Морфологический анализ схем базирования и способов обработки роликов при шлифовании сферического торца

Сферический торец и образующая являются основными рабочими поверхностями роликов конических радиально-упорных и сферических подшипников. Выбор схемы базирования и способа обработки при шлифовании сферы торца оказывает непосредственное влияние на качество изготовления роликов, а также на долговечность, уровень шума и вибрации, момент трения и другие эксплуатационные показатели подшипников в целом [1, 2, 3, 4, 5].

Станки для шлифования сферических торцов в зависимости от рабочей поверхности шлифовального круга отнесены к двум группам: шлифование периферией или торцом шлифовального круга, осуществляемым врезной или круговой подачей [6]. Классификация [7] охватывает двенадцать схем шлифования в зависимости от прерывистости процесса (прерывистый, непрерывный), количества шпинделей, количества одновременно обрабатываемых торцов и способа установки (бесцентровый, центровый). Исследованы методы шлифования торцов бочкообразных роликов [8].

Существующие классификации схем шлифования являются неполными. Отсутствует системный подход в описании теоретических схем базирования существующих и возможных способов обработки и способов их реализации, основанный на теории базирования. Данная работа призвана восполнить данный пробел.

Установка роликов включает в себя базирование и закрепление. К критериям базирования отнесем: по методу базирования; по способу обработки; по типу связи; по характеру проявления; по комплекту баз; по характеру относительного движения базирующих поверхностей ролика с сопряженными контактирующими поверхностями приспособления; по наличию компенсации погрешностей.

Критерии закрепления ролика: по виду замыкания; по типу сил, создающих силовое замыкание; по источнику замыкающего усилия; по степени проявления замыкающих сил; по порядку выполнения закрепления; по типу силового контура. Предложенные критерии сводятся в схему (рис.1).

Для анализа всех существующих и возможных вариантов базирования роликов, использовался морфологический метод [9, 10] (рис.2), который учитывал три группы из предложенных критериев (рис.1): базовая поверхность, определяющая положение ролика; вспомогательная базовая поверхность; характер проявления (Я, С) и способ базирования (Бц, Ц, К).

Каждой ячейке морфологического ящика может соответствовать несколько схем базирования в зависимости от схемы расположения опорных точек (о.т.). В свою очередь каждую схему базирования можно реализовать несколькими вариантами технологических систем.

Для выбора из рассматриваемых схем базирования наиболее рациональных, предлагаются следующие критерии их оценки:

• — минимальные погрешности базирования и закрепления;
• — минимальная длина кинематической размерной цепи;
• — наличие компенсации погрешностей базирования и закрепления;
• — степень устойчивости положения заготовки в процессе обработки;
• — наличие силового замыкания;
• — простота и легкость установки заготовки в приспособление;
• — возможность технической реализации.

Сочетания с 1 по 49 представляют собой бесцентровые (Бц) способы базирования с установкой по явным (Я) базам; с 50 по 98 Бц способы базирования с установкой по скрытым © базам; с 99 по 147 — центровые (Ц) способы с Я-базами; с 148 по 196 Ц-способы с С-базами; с 197 по 245 — комбинированные (К) способы. Выполним анализ некоторых схем базирования и способов их реализации.

Сочетанию 1 соответствует схема базирования 1а (рис.3) и четыре способа реализации: 1а1, 1а2, 1а3 и 1а4. В способе реализации 1а1 ролик устанавливается образующей по направляющей базе, реализуемой путем контакта ролика с торцевой поверхностью жесткого опорного диска 1 (о.т. 1,2). Диски установлены соосно и вращаются в противоположные стороны с разной угловой скоростью, обеспечивая вращение заготовки вокруг своей оси и оси круговой подачи. Этим реализуется опорная база (о.т.6). В процессе качения по дискам, заготовка вступает в контакт с боковую поверхностью паза сепаратора 3, соосно установленного с дисками 1 и 2, чем реализуется направляющая база (о.т.3,4). Силовое замыкание осуществляется вторым жестким ведущим диском 2. Ролик фиксируется в осевом направлении между торцами дисков по опорной базе (о.т.5). Способ обработки — сквозной. Характер относительного движения — КС, тип связи — НЖП.

