ЛУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЛУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Кваліфікаційна наукова

праця на правах рукопису

ЕШТЕІВІ АБДУЛСАЛАМ МУСБАХ ХАДДУД

УДК 621.822.681.2:369.64

ДИСЕРТАЦІЯ

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ ТА ТОЧНОСТІ ШЛІФУВАННЯ

КІЛЕЦЬ РОЛИКОПІДШИПНИКІВ В УМОВАХ

ПЕРЕНАЛАГОДЖУВАЛЬНОГО ВИРОБНИЦТВА

05.02.08 – технологія машинобудування

Механічна інженерія

Подається на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей, результатів і

текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело

А.М. Ештеіві

Науковий керівник – Марчук Віктор Іванович, доктор технічних наук, професор

ЛУЦЬК – 2017

2

АНОТАЦІЯ

Ештеіві А.М. Технологічне забезпечення якості та точності шліфування

кілець роликопідшипників в умовах переналагоджувального виробництва. –

Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі

спеціальності 05.02.08 – технологія машинобудування. – Луцький національний

технічний університет, Луцьк, 2017.

Робота присвячена вдосконаленню технології безцентрового та торцевого

шліфування функціональних поверхонь зовнішніх кілець карданних та конічних

підшипників за рахунок створення науково-прикладних підходів до моделювання

технологічних операцій та запровадження прогресивних методів переривчастого

торцевого та безцентрового шліфування.

Розроблені загальні принципи формування розмірної точності шліфованих

поверхонь та математичні моделі механізму походження похибок оброблення та

температурних дефектів в технологічних системах безцентрового та торцевого

шліфування деталей підшипників.

На підставі проведених теоретичних та експериментальних досліджень

виявлені закономірності розповсюдження тепла в зоні шліфування поверхонь

кілець, отримані залежності для визначення глибини нагрівання поверхневого шару

шліфованої поверхні в залежності від режимів формоутворення і конструктивних

особливостей шліфувального інструменту. Математичним моделюванням визначені

умови зменшення температури під час переривчастого шліфування, умови

підвищення продуктивності при обмеженнях за температурою шліфування.

Теоретично та експериментально обгрунтована умова впливу температурного

фактору на фізико-механічні параметри якості шліфованих поверхонь кілець зі

сталей ШХ15 та 15Г1.

Економічний ефект від впровадження результатів дослідження у діюче

підшипникове виробництво складає 160 тис. грн.

У першому розділі на підставі аналізу літературних джерел і виробничого

досвіду встановлено особливості технології підшипникового виробництва,

3

проведено аналіз конструктивних особливостей кілець карданних і конічних

роликових підшипників, а також проведено аналіз причин і джерел походження

дефектів шліфованих поверхонь.

У другому розділі наведені принципи моделювання умов формування

розмірних параметрів деталей, а також параметрів якості поверхонь після

шліфувальних операцій. Розглянуто методи моделювання похибок керуючого

контролю і температурних деформацій в процесі обробки.

У третьому розділі розроблена методика кількісної оцінки тепла і температури

при шліфуванні на основі розробленої математичної моделі теплового балансу і

встановлено, що під час плоского торцевого шліфування частина тепла, що

переходить в стружку значно менше частини тепла, яка переходить в оброблювану

деталь. Визначено умову зменшення температури при обмеженнях за

продуктивністю обробки і обґрунтовано доцільність використання переривчастого

шліфування. Розроблено математичну модель теплових процесів, що виникають під

час шліфування переривчастими абразивними кругами.

У четвертому розділі на основі теоретичних і експериментальних досліджень

наведені конструктивні особливості переривчастих шліфувальних кругів і отримані

залежності параметрів якості шліфованих поверхонь від режимів переривчастого

шліфування і конструктивних особливостей шліфувального інструменту.

У п'ятому розділі розроблено інженерну методику проектування

технологічних операцій безцентрового і торцевого шліфування функціональних

поверхонь зовнішніх кілець карданних і конічних роликових підшипників.

Запропоновано алгоритм технологічного проектування шліфувальних операцій з

можливістю прогнозування параметрів якості і точності оброблених поверхонь.

Ключові слова: функціональна поверхня, температурні дефекти, параметри

якості, переривчасте шліфування, інструментальне налагодження, математичне

моделювання.

4

SUMMARY

Eshteiwi A.M. Technological support of quality and accuracy of grinding of

roller bearing rings in conditions of readjusted production. – The qualification

scientific work on the manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences in specialty 05.02.08 -

technology of engineering. - Lutsk National Technical University, Lutsk, 2017.

The work is devoted to improving the technology of centerless and face grinding of

the functional surfaces of the outer rings of cardan and tapered bearings by creating

scientific and applied approaches to the modeling of technological operations and the

introduction of progressive methods of interrupted end and centerless grinding.

General principles of formation of dimensional accuracy of polished surfaces and

mathematical models of the origin of processing errors and temperature defects in

technological systems of centerless and face grinding of bearing parts are developed.

Based on the theoretical and experimental studies carried out, the patterns of heat

propagation in the zone of grinding of the surfaces of rings are revealed, the dependences

obtained for determining the depth of heating of the surface layer of the ground surface,

depending on the shaping modes and design features of the grinding tool.

Mathematical conditions determine the conditions for temperature decrease during

discontinuous grinding, the conditions for increasing the productivity with limitations on

the grinding temperature. Theoretically and experimentally, the condition for the influence

of the temperature factor on the physical and mechanical parameters of the quality of

polished surfaces of the rings of ShKh15 and 15G1 steel is substantiated.

The economic effect of the introduction of research results in the existing bearing

production is 160 thousand UAH.

In the first section, the features of the bearing production technology are established

on the basis of the analysis of literature sources and production experience, an analysis is

made of the structural features of the rings of cardan and tapered roller bearings, and the

causes and sources of defects of ground surfaces are analyzed.

In the second section, the principles of modeling the conditions for the formation of

dimensional parameters of parts, as well as surface quality parameters after grinding

5

operations are given. The methods of modeling errors of control control and temperature

deformations during processing are considered.

