Обработка шариков до закалки

Штамповка заготовок шариков.

Из бухты стальной проволок, диаметр которой чуть больше диаметра готового шарика, на холодно-высадочном автомате или стане, поперчно-винтовой прокатки формируются штучные заготовки со скоростью до 1000 штук в минуту. заготовки имеют некоторые отклонения от правильной формы в виде кольцевого наплыва («сатурное» кольцо) и центровые выступы. Заготовки, помещенные между двумя дисковыми матрицами с канавками, обкатываются до придания им шарообразной формы (максимальное давление 20 тонн). Таким образом получают шарики с допуском 100 микрон от финального размера.

Штампованные заготовки шариков сначала подвергают грубой абразивной обработке в специальных барабанах, наполненных абразивными чипсами, где происходит снятие «сатурновых» колец и центровых выступов. Затем отгалтованные таким образом заготовки попадают в шарообрабатывающие станки, представляющий собой нижнюю неподвижную и верхнюю вращающуюся планшайбы, оснащенные чугунными дисками специального профиля, между которыми под давлением до 20 тонн многократно прокатываются заготовки, приобретая сферическую форму с припуском на последующее шлифование и доводку. Затем шарики подвергаются термической обработке: нагреву, закалке и отжигу в специальных муфельных печах, придающими шарикам необходимую твёрдость (HRC 60-62).

3. Шлифование шариков. (слайд)

Следующим этапом является шлифовка шариков до достижения размера с допуском до 10 микрометров от номинального. Закаленные шарики поступают в шарошлифоваль-ный станок, схожий по конструкции и действию на описанный выше, но имеющий более точные канавки и диски. Здесь шарики многократно прокатываются по желобам автоматически перемешиваясь между рядами желобов. На выходе из станка получаются отшлифованные с необходимой точностью шарики, В отдельных случаях, когда требуется очень высокая точность и чистота поверности, шарики подвергаются доводке.

4. Финальная операция – промывка, 100-процентный контроль, сортировка по селектив-ным группам, упаковка.

Здесь подшипниковые шарики подвергаются тщательной промывке специальными средствами, проходят строгий контроль качества, сортируются по группам, упаковываются в транспортную тару и отправляются по месту назначения. видео

Шары из природного камня изготавливали ранее чашечным кругом при пересечении осей вращения инструмента и детали под углом в 90, или при помощи приспособления, обеспечивающего обкат детали инструментом по окружности. В настоящее время шары из камня изготавливают на станках с ЧПУ.Шлифование шара по профилю кругом прямого профиля. видео Высокоскоростное полирование шара. видео

Теперь рассмотрим технологию изготовления деталей типа «шар» из конструкционной керамики. Об актуальности изготовления таких изделий. (слайд) Во многих отраслях промышленности эксплуатируются в значительном количестве подшипники качения, насосы, гидродвигатели и другие механиз­мы, ресурс и надежность работы которых в основном определяется работо­способностью и качеством изготовления деталей типа «шар». Шары в на­стоящее время преимущественно изготовляются из стали и в условиях высоких нагрузок, температур, а также интенсивных абразивного, коррозион­ного, химического и других видов износа, быстро выходят из строя. Замена стальных шаров на керамические во многих случаях позволяет достичь более высоких эксплуатационных показателей и расширить область функциональ­ных возможностей устройств, в которых они применяются.

В ИСМ им. В.Н. Бакуля, других ведущих организациях НАН Украины созданы эффективные керамические и композиционные материалы на ос­нове различных соединений, в том числе на основе карбидов бора и кремния, которые по физико-механическим свойствам и эксплуатационным характеристикам соответствуют требованиям, предъявляемым к деталям типа «шар», работающим в тяжелых условиях. Прежде всего, это касается материалов на основе карбида бора – третьего по твердости материала после алмаза и кубического нитрида бора, который относится к одним из самых инертных соединений и имеет высокую твердость, прочность и уни­кальную износостойкость в условиях воздействия агрессивных сред и абра­зивов. Однако применение композиционных материалов на основе карбида бора для из­готовления шаров, особенно прецизионных, до настоящего времени сдерживалось из-за высокой трудоемкости и стоимости прецизионной обработки при использовании традиционных методов шлифования и доводки. Физико-механические характеристики материала шаров на основе карбида бора: предел прочности при изгибе – 380-100 МПа; предел прочности при сжатии – 2000-2800 МПа; вязкость разрушения – 3,4-3,6 МПа×м^1/2; твердость –HRC 80-100; микротвер­дость – 42±2 ГПа; плотность – 2,4-2,6 г/см³; пористость – 0,1-3,0 %.

