CC BY
1
Калинин Антон Алексеевич, заместитель директора по коммерческим вопросам, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет
FUNCTIONAL COMPOSITE MATERIALS AND TECHNOLOGIES FOR RESTORATION (REPAIR) AND MODERNIZATION OF METALLURGICAL EQUIPMENT
V.N. Gadalov, S.N. Kutepov, A.V. Filonovich, O.M. Gubanov, A.A. Kalinin
The use of Fe-B-C eutectic staves for the manufacture of bundles of composite materials based on relite (i.e. eu-tectic stave IV-C) is effective for strengthening a wide range ofparts of metallurgical equipment operating under conditions of intense high-temperature gas-abrasive, abrasive and water-abrasive wear. Additionally, the technological and operational properties of composite materials can be improved by adjusting the rate of dissolution of the filler in the bundle by choosing the optimal system for alloying Fe-B-C alloys and temperature-time parameters of impregnation. When using the Fe-B-C filler alloy, as part of a composite material with a binder, the structure formation of the interface between the filler and the molten binder is determined by the processes of dissolution and diffusion. The phase structural composition of the contact interaction zones is explained by the recrystallization of the surface layers of the filler after dissolution caused by contact with the molten binder. As a result, a defect-free macroheterogenic structure of composite materials is formed and reliable adhesion of the filler and ligament is ensured. The intensity of the contact interaction processes can be controlled by selecting the temperature-time modes of impregnation.
Key words: composite materials, peritectic Fe-B-C alloys, alloying elements, filler alloy, metallographic, electro-and X-ray structural analyses, mechanical properties.
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Kursk, Southwest State University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Filonovich Alexander Vladimirovich, doctor of technical Sciences, professor, [email protected]. Russia, Kursk, Southwest State University,
Gubanov Oleg Mikhailovich, candidate of technical science, docent, project manager for the development of new types ofproducts, gubanov [email protected]. Russia, Lipetsk, Novolipetsk metallurgical plant Public joint stock company,
Kalinin Anton Alekseevich, deputy director for commercial affairs of publishing house, [email protected]. Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.923.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-538-539
УСТРОЙСТВО ИМИТАЦИОННОЙ СУПЕРФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ КОЛЕЦ СФЕРИЧЕСКИХ
ПОДШИПНИКОВ
А.А. Перегородов, О.Ю. Давиденко
В работе рассматривается новый подход к конструированию устройств для суперфиниширования поверхности дорожек качения колец сферических подшипников с разработкой расчетной математической модели и моделированием прототипа в САПР.
Ключевые слова: кольца подшипников, суперфиниширование, долговечность, абразивный инструмент.
Введение. Производство сегодня претерпевает коренные изменения. Это выражено тем, что модель современного предприятия массового производства принимает новый облик гибкой компании, которая стремится к повышению качества и наискорейшей реакции на изменения на рынке. Каждый выпущенный агрегат или сборочный узел представляет собой результат профессиональных противостояний между конструкторами, технологами, инженерами-прочнистами, сметчиками и другими специалистами, главной целью которых является поиск наиболее оптимального решения, балансирующего между необходимостью достижения требуемых заказчиком эксплуатационных параметров, таких как надежность, долговечность, безотказность, и при этом обеспечения наименьшей стоимости конечного продукта для удовлетворения спроса в рыночных условиях.
В связи с тем, что вращающиеся узлы являются одними из самых часто встречающихся в машинах, но и наряду с этим наиболее сложными при изготовлении, монтаже и отладке, затронутая проблематика противостояний, например, конструкторских идей с технологическими ограничительными аспектами производства деталей стоит особенно остро.