The third section developed a methodology for quantitative evaluation of heat and

temperature during grinding based on the developed mathematical model of heat balance,

and it was established that during flat face grinding, some of the heat transferred to the

chips is much less than the heat that passes into the workpiece. The condition of

temperature reduction is determined at the limitations of the processing capacity and the

expediency of using intermittent grinding is justified. A mathematical model of thermal

processes that arise during grinding by discontinuous abrasive wheels has been developed.

In the fourth section, structural features of discontinuous grinding wheels are given

on the basis of theoretical and experimental studies and dependences of the parameters of

the quality of polished surfaces on the conditions of discontinuous grinding and the design

features of the grinding tool are obtained.

In the fifth section, an engineering methodology has been developed for designing

the technological operations of centreless and face grinding of the functional surfaces of

the outer rings of cardan and tapered roller bearings. An algorithm for the technological

design of grinding operations with the ability to predict quality parameters and the

accuracy of machined surfaces is proposed.

Keywords: functional surface, temperature defects, quality parameters, intermittent

grinding, instrumental adjustment, mathematical modeling.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Марчук В.І. Про вплив параметрів якості робочих поверхонь кілець на

експлуатаційні характеристики високоточних роликових підшипників / В.І. Марчук,

Л.М. Равенець, А.М. Ештеіві // “Перспективні технології та прилади”. Збірник

наукових праць. Випуск 6(1). м. Луцьк, травень 2015 р. – Луцьк: Луцький НТУ,

2015. – С. 49–53. (Автору належить: дослідження параметрів шорсткості та

точності функціональних поверхонь кілець роликових підшипників).

2. Джугурян Т.Г. Особливості формування мікрорельєфу поверхні

обертання на операціях точіння / Т.Г. Джугурян, І.В. Марчук, А.М. Ештеіві //

6

“Перспективні технології та прилади”. Збірник наукових праць. Випуск 7. м. Луцьк,

грудень 2015 р. – Луцьк: Луцький НТУ, 2015. – С. 34–37. (Автору належить:

проведення експериментальних досліджень залежності топографічних параметрів

поверхневого шару на функціональних поверхнях після операцій механічного

оброблення).

3. Марчук В.І. До визначення основних параметрів процесу безцентрового

шліфування кілець роликопідшипників переривчастими шліфувальними кругами /

В.І. Марчук, Л.М. Равенець, А.М. Ештеіві // Вісник Житомирського державного

технологічного університету. Серія: Технічні науки №3(74) – Житомир: ЖДТУ,

2016. – С. 34–39. (Автору належить: план та методика проведення

експериментального дослідження кілець у виробничих умовах).

4. Марчук В.І. Дослідження параметрів поверхневого зміцнення

функціональних поверхонь обертання / В.І. Марчук, І.В. Марчук, А.М. Ештеіві //

Матеріали ІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції «Приладобудування та

метрологія: сучасні проблеми, тенденції розвитку» 6-7 жовтня 2016 р. – Луцьк:

Луцький НТУ, 2016. – С. 61–62. (Автору належить: методика поверхневого

зміцнення поверхонь кілець шляхом вигладжування).

5. Марчук В.І. Модель стабілізації високочастотних коливних процесів в

динамічній системі круглого врізного шліфування / В.І. Марчук, І.В. Марчук, А.М.

Ештеіві, І.О. Грисюк // Матеріали ІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції

«Приладобудування та метрологія: сучасні проблеми, тенденції розвитку» 6-7

жовтня 2016 р. – Луцьк: Луцький НТУ, 2016. – С. 62–63. (Автору належить:

апаратне забезпечення для вимірювання параметрів вібрацій та вимірювання

амплітудних та частотних характеристик вібрацій).

6. Марчук В.І. Класифікація та походження температурних дефектів на

операціях безцентрового шліфування поверхонь обертання / В.І. Марчук, І.В.

Марчук, М.В. Олексин, А.М. Ештеіві / Матеріали Шістнадцятої міжнародної

молодіжної науково-технічної конференції «Машинобудування очима молодих:

прогресивні ідеї-наука-виробництво», м. Суми, 26-29 жовтня 2016 р. – Суми:

7

Сумський державний університет, 2016. – С. 102–103. (Автору належить:огляд

літературних джерел з проблеми вимірювання температурних дефектів).

7. Марчук В.І., Ештеіві А.М., Шишко К.В. Мікрометричні параметри в 3-D

системі та експлуатаційні властивості в інженерії поверхні / Фізичні та комп’ютерні

технології. Матеріали ХХІІ Міжнародної науково-практичної конференції, 7– 9

грудня 2016р, м. Харків. – Д.: ЛІРА, 2016. – С. 74–78. (Автору належить:

теоретичні дослідження можливостей методики дослідження мікрорельєфу

поверхонь деталей після операцій механічного оброблення).

8. Марчук В.І. Модель стабілізації високочастотних коливних процесів в

динамічній системі круглого врізного шліфування / В.І. Марчук, І.В. Марчук, А.М.

Ештеіві / “Перспективні технології та прилади”. Збірник наукових праць. Випуск

9(2). м. Луцьк, грудень 2016 р. – Луцьк: Луцький НТУ, 2016. – С. 75–82. (Автору

належить: розроблення схеми та структури програмного забезпечення обробки

результатів досліджень).

9. Ештеіві А.М. Технологічне забезпечення точності шліфування

циліндричних поверхонь / А.М. Ештеіві / Наукові нотатки: Міжвуз. зб. Луцького

національного технічного університету (за напрямком “Інженерна механіка”). Вип.

57. – Луцьк: Луцький НТУ, 2017. – С. 70–74.

10. Марчук І.В. Технологічне забезпечення точності шліфування поверхонь

обертання підшипників / І.В. Марчук, А.М. Ештеіві, М.В. Олексин / Наукові

нотатки: Міжвуз. зб. Луцького національного технічного університету (за

напрямком “Інженерна механіка”). Вип. 57. – Луцьк: Луцький НТУ, 2017. – С. 123–

127. (Автору належить: огляд літературних джерел з проблем забезпечення

точності механічного оброблення).