Специфика изготовления ме­тодом спекания керамических заготовок шаров – они имею­т большую разноразмерность (до 2 мм) и отклонение от сферической формы (до 3 мм). Поэтому технология групповой обработки должна обеспечивать возмож­ность обработки партии заготовок с такими отклонениями формы в количестве от 8 до 30 шт. Традиционные способы шлифова­ния заготовок шаров такой формы либо неприменимы из-за заклинивания шаров в процессе обработки, либо недостаточно эффективны.

Технология высокоэффективной обработки деталей типа «шар» из современных конструкционных материалов имеет ряд особенностей, которые определяются тем, что шар (рис. 2) (слайд) имеет единственную сферическую поверхность, которая одновременно совмещает обрабатываемую, технологическую и базовую по­верхности. В связи с этим вся гамма технологических операций абразивной обработки шаров строится на методе бесцентровой обработки функциональной поверхности, который обеспечивает принцип совмещения технологической и контрольной баз. Заготовке предается пер­воначальная шарообразная форма, которую в процессе обработки уточняют до дости­жения требуемой сферичности и шерохова­тости поверхности.

Известно значительное количество технических ре­шений в области прецизи­онной обработки деталей типа «шар», в том числе и неметаллических, напри­мер, стеклянных, корун­довых, твердосплавных.

Однако исследование возможности применения известных способов для прецизион­ной обработки (доводки) шаров из керамики показало, что тра­диционные решения имеют ряд недостатков, не позволяющих осуществлять высокоэффектив­ную, с требуемым качеством, обработку шаров из современ­ной высокотвердой керамики.

Несмотря на большое коли­чество патентных материалов, исследований и разработок в области обработки деталей типа «шар», в промышленных масш­табах прецизионную обработку, в подавляющем большинстве случаев, производят по схеме об­катки шаров в кольцевых канав­ках между двумя дисками (рис. 3). (слайд) Низкая эффективность такой технологии во многом обусловлена невозможностью формирования на поверхности шаров равномерной сетки следов обработки при практически постоянном угле a наклона оси вращения ОО и низкими скоростями в зонах контакта шаров с ин­струментами. Это обстоятельство не позволяет на фоне соиз­меримой твердости обрабатывае­мого и обрабатывающего мате­риалов (например, карбид бора – алмаз) осуществлять об­работку шаров из сверхтвердой конструкционной керамики с прием­лемыми качеством и произво­дительностью.

Кроме того, групповая обработка шаров из керамики сопряжена с вы­сокой разноразмерностью шаров, а применение элеватор­ной обработки или сортировки по размерам затруднительно из-за того, что керамические шары в подавляющем большинстве слу­чаев изготовляются небольшими партиями.

В результате проведенных в ИСМ им. В.Н. Бакуля исследований было разработано устройство для высокоэффек­тивного шлифования деталей типа «шар» из керамических материалов их (рис. 4). (слайд)

Устройство состоит из нижнего вращающегося со скоростью w_д диска 5 и выполненного соосно ему прижимного кольца 3. Нижний диск получает вращение от автономного привода. Шары 2 расположены в сепараторе 4 и прижаты подпружиненным кольцом 3. Над кольцевым пазом, образованным внутренней боковой поверхностью кольца 3 и наружной боковой по­верхностью диска 5, выступают обрабатываемые шары. Над выступающими частями обрабатываемых шаров, эксцентрично нижнему диску 5, размещен шлифовальный инструмент 1, который вращается со скоростью w_и от при­вода.

Схема обработки отличается тем, что в ней полностью отделены кине­матические цепи, осуществляющие формообразующее и переносное движение, от цепей, выполняющих процесс шлифования. Это позволяет производить об­работку шаров при оптимальных значениях скорости шлифования (25-30 м/с) и скорости перемещения шаров (0,15-0,30) м/с. В результате этого значительно уменьшается удельный расход алмаза и повышается производительность об­работки. Выполнение прижим­ного кольца самоустанавливающимся в осевом направлении позволяет обрабатывать разно­размерные, имеющие некруглую форму, заготовки шаров без их заклинивания и, в тоже время, обеспечивает силовое кинемати­ческое замыкание заготовок между диском и прижимным кольцом.

Поскольку положение ин­струмента в осевом направлении не определяется геометричес-кими параметрами заготовок, то значи­тельно уменьшаются ударные нагрузки, что также увеличивает стойкость алмазного инструмента. Эксцентричная установка шлифовального круга по­зволяет более эффективно использовать его рабочую поверхность и повысить качество обработки за счет непрерывного изменения направления вектора силового воздействия на обрабатываемые шары, в результате чего последние совершают многоосное вращение.

