба величиной допуска на неплоскостность окончательно обработанного торца по техническим условиям, что сокращает затраты времени на подготовку производства и повышает точность окончательно обработанных колец;

- определение способа фиксирования колец на магнитном столе станка при шлифовании первого торца, обеспечивающего надежное закрепление кольца на всех режимах и для всех возможных размеров колец.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе устранения изогнутости торцов деталей класса колец шлифованием на станках с круглым магнитным столом, при котором на магнитный стол устанавливают кольцо, выставляют его по индикатору путем вращения с магнитным столом относительно его оси, осуществляют фиксирование кольца на магнитном столе, при этом шлифование колец осуществляют периферией круга методом врезания, а шлифование первого торца кольца ведут без закрепления кольца магнитным полем, шлифование второго торца осуществляют с закреплением кольца магнитным полем стола на нормативных режимах, фиксирование кольца на магнитном столе осуществляют клиновым запорным и противосдвиговым устройством, не создающим в обрабатываемых кольцах деформаций и внутренних напряжений усилиями зажима, а шлифование первого торца ведут на режимах, с вертикальной подачей шлифовального круга, определяемой из условия:

,

где t - вертикальная подача шлифовального круга в мкм/оборот детали;

[w] - допускаемый прогиб, принимаемый равным величине допуска на неплоскостность окончательно обработанного торца по техническим условиям, в мм;

Е - модуль нормальной упругости материала кольца, в МПа;

I_zc - центральный осевой момент инерции поперечного сечения кольца, в мм⁴;

D_о - диаметр нейтральной окружности кольца, проходящей через центр тяжести поперечного сечения, в мм;

k - коэффициент, учитывающий число волн изогнутости;

4,4 - эмпирический коэффициент зависимости вертикального усилия резания от вертикальной подачи.

Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема шлифования деталей класса колец периферией круга методом врезания на станках с круглым магнитным столом, показаны направления вертикальной и тангенциальной сил резания Р_у и P_z, вертикальной подачи t. На фиг.2 представлена схема фиксирования кольца с изогнутостью на магнитном столе станка при шлифовании первого торца, упрощенная схема приложения вертикальной силы резания Р_у в точках максимальной изогнутости. На фиг.3 представлена расчетная схема кольца в виде неразрезной балки с n - пролетами, основная и эквивалентная системы для раскрытия статической неопределимости и определения максимального прогиба. На фиг.4 показано поперечное сечение кольца, приведенного в примере расчета вертикальной подачи.

Для осуществления предложенного способа кольцо 1, подлежащее обработке, устанавливают на подставки 2 магнитного стола 3, выставляют его по индикатору вращением с магнитным столом относительно его оси, для исключения воздействия остаточного магнитного поля стола станка на величину деформаций и внутренних напряжений в кольце фиксирование кольца на магнитном столе осуществляют клиновым запорным и противосдвиговым устройством 4, не создающим в обрабатываемых кольцах деформаций и внутренних напряжений усилиями зажима, например по патенту РФ №2293009, МПК B23Q 3/15, В24В 7/04, БИ №4 - 10.02.2007, и шлифуют первый торец на режимах с оптимальной вертикальной подачей шлифовального круга, шлифование второго торца осуществляют на нормативных режимах с креплением кольца магнитным полем стола, шлифование колец осуществляют периферией круга 5 методом врезания.

Для определения оптимальной вертикальной подачи используется расчетная схема кольца в виде неразрезной балки с защемленными концами (фиг.3), имеющей общую длину L, равную длине нейтральной окружности, проходящей через центр тяжести поперечного сечения кольца, и имеющей пролеты l_i, равной длины, с приложением подвижной вертикальной силы Р_у в точках максимальной изогнутости пролета. Получена формула допускаемого вертикального усилия Р_у из условия ограничения максимального прогиба величиной допуска на неплоскостность окончательно обработанного торца по техническим условиям с учетом осевой жесткости, размеров кольца, формы его поперечного сечения, числа волн изогнутости. Допускаемое вертикальное усилие Р_у определяется по формуле:

,

где [w] - допускаемый прогиб, принимаемый равным величине допуска на неплоскостность окончательно обработанного торца по техническим условиям, в мм;

D_o - диаметр нейтральной окружности кольца, проходящей через центр тяжести поперечного сечения, в мм;

Е - модуль нормальной упругости материала кольца, в МПа;

I_zc - центральный момент инерции, мм⁴;

k - коэффициент, учитывающий число волн изогнутости, принимаемый равным для балок:

шестипролетной - 639,5;

девятипролетной - 2154;

двенадцатипролетной - 5107;

пятнадцатипролетной - 9974;

восемнадцатипролетной - 17235.

Назначение допускаемого прогиба равным величине допуска на неплоскостность окончательно обработанного торца по техническим условиям позволяет обеспечить требуемую точность торца без доводочных операций. Определена экспериментальная зависимость величины вертикального усилия Р_у от вертикальной подачи шлифовального круга t. Для колец из закаленной стали ШХ-15СГ эта зависимость имеет вид: Р_у=4,4 t. Оптимальная вертикальная подача для обработки партии деталей одного типоразмера с учетом полученной экспериментальной зависимости определяется из условия:

,

где t - вертикальная подача шлифовального круга в мкм/оборот детали;

4,4 - эмпирический коэффициент, зависимости вертикального усилия резания от вертикальной подачи.

Назначенная вертикальная подача позволяет сократить время на подготовку производства, которое необходимо для дополнительных исследований зависимости величины допускаемого вертикального усилия от вертикальной подачи.

Пример.