11. Марчук І.В. Технологічне керування точністю поверхонь обертання на

операціях механічного оброблення / І.В. Марчук, М.В. Олексин, А.М. Ештеіві /

«Сучасні технології у промисловому виробництві»: матеріали науково-технічної

конференції викладачів, співробітників, аспірантів і студентів факультету технічних

систем та енергоефективних технологій (м. Суми, 18–21 квітня 2017 р.): у двох

частинах / редкол.: О. Г. Гусак, В. Г. Євтухов. – Суми: Сумський державний

8

університет, 2017. – Ч. 1. – 31–32 с. (Автору належить: структурна схема

установки для проведення експериментальних досліджень ).

12. Марчук І.В. Управління точністю поверхонь обертання на операціях

механічного оброблення / І.В. Марчук, М.В. Олексин, А.М. Ештеіві / Комплексне

забезпечення якості технологічних процесів та систем (КЗЯТПС – 2017): матеріали

тез доповідей VІІ міжнародної науково-практичної конференції (м. Чернігів, 24–27

квітня 2017 р.): у 2-х т. / Чернігівський національний технологічний університет [та

ін.]; відп. за вип.: Єрошенко Андрій Михайлович [та ін.]. – Чернігів : ЧНТУ, 2017. –

Т. 1. – C. 94–95. (Автору належить: план та програма експериментальних

досліджень).

13. Марчук І.В. Керування температурою на безцентрово-шліфувальних

операціях / І.В.Марчук, М.В. Олексин, А.М. Ештеіві // “Перспективні технології та

прилади”. Збірник наукових праць. Випуск 10(1). м. Луцьк, червень 2017 р. – Луцьк:

Луцький НТУ, 2017. – С. 133–138. (Автору належить: розроблення методики

розрахунку теплонапруженості в зоні шліфування поверхонь обертання

переривчастими шліфувальними кругами).

14. Марчук І.В. Технологічне керування точністю поверхонь обертання в

умовах переналагоджувального підшипникового виробництва / І.В. Марчук, А.М.

Ештеіві / Збірник тез доповідей ХVІ-ї Міжнародної науково-технічної конференції

«ПРИЛАДОБУДУВАННЯ: стан і перспективи», ПБФ, КПІ ім. Ігоря Сікорського,

16-17 травня 2017 р., м. Київ, Україна. – 2017. – С. 83. (Автору належить: огляд

літературних джерел та визначення розроблення програми проведення

досліджень).

15. Марчук В.І. До аналізу джерел та причин походження вібрацій в

конічних роликопідшипниках / В.І. Марчук, І.В. Марчук, А.М. Ештеіві, М.В.

Олексин / Наукові нотатки: Міжвуз. зб. Луцького національного технічного

університету (за напрямком “Інженерна механіка”). Вип. 59. – Луцьк: Луцький НТУ,

2017. – С. 184–192. (Автору належить: аналіз причин походження вібрацій в

конічних роликопідшипниках та параметрична оцінка кожного виду вібрацій.).

9

16. Świć А. Mechanism of origin of structural vibrations in conical roller

bearings / A. Świć, V.I. Marchuk, A.M. Eshteiwi, L.M. Ravenets // ADVANCES IN

SCIENCE AND TECHNOLOGY RESEARCH JOURNAL - 2014, nr 23, vol. 8, s. 68-72

[MNiSW: 5]. (Автору належить:постановка задачі для визначення структурних

вібрацій підшипника кочення).

17. Марчук В.І. Висновок про видачу деклараційного патенту на корисну

модель за результатами формальної експертизи. Реєстраційний номер заявки u2017

04565. Збірний шліфувальний круг. / В.І. Марчук, І.В. Марчук, А.А. Ткачук А.М.

Ештеіві, М.В. Олексин. Заявник і патентовласник: Луцький національний технічний

університет, Луцьк; заявл. 10.05.2017.

10

ЗМІСТ

Стор.