В качестве шлифовального ин­струмента применяли алмазные планшайбы формы 6А2Т 300x3x80 на метал­лических связках марок М2-01, МП1 и КМ1, содержащие порошки алмаза марок АС6, АС 15 и АС32 зернистостью 40/28, 125/100 и 250/200 и концент­рацией 50, 100 и 150 %. Усилие прижима шлифовального инструмента состав­ляло 10-50 Н/шар, усилие прижима шара кольцом – 3-1 Н/шар. Для обработки использовали скругленные в специальном приспособлении кубические заго­товки из керамики на основе В₄С, SiC, Аl₂О₃ и сплава марки КХН диаметром 27 мм с отклонением размера шаров в партии до 0,5 мм. Скорость на пери­ферии шлифовального инструмента составляла 15 и 30 м/с. Обработку произ­водили с применением СОТС (0,5 %-го раствора Na₂CО₃). Количество одно­временно обрабатываемых шаров составляло 8 штук.

Зако­номерности алмазного шлифования деталей типа «шар». Наиболее высокой производительностью обладают алмазные круги на связке КМ1, содержащие порошок марки АС6 200/160 100 %-й концентрации. Время обработки одного шара из карбида бора инструментом на связке КМ1 составляет»15 мин, на связке МП1 – 40 мин, на связке КМ1+МП1 – 20 мин. Обрабатываемость ша­ров из карбида бора, карбида кремния, оксида алюминия и сплава КХН нахо­дится в соотношении 1,0: 0,5: 0,3: 0,7 соответственно.

Наилучшей износостойкостью обладают алмазные круги на связках марок МП1 и М2-01 зернистостью 160/125-250/200 100 %-й концентрации. Расход алмаза на обработку одного шара из карбида бора составляет для кругов на связках марок КМ1 – 10,3 карата, МГП и М2-01 – 7,1 карата, КМ1+ПМ1 – 7,0 карат. При производительности до 1000 мкм/ч отклонение от сферической формы поверхности обработанных шаров составляет < 10 мкм. Оптимальные режимы технологического процесса алмазного шлифования деталей типа «шар» представлены в табл. 1.

Технологический процесс алмазного шлифования деталей типа «шар»

Операции обработки	Отклонение шара от сферической формы, мкм	Марки алмазных инструментов	Режимы шлифования
Скорость шлифо­ вания, м/с	Подача, мм/ч	Усилие прижима шара, Н/шар
Черновое шлифование	50-100	6А2Т 300x3 х80-АС 15- АС20 315/250-125/100- М2-01, МП1-100	20-30	1,00-1,50	30-50
Чистовое шлифование	10-20	6А2Т 300x3 х80АС6- АС15 125/100-100/80-М2- 01, МП1-100	20-30	0,20-0,50	30-50
Доводочное шлифование	5-10	6А2Т 300x3x80- АСМ 40/28-28/14-М2-01, МП1-100	20-30	0,05-0,10	10-30

Разработанное на базе фрезерного станка устройство для обработки шаров по так называемой обратной схеме отличается тем, что шлифовальный круг расположен под обрабатываемыми заготовками. Схема устройства приведена на рис. 5. (слайд) Нижнее расположение шлифовального круга с конструкционной точки зрения привело к некоторому усложнению устройства, однако в опре­деленных случаях обработка керамических шаров по такой схеме оказалась более эффективной, чем при верхнем расположении инструмента.

При обработке по такой схеме значительно увеличилась скорость уменьше­ния отклонения от сферической формы обрабатываемых заготовок, особенно в начальный момент, когда оно велико. Это объясняется тем, что при нижнем по­ложении шлифовального круга обрабатываемые шары гораздо чаще касаются инструмента, даже когда размер одного из шаров меньше соседних, поэтому интенсивность многоосного вращения увеличивается. Кроме того, при обра­ботке по такой схеме значительно уменьшилась вероятность заклинивания ша­ров, что позволяет обрабаты­вать заготовки с большими начальными отклонениями от сферической формы.

При производительности шлифования до 1000 мкм/ч отклонение от сферической формы поверхности обра­ботанных шаров в случае расположения шлифоваль­ного круга снизу составля­ет < 5 мкм.

В ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины был разработан способ обработки шаров в на­правляющих канавках с пере­менной кривизной (рис. 6). (слайд) В результате их сферическая поверхность может быть сформиро­вана равномерной сеткой следов обработки (рис. 7).

При обработке предложенным способом несовпадение на угол g векторов движения участка поверхности шаров v_k и ведущего инструмента v_d в точках их контакта обусловливает существенное (более чем в 30 раз) увеличение скоростей скольжения v_c между ними (рис. 8), что позволяет многократно увеличить производительность обработки. Кроме того, перемещение шаров в радиальном направлении на величину l позволяет более рационально исполь­зовать поверхность прижимного инструментального диска и реализует меха­низм автовыравнивания диаметра шаров в партии.