Рис. 3. Схемы базирования 1а, 2а, 2б, 2 В, 3б, известные способы реализации 1а1, 2а1, 2а2, 2б4 и предлагаемые способы 2б2, 2в1, 3б1

Недостатки схемы базирования 1а и всех способов ее реализации:

• -значительная погрешности базирования, связанная с использование в качестве поверхности для базирования только одной поверхности — образующей;
• -большая длина кинематической цепи и большое количество подвижных элементов базирования — 3;
• -неудовлетворительное силовое замыкание, вызванное эффектом клина. Угол между осью и образующей у большей части номенклатуры конических роликов находится в диапазоне 0°30ґ…3°. Составляющая усилия резания Py, действующая вдоль оси заготовки, за счет малого угла, вызывает значительные разжимающие усилия между установочными элементами, вызывая их отжим и осевое смещение заготовок;
• -отсутствие компенсации погрешности диаметра и угла на заготовке.

Сочетанию 2 соответствуют схемы базирования 2а, 2б и 2 В (рис.3). В схеме 2а заготовка устанавливается образующей по двум направляющим базам, реализуемым с помощью двух пар опорных точек 1,2 и 3,4 и одной опорной базе, реализуемой опорной точкой 6. Малый торец является вспомогательной технологической базой и используется в качестве опорной базы (о.т.5) для установки заготовки в осевом направлении. Возможно несколько способов реализации схемы базирования 2а.

В способе 2а2 (рис.3) ось заготовки ролика в процессе круговой подачи описывает конус. Это дает возможность производить обработку роликов с Rсф>300мм.Недостатком способа является большая длина кинематической цепи и увеличенное количество подвижных элементов базирования — 3.

В схеме 3а (рис.3) заготовка ролика устанавливается образующей по направляющим базам (о.т.1,2 и 3,4) и опорной базе (о.т.5). Обрабатываемый сферический торец используется в качестве опорной базы для привода вращения заготовки ролика вокруг своей оси (о.т.6).

Сочетанию 4 соответствуют 5 схем базирования (рис.4). В способе 4а1 заготовка 1 устанавливается в осевом направлении образующей по направляющей (о.т.1,2) и опорной (о.т.5) базам между коническими поверхностями жестких дисков 2 и 3. Диски приводят во вращение заготовку 1 вокруг своей оси и оси круговой подачи, образуя опорную базу (о.т.6). Контакт ФМ с призмой 5 обеспечивает две опорных базы. Механизм компенсации погрешности между основной (О) и вспомогательной (ФМ) технологическими базами выполнен в виде подпружиненных амортизаторов 4 в основании призм 5, установленных на корпусе сепаратора 6.

Ячейке 5 соответствуют 5 теоретических схем базирования (рис.4). Привод вращения ролика осуществляется по ФБ от приводного упругого круга из фрикционного материала.

Рис. 4. Схемы базирования 4а, 4б, 4 В, 4 г, 4д, 5а, 5б, 5 В, 5 г, 5д и предлагаемые способы реализации 4а1, 4б1, 4в1, 4г1, 4д1, 5б1, 5д1.

Сочетанию 6 соответствуют две схемы базирования (рис.5). Особенностью схем является наличие с ТМ заготовок центровой фаски, обеспечивающее возможность установки заготовки на неподвижный либо вращающийся центр.

Сочетанию 7 соответствуют две схемы базирования 7а и 7б (5). Базирование заготовки ролика со стороны обрабатываемого ТБ происходит путем контакта центрового отверстия заготовки с плавающим либо жестким центром.

В сочетаниях 9 (58), 11 (60), 13 (62), 17 (66), 19 (68), 21 (70), 23 (72), 25 (74), 27 (76), 31 (80), 33 (82), 35 (84), 37 (86), 39 (88), 41 (90), 45 (94), 47 (96), 49 (98) отсутствует нормальное силовое замыкание.

Рис. 5. Схемы базирования 6а, 6б, 7а. 7б, 8а, 50а, 51а, 53а и предлагаемые способы реализации 6а1, 6а2, 6б1, 6б2,7б2, 8а1, 50а1, 51а1, 53а1

Сочетание 50, предполагающее бесцентровый метод базирования по скрытым базам, имеет одну схему базирования 50а и два возможных способа реализации: 50а1 для сквозного способа обработки (рис.5), 50а2 для врезного штучного способа обработки.

Реализацией схемы базирования 51а в виде возможного способа 51а1 стал способ шлифования сферических торцов конических роликов (Патент RU 2 351 454 C2). Основными преимуществами являются: базирование по скрытой базе — плоскости симметрии, проходящей через ось заготовки; минимальная длина кинематической цепи и минимальное количество подвижных элементов — 2. Все базирующие элементы (о.т.1.2,3,4,5) расположены на жестком диске 2. Упругий диск вращает заготовку вокруг своей оси и компенсирует погрешности формы и размера образующей (диаметр, угол, отклонение от круглости). Заготовка в процессе обработки имеет устойчивое положение и нормальное силовое замыкание. За счет прогиба упругого материала 6, площадь контакта с заготовкой увеличена. Заготовка легко устанавливается в приспособление. Конструкция предполагает простоту и легкость установки заготовки. Применен наиболее прогрессивный высокопроизводительный бесцентровый метод базирования и сквозное шлифование как наиболее производительное.