ВСТУП 13

РОЗДІЛ 1. СУЧАСНИЙ СТАН ПРОБЛЕМИ ТЕХНОЛОГІЧНОГО

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ ПОВЕРХОНЬ ОБЕРТАННЯ

НА ШЛІФУВАЛЬНИХ ОПЕРАЦІЯХ

21

1.1. Особливості технології підшипникового

виробництва та аналіз конструктивних особливостей

кілець роликових підшипників

21

1.2. Аналіз сучасних методологічних підходів до

технологічного керування точністю та якістю

поверхонь обертання на операціях механічного

оброблення

29

1.3. Вплив експлуатаційних характеристик

шліфувальних кругів на показники якості

шліфованих поверхонь

40

1.4. Аналіз причин та джерел походження температурних

дефектів шліфованих поверхонь

45

1.5. Висновки та завдання досліджень 51

РОЗДІЛ 2. ПРИНЦИПИ ФОРМУВАННЯ РОЗМІРНОЇ ТОЧНОСТІ

ТА ЯКОСТІ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ПОВЕРХОНЬ

КІЛЕЦЬ НА ШЛІФУВАЛЬНИХ ОПЕРАЦІЯХ

54

2.1. Основні напрямки та джерела підвищення

ефективності шліфувальних операцій, якості та

точності шліфованих поверхонь

54

2.2. Технологічне керування точністю формоутворення

на абразивно-шліфувальних операціях

58

2.3. Загальні принципи формування розмірної точності

на операціях безцентрового шліфування

66

2.4. Математична модель механізму походження похибок

11

оброблення в технологічній системі безцентрового

шліфування

68

2.5. Моделювання похибок керуючого контролю 72

2.6. Моделювання температурних деформацій деталей в

процесі оброблення

75

2.7. Висновки до розділу 79

РОЗДІЛ 3. ТЕХНОЛОГІЧНА СТАБІЛІЗАЦІЯ ТЕПЛОВИХ

ПРОЦЕСІВ В ЗОНІ ПЕРЕРИВЧАСТОГО ШЛІФУВАННЯ

ПОВЕРХОНЬ ОБЕРТАННЯ КІЛЕЦЬ

РОЛИКОПІДШИПНИКІВ

81

3.1. Функціональні зв’язки теплового режиму

шліфування переривчастими кругами з

геометричними параметрами ріжучого інструменту

81

3.2. Розрахунок коефіцієнта теплообміну для умов

переривчастого шліфування з використанням

змащувально-охолоджувальних рідин

94

3.3. Розрахунок температури безцентрового шліфування

переривчастими шліфувальними кругами

96

3.4. Технологічні умови зниження температури в зоні

шліфування переривчатими кругами

100

3.5. Визначення умов збільшення продуктивності

шліфування з урахуванням обмежень за

температурою шліфування

102

3.6. Визначення технологічних режимів шліфування, що

забезпечують умови бездефектного формоутворення

107

3.7. Висновки до розділу 110

РОЗДІЛ 4. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ЗВ’ЯЗКІВ

ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСУ ШЛІФУВАННЯ З

ПОКАЗНИКАМИ ЯКОСТІ ШЛІФОВАНИХ ПОВЕХОНЬ

113

4.1. Програма та методика досліджень 113

12

4.2. Планування експерименту 116

4.3. Проведення експерименту 120

4.4. Дослідження зв’язків режимів шліфування кілець

переривчастими кругами з температурою різання та

параметрами якості шліфованої поверхні

124

4.5. Експериментальне дослідження шорсткості поверхні 134

4.6. Висновки до розділу 151

РОЗДІЛ 5. ІНЖЕНЕРНА МЕТОДИКА ТЕХНОЛОГІЧНОГО

КЕРУВАННЯ ТОЧНІСТЮ ТА ЯКІСТЮ

ШЛІФУВАННЯ

154

5.1. Методика керування якістю оброблення 154

5.2. Методика визначення балансу тепла в технологічній

системі безцентрового шліфування

160

5.3. Аналіз параметрів теплового потоку в поверхневому

шарі заготовки

163

5.4. Розрахунок показника приведеної температури 165

5.5. Визначення товщини поверхневого шару деталі, в

якому концентрується тепло

166

5.6. Визначення балансу тепла в технологічній системі

переривчастого шліфування

172

5.7. Висновки до розділу 177

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ 179

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 183

ДОДАТКИ 199

13

ВСТУП

Актуальність теми. У практиці світового машинобудування відбувається

постійне підвищення вимог до якості та конкурентоспроможності виробів. Оскільки,

надійність та довговічність машин і механізмів багато в чому визначається

надійністю опор кочення, то проблема підвищення експлуатаційних характеристик

підшипників кочення, які вирішальним чином залежать від точності форми і якості

робочих поверхонь їх деталей є актуальною і надзвичайно важливою.

В технологічному циклі виготовлення підшипників провідне місце займають

шліфувальні операції оброблення поверхонь кілець та роликів. Якщо процеси

виготовлення тіл кочення складаються з заготівельних процесів і операцій

абразивного оброблення, то технологічний процес виготовлення кілець підшипників

складається з операцій заготівельних, токарних та цілого ряду шліфувальних і

доводочних операцій абразивного оброблення.

Фізико-механічні параметри базових поверхонь кілець роликових та

карданних підшипників, а також параметри їх точності формуються на

шліфувальних операціях, число яких складає шість операцій для карданного

підшипника та сім операцій для зовнішнього кільця конічного роликового

підшипника. Від рівня вдосконалення шліфувальних операцій технологічного

маршруту виготовлення кілець у великій мірі залежать якість готових підшипників

та ефективність підшипникового виробництва.

Важливою проблемою, що має місце під час безцентрового шліфування

поверхонь обертання кілець з підшипникової сталі ШХ15 (для кілець конічних

підшипників) та 15Г1 (для кілець карданних підшипників) є забезпечення фізико-

механічних параметрів якості шліфованих поверхонь. Особливої актуальності ця

проблема набуває в умовах частопереналагоджувального підшипникового

виробництва. Традиційні підходи до проектування та виконання безцентрово-

шліфувальних та плоско-шліфувальних операцій в умовах переналагоджувального

виробництва не забезпечують потрібних показників якості та точності шліфованих

поверхонь, стримують підвищення механообробки. Як показали виробничі

дослідження та практичний досвід діючого підшипникового виробництва, процеси

14

шліфування кілець суцільними абразивними кругами супроводжується виникненням

температурних дефектів (припалювань) на шліфованих поверхнях, нестабільністю

фізико-механічних параметрів, а також параметрів шорсткості та хвилястості

шліфованих поверхонь внаслідок впливу багатьох технологічних чинників.

Дисертаційна робота спрямована на вирішення завдань підвищення якості та

точності зовнішніх кілець карданних та конічних роликопідшипників в умовах

переналагоджувального підшипникового виробництва, підвищення ефективності

шліфувальних операцій.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна

робота виконана на кафедрі приладобудування Луцького національного технічного

університету відповідно до плану держбюджетної теми: «Підвищення технологічної

гнучкості та ефективності багатоінструментальних операцій механічного

оброблення деталей роликопідшипників в умовах переналагоджувального

виробництва» (№ держреєстрації 0112U000285, наказ МОН молоді та спорту

України № 1241 від 28.10.2012 р.); згідно з координаційним планом Комітету з

питань науки і техніки України, розділу “Машинобудування” (позиція 43)

“Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні” на 2010–2015 роки. та

держбюджетної теми: «Технологічне забезпечення й стабілізація якості

поверхневого шару деталей підшипників на операціях шліфування переривчастими

кругами» (№ державної реєстрації 0115U002202).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності

шліфувальних операцій оброблення кілець карданних та конічних

роликопідшипників, стабілізація параметрів якості та точності шліфованих

поверхонь за рахунок вдосконалення технології процесу шліфування,

запровадження прогресивних методів технологічної підготовки серійного,

переналагоджувального підшипникового виробництва.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

1. Провести дослідження взаємозв’язків параметрів якості та точності

шліфованих поверхонь з режимами шліфування та конструктивно-технологічними

чинниками шліфувальних операцій і на цій основі розробити стратегію та модель

15

формування ефективної технології оброблення поверхонь кілець в умовах

автоматизованого переналагоджувального підшипникового виробництва.