Подтверждением этого довода может послужить распространенная причина преждевременного выхода из строя роликовых подшипников [1,3]. Дело в том, что долговечность кольца подшипника - составной части вращающегося узла - в первую очередь зависит от отклонений таких параметров нормирования геометрической формы дорожки качения, как волнистость и круглость поверхности. Также немаловажным фактором является и микрорельеф. Появление волнистости всегда сопровождается неравномерностью распределения шероховатости и микротвердости на максимальных и минимальных точках волн профиля, что вызывает концентрацию напряжений в момент восприятия подшипником знакопеременных нагрузок, а в следствие этого появляется дополнительный источник разрушения
поверхности при эксплуатации. Обеспечение высокой точности формообразования - ключевая задача, стоящая перед технологией обработки, от которой зависит дальнейшая реализация конструкторских требований к стойкости вращающегося узла на протяжении всего жизненного цикла проектируемого устройства.
Одной из наиболее важных стадий обработки при формировании и достижении точностных характеристик колец подшипников является суперфиниширование рабочих поверхностей, представляющее собой эффективный процесс прецизионного формообразования профиля обрабатываемой поверхности с достижением до 3-5 квали-тета точности с микрорельефом Ra 0.1...0.012 мкм [2]. Поэтому вопрос обеспечения рационального суперфиниширования актуален как для зарубежных, так и для отечественных представителей научно-технического сообщества, работающих в разных отраслях машиностроения [9-15]. Поисками повышения качества обработки при суперфинишировании деталей подшипников активно занимаются ученые саратовской научной школы [4-8].
Основная часть. Суть разрабатываемого решения в рамках исследования, отраженного в данной работе, заключается в поиске такого конструкторско-технологического подхода, который упростит и механическую обработку, и даст большую ширину конструкторской мысли проектировщика узла, где будут использоваться подшипники, обработанные по описываемой технологии, способные обеспечить правильную работу тела качения, но при всем этом и обеспечит повышение качества, производительности формообразования.
Способ чистовой обработки колец подшипников заключается в новом конструкторском подходе к проектированию обрабатывающего оснащения. Абразивные бруски закрепляются в инструментальной головке, которая удерживает бруски вокруг обрабатываемой поверхности (рис.1).
Рис. 1. Модель обработки: 1 - брусок: 2 - брускодержатель: 3 - заготовка: 4 - инструментальная головка
Главным формообразующим движением является вращение головки, но при этом деталь тоже вращается. Ось вращения инструментальной головки совпадает с осью вращения детали, но брускам передается вращение в инструментальной головке вокруг оси, пересекающейся с осью вращения детали и головки в центре симметрии обрабатываемого профиля, совмещенном с центром симметрии брусков, а угол пересечения осей определяется по формуле (1) (рис.2):
а = 57,3К1е(^фф.,град, (1)
где а - технологический угол пересечения осей вращения брусков и детали; е - радиальный зазор в подшипнике, для которого предназначена обрабатываемая деталь; 1эфф- эффективная длина ролика в подшипнике для которого предназначена обрабатываемая деталь; L - ширина абразивных брусков; D - диаметр обрабатываемой поверхности.
Рис. 2. Принципиальная схема устройства: щ-частота вращения брусков, пТ-частота вращения головки, пД-частота вращения детали
Ширина брусков выбирается в зависимости от геометрических размеров заготовки и технологический угол пересечения осей вращения брусков и детали по формуле (2):
Ь = В - Б1да, мм, (2)
где D - диаметр обрабатываемой поверхности; а - технологический угол пересечения осей вращения брусков и детали; В - ширина обрабатываемой поверхности.
Данное соотношение получено из следующих тригонометрических преобразований. Рассмотрим схему взаимодействия брусков и детали, представленную на рис. 3. Из треугольника ОАК получим:
АК
<9*=—2 (3) где D - диаметр обрабатываемой поверхности; а - технологический угол пересечения осей вращения брусков и дета-
\В
Рис. 3. Расчетная схема
Отрезок 2АК (рис.3) можно рассматривать как величину, на которую уменьшается ширина бруска L по сравнению с шириной обрабатываемой поверхности В в зависимости от угла наклона бруска а. В таком случае ширина бруска L будет представлена следующим образом:
L=В-2АК, (4)
Из выражения получим (4)
АК=(В- L)/2, (5)
Подставляя выражение (5) в формулу (3), получим:
^ <*= ^, (6) Запишем выражение (6) в следующем виде:
Ь = В-ОЬдк, мм. (7)
Выражение (7) позволяет определить ширину бруска в зависимости от технологического угла пересечения осей вращения брусков и детали.