Аналогичным образом были разобраны и проанализированы все 245 ячеек морфологического ящика (рис.2). Выявлены и классифицированы все возможные схемы базирования.

Проведенный анализ позволил определить наиболее рациональные способы базирования заготовок при шлифовании сферы и возможные способы их реализации. установка заготовка скрытый шлифование Выявлено 26 неизвестных ранее оригинальных способов базирования и предложены схемы их реализации.

На основании проведенного анализа сформулированы основные тенденции в развитии оборудования для шлифования сферических торцов роликов:

• 1. Переход на прогрессивные бесцентровые методы базирования заготовки, как обеспечивающие наибольшую производительность, качество и точность процесса шлифования. В первую очередь это касается производства серийных и массовых типов роликов. Применение центровых методов базирования оправдано при серийном и мелкосерийном производстве и обработке нестандартных роликов.
• 2. Внедрение базирования заготовок по скрытым базам, обеспечивающим повышение точности установки не менее чем вдвое.
• 3. Совмещение конструкторских баз ролика (О, ТБ), определяющих положение ролика в подшипнике и технологических, используемых при базировании ролика в процессе обработки.
• 4. Использование в качестве базирующих поверхностей заготовки, имеющих наибольшую протяженность (О, ТМ, ТБ) для обеспечения минимальной погрешности установки.
• 5. Использование сквозного способа обработки, вместо врезного, как имеющего наибольшую производительность. При отсутствии такой возможности, применение группового способа обработки.
• 6. Разработка конструкций устройств, обеспечивающих компенсацию формы, размеров и взаимного расположения поверхностей заготовки.
• 7. Уменьшение кинематической размерной цепи и сокращение числа взаимно подвижных базирующих элементов приспособления.
• 9. Внедрение технологии и разработка оборудования для одновременного шлифования рабочих поверхностей заготовки ролика: образующей и сферического торца, для обеспечения точности взаимного расположения в подшипнике.
• 10. Совмещение обработки с одной установки заготовки сразу нескольких операций шлифования, например, чистового и окончательного шлифования сферического торца.

• 1. Бережинский В. М., Русских С. П., Пирогов Е. А. Проектирование торцового упора в коническом роликовом подшипнике [Текст] // М.: Тр. ВНИПП, Конструкции, исследования и испытания подшипников. 1984. № 2, с.70−78.
• 2. Булычев В. А., Ковалев А. В., Михайлов Н. Н. Исследование, разработка и внедрение технологических методов снижения шума и повышения точности конических роликов номенклатуры ВАЗ, КАМАЗ [Текст] // Отчет о НИР. — Тольятти: Тольяттинский политехнический институт, 1981. — 77 с.; ил.
• 3. Грищенко, В. И. Снижение вибрации и шума конических роликоподшипников улучшением геометрии рабочих поверхностей их деталей [Текст] - М.: Тр. ВНИПП, 1978. № 4, с.19−31.
• 4. Tandon N., Choudnury A. A review of vibration and acoustic measurement methods for the detection of defects in rolling element bearings // Tribology International, 1999. — № 32. — pp. 469−480.
• 5. Kiral Z., Karagulle H. Vibration analysis of rolling element bearings with various defects under the action of an unbalanced force // Mechanical Systems and Signal Processing, 2006. — № 20. — pp. 1967;1991.
• 6. Зарецкий, А. В. Исследование бесцентрового шлифования торцовых сферических поверхностей [Текст]: дис. канд. техн. наук. — М: Московский станкоинструментальный институт, 1970. 138с.
• 7. Михайлов, Н. Н. Исследование двустороннего торцевого сферического шлифования конических роликов подшипников качения [Текст]: дис. канд. техн. наук. — Куйбышев: КуАИ, 1971. 199с.
• 8. Ящерицын, П.И. и др. Новое в технологии шлифования сферических поверхностей [Текст] - Мн.: Вышэйш. Школа, 1982. 144с.
• 9. Шегельман И. Р. К построению методологии анализа и синтеза патентоспособных объектов техники [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, № 3. — Режим доступа: http//ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/908 (доступ свободный) — Загл. c экрана. — Яз. рус.
• 10. Горностаев В. Н. Краткий обзор работ в области развития методологии анализа и синтеза патентоспособных объектов техники [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, № 4. — Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/1904 (доступ свободный) — Загл. c экрана. — Яз. рус.