2. Дослідити механізм походження температурних та геометричних дефектів

під час шліфування функціональних поверхонь кілець класифікаційної групи

суцільними та переривчастими шліфувальними кругами і на цій основі розробити

методику моделювання похибок керуючого контролю та температурних деформацій

під час шліфування. Розробити математичну модель оперативного визначення та

прогнозування температури шліфування суцільними та переривчастими

шліфувальними кругами.

3. Провести обґрунтування умов зменшення температури поверхневого шару

під час плоского та безцентрового шліфування поверхонь зовнішніх кілець конічних

та карданних підшипників для їх бездефектного оброблення.

4. Визначити умови досягнення максимально можливої продуктивності

оброблення функціональних поверхонь кілець з врахуванням обмежень за

температурою шліфування, встановити шляхи зниження температури плоского та

безцентрового шліфування за умов бездефектного їх оброблення.

5. На підставі теоретичних та експериментальних досліджень визначити

геометричні параметри та характеристики абразивного інструменту, що забезпечує

досягнення прогнозованих значень приведеного показника температури та

теплонапруженості процесу шліфування, розробити методику оперативного

визначення параметрів режимів плоского та безцентрового шліфування поверхонь

кілець класифікаційної групи.

6. Провести комплекс експериментальних досліджень зв’язків

конструкторсько-технологічних чинників безцентрово-шліфувальних операцій з

фізико-механічними та геометричними параметрами якості шліфованих поверхонь, з

силовими параметрами процесу шліфування, температурою в зоні шліфування, що

забезпечують умови бездефектного оброблення поверхонь кілець.

7. На підставі розробленої конструкції ефективного збірного переривчастого

інструменту та встановлених взаємозв’язків температури з технологічними

чинниками і режимами переривчастого шліфування розробити методику визначення

16

параметрів якості та точності шліфованих поверхонь в умовах

переналагоджувального підшипникового виробництва.

8. Розробити інженерну методику керування показниками точності та якості

поверхонь обертання під час безцентрового та торцевого шліфування кілець

роликових конічних та карданних підшипників в системі технологічної підготовки

шліфувальних операцій для прогнозування і забезпечення їх бездефектного

оброблення та підвищення ефективності виробництва.

Об’єкт дослідження – технологічні процеси шліфування функціональних

поверхонь кілець підшипників в умовах автоматизованого переналагоджувального

підшипникового виробництва.

Предмет дослідження – взаємозв’язки конструктивно-технологічних

чинників шліфувальних операцій з показниками якості та точності шліфованих

поверхонь кілець і показниками ефективності процесів шліфування.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень покладені наукові

підходи і принципи технології машинобудування; теорії різання металів;

математичний апарат аналізу і синтезу процесів формоутворення, теорії коливань;

методів розв’язку диференційних рівнянь для моделювання теплонапруженості і

температури в зоні шліфування; методів планування експерименту й математичної

статистики для проведення експериментальних досліджень, аналізу й оброблення їх

результатів.

Для дослідження й аналізу геометричної структури поверхонь, шорсткості та

фізико-механічних параметрів якості, а також для визначення параметрів

мікрогеометрії використовувався прилад MWA100С, прилад Surtronic-3 для

вимірювання шорсткості доріжок поверхонь обертання, автоматизований

дослідницький комплекс Talyskan-150. Температурні показники досліджувались за

допомогою пірометра пістолетного типу з діапазоном вимірювання температури від

50-1000°C, марки НТ-822, силові параметри шліфування визначались за допомогою

електронного динамометра спеціального призначення, твердість поверхонь

визначали за допомогою твердоміра 2109ТБ.

17

Наукова новизна одержаних результатів. Вирішена актуальна наукова

проблема – встановлення взаємозв’язків конструкторсько-технологічних чинників

шліфувальних операцій з показниками ефективності шліфування та параметрами

якості і точності функціональних поверхонь шліфованих деталей. На підставі

запропонованого методу моделювання зв’язків технологічних чинників з

параметрами якості оброблених поверхонь встановлені важливі функціональні

залежності між режимами шліфувальних операцій, характеристиками, структурою

та геометричними параметрами різального інструмента (шліфувальних кругів),

температурою в зоні шліфування, показниками процесу формоутворення і

параметрами якості та точності поверхонь зовнішніх кілець карданних та роликових

підшипників. Для цього вперше:

- встановлено залежності і взаємозв’язки механізму формування похибок в

технологічній системі безцентрового шліфування поверхонь обертання та

встановлені джерела походження розмірних, геометричних та температурних

дефектів;

- розроблено математичну модель визначення та прогнозування температури в

зоні шліфування поверхонь кілець на шліфувальних операціях, яка грунтується на

врахуванні балансу тепла, що передається в стружку і в оброблювану деталь, що

дозволило визначити умови зменшення температури шліфування, а отже умови

запобігання температурних дефектів та стабілізації параметрів якості і точності

шліфованих поверхонь кілець роликових та карданних підшипників;

- виявлено закономірності розповсюдження тепла в зоні шліфування кілець

роликових та карданних підшипників, отримані залежності для визначення глибини

прогрівання шліфованої поверхні для заданої швидкості переміщення теплового

джерела вздовж шліфованої поверхні під час переривчастого шліфування,

аналітично визначені умови зменшення температури та швидкості її проникнення в

тіло заготовки;

- отримано аналітичні залежності, що описують функціональні зв’язки між

режимами шліфування, конструктивними особливостями шліфувального

інструмента (число ріжучих виступів круга) при зміні типорозмірів кілець, які

18

запускаються у виробництво, та температурою в зоні шліфування поверхонь кілець

карданнних та роликових підшипників;

- встановлено залежність між швидкістю різання, температурою шліфування

та кількістю тепла, що переходить в стружку, в тіло заготовки та в різальний

інструмент під час плоского та безцентрового шліфування поверхонь кілець

переривчастими кругами;

- отримано аналітичні залежності для визначення приведеного показника

температури, який характеризує теплонапруженість процесу шліфування. На цій

основі отримано залежності для оперативного визначення умов зменшення

температури в етапі технологічного проектування процесу безцентрового та

плоского шліфування поверхонь кілець переривчастими і суцільними кругами та

прогнозування умов бездефектного оброблення.