Наружное кольцо конического однорядного роликоподшипника 7981А-01 с исходными размерами: D=461 мм, С=21 мм; D₁=437 мм; D₂=449,4 мм; β=16°29 (фиг.4); из закаленной стали ШХ-15СГ, с твердостью HRC_э=60…62 после закалки в штампах с шестью упорами имело шестиволновую изогнутость. Для устранения изогнутости кольца при шлифовании на карусельно-шлифовальном станке ЗН762Ф1 с допуском на неплоскостность окончательно обработанного торца по техническим условиям 0,007 мм определим вертикальную подачу для шлифования первого торца. Принимаем допускаемый прогиб [w_mах]≤0,007 мм.

Координаты центра тяжести поперечного сечения кольца у_с, z_c, диаметр центральной окружности D₀ и центральный осевой момент инерции I_zc (фиг.4) будут равны:

.

D₀=D-2z_c=461-2×4,62=451,7 мм.

Допускаемое вертикальное усилие будет равно:

[Р_у]=639,5×211000×6591×0,007/(452³)=67,4 Н.

Вертикальную подачу определим по формуле: ,

где коэффициент k, учитывающий число волн изогнутости, принимаем равным для шестиволновой изогнутости - 639,5.

Тогда вертикальная подача для шлифования первого торца кольца с шестиволновой изогнутостью будет равна - t=639,5×211000×6591×0,007/(4,4×452³)=15,3 мкм.

Принимаем по паспорту карусельно-шлифовального станка ЗН762Ф1 вертикальную подачу 10 мкм/об.

Кольцо, обработанное с этой вертикальной подачей при шлифовании первого торца, после обработки не имело изогнутости, и торцы соответствовали установленному допуску на неплоскостность окончательно обработанного торца.

Использование для фиксирования кольца на магнитном столе клинового запорного и противосдвигового устройства обеспечило надежное закрепление кольца на всех режимах.

Производительность обработки торцов колец повысилась на 10-15%, потому что шлифование первого торца колец ведется сразу на оптимальной подаче без предварительной обработки на минимальных подачах, и устранена операция установки наладочного кольца.

По предложенному техническому решению проведены:

- теоретические расчеты оптимальных вертикальных подач шлифования колец с малой осевой жесткостью, имеющих начальную изогнутость торцов;

- лабораторные испытания на закаленных образцах из стали ШХ-15СГ для определения зависимости усилия резания от вертикальной подачи.

Внедрение предлагаемого изобретения возможно на Волжском подшипниковом заводе, «Московском подшипнике» и др., входящих в Европейскую подшипниковую компанию (ЕПК) заводах, а также на Самарском подшипниковом заводе.

Оно позволит:

- устранить исходную изогнутость торцов колец и повысить точность их обработки;

- оптимизировать процесс шлифования по режимам;

- сократить затраты времени на подготовку производства;

- повысить производительность обработки торцов колец ориентировочно на 10-15%.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при шлифовании торцов деталей класса колец с малой осевой жесткостью, например крупногабаритных и сверхкрупногабаритных подшипников качения. Исправление изогнутости кольца осуществляют шлифованием на станке с круглым магнитным столом. Кольцо выставляют по индикатору, фиксируют на магнитном столе и шлифуют периферией круга методом врезания. Первый торец кольца шлифуют без закрепления магнитным полем, а второй - с закреплением. Кольцо фиксируют на магнитном столе клиновым запорным и противосдвиговым устройством без создания в нем деформаций и внутренних напряжений усилиями зажима. Шлифование первого торца ведут на режимах с вертикальной подачей шлифовального круга, определяемой из условия: , где [w] - допускаемый прогиб, принимаемый равным величине допуска на неплоскостность окончательно обработанного торца по техническим условиям, Е - модуль нормальной упругости материала кольца, I_zc - центральный осевой момент инерции поперечного сечения кольца, D_o - диаметр нейтральной окружности кольца, проходящей через центр тяжести поперечного сечения, 4,4 - эмпирический коэффициент зависимости вертикального усилия резания от вертикальной подачи, k - коэффициент, учитывающий число волн изогнутости. В результате повышается точность и производительность шлифования. 4 ил.

Способ устранения изогнутости торцов кольца шлифованием на станках с круглым магнитным столом, включающий установку на магнитный стол кольца, выставление кольца по индикатору путем вращения с магнитным столом относительно его оси, фиксирование кольца на магнитном столе и его шлифование периферией круга методом врезания, причем шлифование первого торца кольца ведут без закрепления магнитным полем, а шлифование второго торца - с закреплением кольца магнитным полем стола на нормативных режимах, отличающийся тем, что фиксирование обрабатываемого кольца на магнитном столе осуществляют посредством клинового запорного и противосдвигового устройства без создания в нем деформаций и внутренних напряжений усилиями зажима, а шлифование первого торца кольца ведут на режимах с вертикальной подачей шлифовального круга, определяемой из условия

где t - вертикальная подача шлифовального круга, мкм/об;
[w] - допускаемый прогиб, принимаемый равным величине допуска на неплоскостность окончательно обработанного торца по техническим условиям, мм;
Е - модуль нормальной упругости материала кольца, МПа;
I_zc - центральный осевой момент инерции поперечного сечения кольца, мм⁴;
D_o - диаметр нейтральной окружности кольца, проходящей через центр тяжести поперечного сечения, мм;
k - коэффициент, учитывающий число волн изогнутости, принимаемый равным 639,5; 2154; 5107; 9974 и 17235 соответственно, для шестиволновой, девятиволновой, двенадцативолновой, пятнадцативолновой и восемнадцативолновой изогнутостей;
4,4 - эмпирический коэффициент зависимости вертикального усилия резания от вертикальной подачи.