Необходимость проведения описанных вычислений обусловлена тем, что произвольный выбор ширины брусков приведет к отсутствию обработки краевых участков обрабатываемой поверхности - при зауженном бруске, и к поломке бруска - при завышенной ширине из-за увеличенного сопротивления трению.
В рассматриваемой принципиальной схеме устройства (рис. 2) в процессе обработки используется четыре абразивных бруска, которые закрепляются в брускодержателе 2 так, чтобы они могли под действием силы прижима перемещаться по обрабатываемой поверхности 3. Брускодержатель 2 с брусками 1 располагают в инструментальной головке наклонно, так чтобы его ось пересекалась под острым углом а с осью вращения детали. При этом брускодержатель установлен в инструментальной головке с возможностью вращения вокруг собственной наклонной оси. Детали сообщают осецентричное вращение, а брускодержателю с брусками придается вращение вокруг наклонной оси. При такой кинематической схеме точка О является центром пересечения оси вращения инструментальной головки, совмещенной с центром симметрии обрабатываемой поверхности и оси брускодержателя.
Процесс обработки поверхности детали в этом случае представляет собой суперфиниш вращающимися абразивными брусками, перемещающимися по профилю с переменным давлением. На начальном этапе обработки давление брусков в краевых зонах обрабатываемого профиля будет больше, чем в средней его части. За счет такого движения брусков будет формироваться выпуклый профиль обрабатываемой поверхности. На последующем этапе обработки в результате приработки брусков формообразование обрабатываемого профиля будет осуществляться за счет различного времени контакта брусков с отдельными участками обрабатываемого профиля. Описываемый процесс будет характеризовать влияние брусков, как работу под нагрузкой в условиях линейного или плоскостного контакта, что обеспечивает центральное приложение нагрузки и устраняет повышенные кромочные давления. В краевых участках обрабатываемого профиля время контакта брусков будет больше, чем в центральной части, что наилучшим образом будет способствовать образованию необходимой выпуклости обрабатываемого профиля.
Заключение. Рассматриваемый в данной работе способ механической обработки подшипниковых колец достаточно трудоемкий процесс, так как обусловлен многими стохастическими факторами, такими как форма абразивных зерен, их распределение на рабочей поверхности абразивного инструмента, механическими, адгезионными, химическими, тепловыми явлениями в зоне резания и так далее. Но предложенное конструктивное решение устройства для проведения заключительной стадии изготовления является весьма эффективным подходом к суперфинишной обработке колец роликоподшипников с учетом следующих положений:
1.Вращение инструментальной головки вокруг оси, совпадающей с осью вращения детали и вращение брусков в инструментальной головке вокруг наклонной оси исключает необходимость использования дополнительных устройств для обеспечения рабочего движения брусков по обрабатываемой поверхности, что влечет повышение качества обработки;
2. Обеспечение необходимой точности обрабатываемой детали в продольном и поперечном сечении, так как ось вращения брусков, расположенных в инструментальной головке наклонно, пересекается с осью вращения детали и головки в центре симметрии обрабатываемого профиля, совмещенном с центром симметрии брусков.
З.Обеспечивает повышения работоспособности подшипников за счет устранения кромочного контакта, возникающего при работе подшипника под нагрузкой в условиях перекоса колец ролика с дорожкой качения, неизбежного при эксплуатационных перекосах в узле, характеризуемого несколькими микрометрами.
Список литературы
1. Мышкин Н.К. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии / Н.К. Мышкин, М.И. Петроковец. М.: Физматлит, 2007. 368 с.
2. Мосталыгин Г.П. Технология машиностроения. Учебник для вузов по инженерно-экономическим специальностям / Г.П. Мосталыгин, Н.Н. Толмачевский. М.: Машиностроение, 1990. 288 с.