Практичне значення одержаних результатів. Вдосконалено технологію

безцентрового та плоского шліфування поверхонь зовнішніх кілець карданнних та

роликових підшипників за рахунок використання високоефективного

шліфувального інструмента з переривчастою робочою поверхнею, що покращило

умови стружко- та тепловідведення з зони шліфування:

- запропоновано конструкцію збірного шліфувального круга зі змінною

зернистістю окремих секцій, що дозволило стабілізувати параметри якості

шліфованих поверхонь та зменшити теплонапруженість процесу шліфування;

- розроблено інженерну методику розрахунку і встановлення режимів

оброблення та визначення параметрів інструментального налагодження на

шліфувальну операцію для стабілізації параметрів якості та підвищення

ефективності бездефектного оброблення деталей;

- розроблено методику оперативного визначення параметрів

інструментального налагодження та параметрів режимів різання операцій

безцентрового та плоского шліфування функціональних поверхонь кілець карданних

та роликових підшипників.

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні та експериментальні

дослідження, що виносяться на захист, отримані автором самостійно. Особистий

19

внесок дисертанта в роботах, які виконані спільно з авторами публікацій та

висновку про видачу деклараційного патенту на корисну модель за результатами

формальної експертизи полягає в проведенні аналізу літературних джерел та

патентному пошуку, обгрунтуванні плану та методики проведення

експериментальних досліджень, в апаратному забезпеченні та безпосередньому

вимірюванні амплітудо-частотних характеристик в технологічній системі

шліфування, розроблення структурної схеми експериментальної установки та

реалізація виробничих експериментальних досліджень, в розбленні методики

розрахунку теплонапруженості в зоні шліфування, в дослідженні мікрорельєфу та

мікротвердості шліфованих поверхонь, в розробленні конструкції та дослідженні

геометричних параметрів різального інструмента.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати

дисертації доповідались та обговорювались на: ІІ-й Всеукраїнській науково-

практичній конференції «Приладобудування та метрологія: сучасні проблеми,

тенденції розвитку» (м. Луцьк, 2016 р.); шістнадцятій міжнародній молодіжній

науково-технічній конференції «Машинобудування очима молодих: прогресивні

ідеї-наука-виробництво», (м. Суми, 2016 р.); ХХІІ-й Міжнародній науково-

практичній конференції «Фізичні та комп’ютерні технології», (м. Харків, 2016 р.);

науково-технічній конференції викладачів, співробітників, аспірантів і студентів

факультету технічних систем та енергоефективних технологій «Сучасні технології у

промисловому виробництві»: (м. Суми, 2017 р.); VІІ міжнародній науково-

практичній конференції «Комплексне забезпечення якості технологічних процесів та

систем (КЗЯТПС – 2017)» (м. Чернігів, 2017 р.); VI-тій Міжнародній науково-

технічній конференції «Прогресивні технології в машинобудуванні» (м. Львів,

2017р.); ХVІ-тій Міжнародній науково-технічній конференції «Приладобудування:

стан і перспективи», (м. Київ, 2017 р.).

Публікації. Основний зміст і результати роботи опубліковані в 17 друкованих

працях, 8 з них у фахових виданнях, 1 з них – одноосібна, 1 – у закордонному

виданні, 1 – у іншому виданні, 6 у тезах науково-технічних конференцій та 1

висновок про видачу деклараційного патенту на корисну модель за результатами

20

формальної експертизи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти

розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Повний обсяг дисертації

– 205 сторінок машинописного тексту, в тому числі – 76 ілюстрацій, 17 таблиць, 6

додатків та список використаних джерел з 162 найменувань.

21

РОЗДІЛ 1

СУЧАСНИЙ СТАН ПРОБЛЕМИ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

ЯКОСТІ ПОВЕРХОНЬ ОБЕРТАННЯ НА ШЛІФУВАЛЬНИХ ОПЕРАЦІЯХ

1.1. Особливості технології підшипникового виробництва та аналіз

конструктивних особливостей кілець роликових підшипників

Технологічний процес шліфування кілець є однією із складових частин

технологічного процесу виготовлення роликопідшипників та займає в ньому

найголовніше місце, тому що тут проходить кінцеве оброблення, яке повинне

забезпечити геометрію поверхні в мікронах, а мікрогеометрію – долях мікрона.

Оброблення базових та робочих поверхонь проводиться шліфувальними

кругами на торцешліфувальних, безцентрово-шліфувальних, внутрішньо-

круглошліфувальних і суперфінішних верстатах.

Якість оброблення кілець на шліфувальному обладнанні значною мірою

залежить від кваліфікації робітника, від якісного шліфувального інструменту,

змащувально-охолоджуючої рідини (ЗОР) і стабільної роботи шліфувального круга.

Процес виготовлення кілець складається з ряду технологічних операцій, які

виконуються на певному обладнанні в регламентованій послідовності.

Більше 50% трудомісткості виготовлення деталей підшипників приходиться

на операції шліфування, де формуються всі основні параметри точності та якості.

На базовому підприємстві впроваджена технологія шліфувального оброблення

зовнішнього кільця, яка виконується в такій послідовності:

- одночасне шліфування двох торців на двосторонніх торцешліфувальних

верстатах в два проходи;

- шліфування зовнішньої циліндричної поверхні на безцентрово-

шліфувальних верстатах в 3-4 проходи, залежно від вимог точності і типорозміру

деталі;

- шліфування доріжки кочення попереднє, чистове і кінцеве.

Вимоги сучасного виробництва змушують постійно вдосконалювати та

впроваджувати такі технології і оснащення, завдяки яким можливе швидке

22

переналагодження з одного типорозміру на інший і транспортування деталей

широкого діапазону по транспортних каналах виробництва.

На рис. 1.1 зображено робоче креслення зовнішнього кільця підшипника 7606

та значення розмірних параметрів кільця. Зовнішній діаметр D кільця дорівнює

72 мм, граничне відхилення розміру – 0,011 мм. Ширина кільця C – 23,0 мм –

граничне відхилення, допуск на розмір рівний – 0,100 мм. Непостійність ширини по

довжині зовнішньої циліндричної поверхні дорівнює 0,020 мм, непостійність

зовнішнього діаметру – 0,010 мм. Биття діаметра відносно базового торця –

0,015 мм. Шорсткість зовнішнього діаметра Rа – 0,32 мкм.

Рис. 1.1. Робоче креслення кільця зовнішнього 6У-7606А.01:

lе – довжина доріжки кочення 22,89 мм; mе – довжина ділянки для вимірювання

доріжки кочення 17,91 мм; Ае – позиція найвищої точки профілю доріжки кочення

±6,0 мм; α – кут нахилу доріжки кочення

З аналізу креслення, значень геометричних параметрів та технічних вимог на

виготовлення можна зробити висновок, що для виготовлення кільця необхідне

застосування високоточного технологічного устаткування та ефективного

різального абразивного інструменту, щоб забезпечити технологічно всі вимоги до

параметрів виробу, які наведені в табл. 1.1.

На рис. 1.2 наведено конструктивні параметри та розміри зовнішнього кільця

карданного підшипника 804805У1.01. Назви функціонально призначених поверхонь,

які піддаються шліфуванню наступні: торець вузький, торець широкий, зовнішня

циліндрична поверхня, денце, доріжка кочення.

23

Таблиця 1.1.

Параметри до робочого креслення кільця зовнішнього 6У-7606А.01

Попередніми теоретичними дослідженнями встановлено, що

теплонапруженість в зоні шліфування носить складний характер та залежить від

цілого ряду конструктивно-технологічних чинників, характер і рівень впливу яких

на теплоутворення під час шліфування недостатньо висвітлений в технічній

літературі, потребує більш аргументованого теоретичного та експериментального

дослідження.

Серед багатьох відомих методологічних підходів до технологічного керування

точністю та якістю поверхонь на операціях шліфування заслуговує на увагу підхід

запропонований професором Якімовим О.В. та продовжений представниками його

24

наукової школи, що полягає у запровадженні принципів переривчастості

шліфування. Використання такого підходу в інженерній практиці дозволяє

зменшити тепло напруженість процесу та покращити умови стружко- та

тепловідведення з зони шліфування завдяки ефекту вентилятора.

Відзначається, що завдяки роботам багатьох відомих учених, до яких слід

віднести: П.І. Ящеріцина, Є.Н. Маслова, О.В. Якімова, В.М. Верезуба,

В.А..Сипайлова, Л.М. Філімонова, Ю.Н. Полянчикова, Ю.В. Петракова,

В.Г..Лєбедєва, В.І. Марчука, С.С..Шахновського, П.Р. Родіна, В.М. Сухарєва,

А.В..Корольова, A.M. Баландіна, створені наукові основи процесу шліфування,

розроблені технологічні методи абразивного оброблення, що широко й успішно

застосовуються в різних галузях машинобудування. Цими роботами і досвідом

Рис. 1.2. Робоче креслення зовнішнього кільця карданного підшипника

804805У1.01.

25

підприємств наведено широкі можливості процесів шліфування щодо

забезпечення високої якості деталей машин при обробленні. Разом з тим,

недостатньо досліджень спрямовано на вивчення потенційних можливостей

процесу переривчастого шліфування, який дозволяє значно підвищити

продуктивність, стабілізувати якість внаслідок зменшення теплонапруженості

процесу, що особливо актуально при обробленні поверхонь деталей

підшипників та інтенсифікації режимних параметрів.

Підшипники кочення є важливими елементами механізмів, які суттєво

впливають, а часто і визначають якісні характеристики вузлів, а також довговічність

і надійність машин в цілому. Вдосконалення існуючих зразків та розроблення нової

сучасної техніки висувають до підшипників кочення підвищені вимоги щодо

експлуатаційних параметрів. Ці вимоги диктуються необхідністю створення вузлів з

мінімальною масою, з пониженим рівнем шумів та вібрацій, плавністю передачі

крутних моментів, швидкохідності, підвищеної вантажопідйомності. Важливою

експлуатаційною властивістю підшипників кочення є їх клас точності [97]. За

класифікацією [118], в порядку зростання, прийнято наступні класи точності: 8, 7, 0,

6, 5, 4, 2. Клас точності підшипника залежить від точності виготовлення

комплектуючих деталей. На базовому виробництві поверхні обертання та торцеві

поверхні кілець конічних та карданних підшипників обробляються на однаковому

технологічному обладнанні. Перехід до шліфування інших типорозмірів та типів

кілець супроводжується виконанням переналагоджувальних операцій

технологічного обладнання, а це пов’язано з ускладненнями технологічного та

організаційно-технічного характеру. для вирішення проблеми підвищення рівня

технологічної гнучкості серійного підшипникового виробництва необхідні

відповідні дослідження та методики вдосконалення систем технологічної підготовки

виробництва.

Точність та якість готового підшипника визначається точністю оброблення

робочих поверхонь та їх взаємного розташування у комплектуючих деталях [118], а

також розмірами посадочних поверхонь підшипника: діаметром отвору

26

внутрішнього кільця, діаметром твірної зовнішнього кільця та висотою підшипника

в зборі.

Слід відмітити, що проблему якості комплектуючих деталей підшипників

можна успішно вирішити лише за умови, якщо якість виробів буде забезпечуватись

технологічним процесом [123]. Ніякої альтернативи в області забезпечення якості

продукції не існує. Отже, необхідно підвищувати рівень технологічної точності [97].