3. Бишутин С.Г. Тепловыделение в зоне трения «абразивный инструментобрабатываемый материал» / С.Г. Бишутин, Н.В. Тюльпинова // Трение и смазка в машинах и механизмах №10, 2007. — С. 23-28.
4. Перегородов, А.А. Конструкции устройств для суперфиниширования колец роликовых подшипников / А. А. Перегородов, О. Ю. Давиденко, М. В. Одайник, П. Н. Резанов // Развитие современной науки и технологий в условиях трансформационных процессов // Сборник материалов III Международной научно-практической конференции. М, 2022. С. 79-86.
5. Салимов Б.Н., Технология суперфиниширования сложного профиля дорожек качения полуколец шарикоподшипников с многоточечным контактом / Б.Н. Салимов, А.В. Королев // Вестник Саратовского государственного технического университета № 1, Саратов, 2008. С. 31-33.
6. Давиденко О.Ю. Имитационная совместная доработка деталей подшипников качения / О.Ю. Давиденко, Н.В. Белоусова // EUROPEAN RESEARCH: сборник статей XXI Международной научно-практической конференции: Часть 1. Пенза, 2019. С. 165-167.
7. Патент № 2 070 850 B24B 19/06. Устройство для абразивной обработки беговых дорожек колец подшипников / Королев А.В., Рабинович Л.Д., Бржозовский Б.М.; Патентообладатель: Товарищество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие нестандартных изделий машиностроения". № 93010629/08; заявл. 01.03.1993. опубл. 27.12.1996.
8. Королев А.В. Кинематические особенности криволинейного суперфиниширования / А.В. Королев, О.Ю. Давиденко, М.К. Решетников // Вестник Саратовского государственного технического университета № 4. Саратов, 2011. С. 155-160.
9. Puthanangady T. Experimental investigation of the superfinishing process / T.K. Puthanangady, S. Malkin // Wear, 1995. Vol. 185. P. 173-182.
10. Dontu G. Qualitative analysis of the wear of stone and ring in superfinishing bearing rings, using FEM / G. Dontu, S. Cioc, S. Neagu-Ventzel, I. Marinescu // Trans. NAMRC, 2001. P. 205-211.
11. Ardashev D. Physicochemical wear of abrasive grains during grinding processes // Journal of Friction and Wear. 2014. Vol. 35. P. 284-289.
12. Liao D. An improved rough surface modeling method based on linear transfor-mation technique / D. Liao, W. Shao, J. Tang, J. Li // Tribol Int., 2018. Vol. 119. P. 94.
13. Gorog A. Simulation of Superfinished Surface Formation // Advances in Science and Technology - Research Journal. 2021. Vol. 15. P. 219-227.
14. Zverovshchikov A. Technological support of the form-profile of the profile of the rings of the rolling bearings / A. Zverovshchikov, V. Zverovshchikov, S. Nesterov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering- Research Journal. 2020. Vol. 709.
15. Kohichi M. Application of Superfinishing to Curved Surfaces / M. Kohichi, T. Yamada, M. Takahashi, Hwa-Soo Lee // Key Engineering Materials. 2013. Vol. 581. P. 241-246.
Перегородов Алексей Аркадьевич, аспирант, [email protected]. Россия, Саратов, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,
Олег Юрьевич Давиденко, д-р техн. наук, профессор, [email protected]. Россия, Саратов, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
DEVICE FOR IMITATION SUPERFINISHING PROCESSING OF SPHERICAL BEARING RINGS
A.A. Peregorodov, O.Yu. Davidenko
The paper discusses a new approach to the design of devices for superfinishing the surface of the raceways of spherical bearing rings with the development of a computational mathematical model and modeling of the prototype in CAD.
Key words: bearing rings, superfinishing, durability, abrasive tool.
Peregorodov Alexey Arkadievich, postgraduate, [email protected]. Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,
Oleg Yuryevich Davidenko, doctor of technical sciences, professor, [email protected]. Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