Якість продукції може забезпечуватись двома методами, які по суті

характеризують два різних технічних підходи: розбракуванням або сортуванням вже

виготовлених деталей або виробів і шляхом підвищення технологічної точності,

коли якість продукції забезпечується безпосередньо технологічним процесом [80].

Другий метод, безумовно, є прогресивнішим.

Реалізація другого методу, – дотримання необхідної точності безпосередньо в

технологічному процесі, базується на використанні додаткового оснащення –

автоматизованих засобів "управління розміром" та дотриманням основних

принципів забезпечення точності. Один з цих принципів – принцип інверсії,

оснований на тому, що будь-яка деталь від моменту її виготовлення до моменту

експлуатації проходить ряд перетворень і різних станів – інверсій. Спочатку деталь є

об’єктом оброблення, потім – об’єктом вимірювання, далі стає елементом

механізму. Отже, параметри деталі, як елементу механізму, відповідатимуть

необхідним значенням лише у тому випадку, коли всі фази її проходження будуть

досліджуватись і враховуватись сумісно [64].

Із принципу інверсії випливає, що точність необхідно обмежувати, виходячи з

функціонального призначення деталі, схема технологічного формоутворення

повинна відповідати схемі її функціонування, а схема контролю – враховувати

обопільно дві названі схеми. Відповідно, вимоги принципу інверсії конструктор

повинен враховувати на стадії проектування виробу, метролог – під час контролю, а

технолог – під час виготовлення.

Технологія виготовлення підшипника – складний виробничий процес

(рис. 1.3), який складається з ряду основних та допоміжних операцій [118]. Для

автоматизованого переналагоджувального виробництва типова структура технології

27

виготовлення залишається практично незмінною, але технологічні режими,

оснащення, інструментальне забезпечення постійно змінюються [75], а це вимагає й

оперативної конструкторсько-технологічної підготовки.

На схемі рис. 1.3 не показані контрольні та випробувальні операції, що

супроводжують виготовлення, частка яких може складати до 15% від основного

часу технологічних операцій [83].

Зважаючи на складність та наведені вище особливості технологічного процесу

[83], на підприємствах з виготовлення підшипників діють гнучкі автоматизовані

виробництва [77]. Такі виробництва включають, як мінімум, три основні

підсистеми: гнучкий автоматизований виробничий комплекс основного

виробництва, гнучку автоматизовану систему технологічної підготовки виробництва

та автоматизовану систему оперативного управління, включно з процесами його

підготовки та переналагодження [18].

Згідно з цією концепцією, на виробництві створюються автоматизовані

технологічні комплекси (АТК) – функціонально взаємопов’язані сукупності

автоматизованої системи управління технологічним процесом і технологічного

об’єкту управління [55]. Гнучкі АТК будуються, як правило, за модульним

принципом: складаються з групи взаємодіючих модулів різної складності, що мають

загальне координуюче управління як для основних технологічних операцій, так і для

операцій транспортування, складування тощо [148].

Принципи побудови та функціонування автоматизованих переналагоджувальних

виробництв базуються на основних положеннях теорії ієрархічних багаторівневих

систем, вертикальної декомпозиції з пріоритетом дії зовнішніх підсистем [146, 148].

Ці принципи доповнюються застосуванням горизонтальної (поагрегатної)

декомпозиції об’єктів і підсистем управління на кожному рівні, що дозволяє за

допомогою організації ітеративного процесу синтезувати як окремі елементи та

підсистеми, так і виробничу систему в цілому.

Для системного аналізу ефективно використовується багатошарова ієрархія

вирішень (рівнів складності) і організаційна ієрархія.

28

Рис. 1.3. Технологія виготовлення підшипника

Перша визначає вертикальну декомпозицію комплексної задачі на підзадачі,

друга – встановлює міжелементні й підсистемні зв’язки та описує її структуру [1].

29

1.2. Аналіз сучасних методологічних підходів до технологічного

керування точністю та якістю поверхонь обертання на операціях механічного

оброблення

Дослідження в галузі точності технологічних процесів і операцій являються

базою та передумовою для створення систем управління якістю виробів, що

особливо важливо для умов автоматизованого виробництва.

Вимогам сучасного виробництва не задовольняє управління, що обмежується

першопочатковим налагоджуванням устаткування, підналагоджуваннями координат

розміщення інструменту, або заміною неякісного інструменту.

Багато технологічних процесів вимагають використання вдосконалених

засобів керування, в тому числі самоналагоджувальні системи керування, які

забезпечують оптимальний хід технологічного процесу навіть при випадкових

коливаннях характеристик оброблюваності матеріалу і інтенсивності зношуваності

інструменту, а також при температурних, силових та інших збуреннях.

Для створення таких систем управління точністю та якістю виробів необхідне

математичне описання технологічного процесу з врахуванням наслідків впливу на

нього широкого спектру різнорідних зовнішніх та внутрішніх чинників.

Комплексна задача підвищення точності і ефективності оброблення

вирішується як за рахунок використання традиційних методів підвищення точності,

які ґрунтуються на покращенні технологічних характеристик верстатів і

проектування технологічних процесів з заданою точністю (конструкторські методи

керування точністю та керування координатами розміщення інструменту відносно

заготовки), так і за рахунок безпосереднього керування режимами різання, пружною

системою, збуреннями, що впливають на процес механооброблення. Переваги

останнього напряму полягають не тільки в можливості зменшення впливу деяких

чинників, що сприяють появі похибок формоутворення, але і повного їх вилучення

шляхом використання зворотних зв’язків. Дослідження взаємозв’язків між

чинниками, що супроводжують процес формоутворення, являється досить складним

завданням багатофакторного аналізу, вирішення якого дозволило виділити

домінуючі з них, які і покладені в основу функціонування систем автоматичного та

30

адаптивного керування процесом механічної оброблення деталей.

Аналіз робіт з проблем технологічного забезпечення точності деталей в

машинобудуванні показує, що в дослідженні точності можливо виділити три

основних напрямки [39, 40]: перший напрямок носить геометричний характер,

базується на теорії розмірних ланцюгів, розроблений Б.С. Балакшиним [7]; другий

пов’язаний з �