Разработанная кинематическая модель прецизионной обработки шаров впервые учитывает тре­ние, величину износа образующих направляющей канавки и распределение по дугам контакта нормальных сил реакции соприкасающихся поверхностей (рис. 9): (слайд)

(1) и (2) – уравнения, характеризующие условие минимальности внут­ренней работы системы, где j _В, j _С – углы определяющие положение мгно­венной оси вращения; Р_Ас и v_{А c} – сила трения и скорость скольжения в верхней точке контакта; w_ш – скорость вращения шара вокруг своей оси; М_В, М_С – моменты трения-верчения в нижних точках контакта.

(3) – равенство крутящего момента в верхней точке контакта сумме мо­ментов трения верчения в нижних.

(4), (5) и (6) – уравнения связи моментов в точках контакта с усилием прижима Р, углом атаки канавки g_с, приведенными моментами трения в верхней и нижних точках контакта m_d и m_k, радиусом шара r и углами, определяющими положение и величину дуг контакта шара с боковыми об­разующими канавки j_Bk, j _{B n}, j_Ck и j _{C n},

(7) и (8) – уравнения распределения интенсивно­сти давления по дугам кон­такта, где К – эмпирический, экспериментально определя­емый коэффициент пропор­циональности; d_B, dc – вели­чины перемещений элемен­тарных площадок поверхно­сти контакта в тело нижнего диска в результате действия силы Р; j₀ – направление этого перемещения.

Математическая модель позволила уточнить меха­низм формирования преци­зионной сферической по­верхности, а также устано вить аналитическую связь параметров обработки и характеристик инстру­мента с основными показателями процесса (скоростью скольжения в зонах контакта, законом изменения положения мгновенной оси вращения и др.). В результате сформулировано условие оптимальности геометрических харак­теристик технологического инструмента с точки зрения достижения наиболее высокого качества обработки, а также предложены различные по форме на­правляющие канавки с переменной кривизной и произведен расчет пара­метров инструментальных дисков, имеющих контуры направляющих канавок в виде:

1) квадрата со скругленными углами (рис. 10, а) (слайд) – для проверки адекват­ности математической модели кинематики прецизионной обработки шаров и экспериментального определения приведенных коэффициентов трения (при расчете показателей кинематики процесса такая форма канавки позволяет существенно упростить аналитическую запись математической модели);

2) сопряженных дуг окружностей с максимальным углом атаки канавки a = 90° (рис. 10, б) (инструмент с направляющей канавкой такой формы позволяет регулировать максимальное значение действительного угла атаки канавки за счет кольцевой проточки, выполненной на верхнем диске, он использовался для экспериментального определения критического значения угла атаки канавки и влияния на него приведенных коэффициентов трения шара об инструментальные диски);

3) сопряженных участков, выполненных по спирали Архимеда (рис. 10, в);

4) сопряженных участков, выполненных по экспонентному закону (рис. 10, г).

Исходя из свойств спирали Архимеда, инструмент с направляющей канавкой формы по рис. 10, в, характеризуется постоянным, за исключением участков сопряжения, углом атаки канавки. Чем больше этот угол, тем выше скорости скольжения в зоне контакта и, соответственно, производительность обработки. Поэтому инструмент, имеющий угол атаки, близкий к крити­ческому значению (при котором шары перестают катиться вдоль канавки) на большей части направляющей канавки, обеспечивает максимальную при данных условиях производительность обработки.

Обработка с использованием инструмента по рис. 10, г, характеризуется практически постоянной, за исключением участков сопряжения, скоростью качения шаров вдоль направляющей канавки. Это позволяет исключить или, по крайней мере, значительно уменьшить взаимное трение обрабатываемых шаров друг об друга. Поэтому расчет инструмента, имеющего такую форму контура направляющей канавки, был проведен с целью использования его для чистовой обработки.

В разработанной модели используется приведенный коэффициент трения, учитывающий тот факт, что поверхности технологического инструмента и обрабатываемых шаров соприкасаются не непосредственно, а через слой до­водочной пасты, при этом поверхность инструмента шаржирована алмазом.

Обработка шаров предложенным способом позво­лила установить не наблю­даемые ранее явления, про­являющиеся в том, что при определенных ус­ловиях шары останавливаются или выкатываются из направляющей канавки по ее образующим, что приво­дит к нарушению процесса обработки. Для предотвра­щения этих явлений разра­ботаны критерии работо­способности технологичес­кого инструмента.

Исследование процесса доводки проводили при обработке шаров из материалов на основе карбида бора (В₄С) и карбида кремния (SiC) с использованием в качестве доводочной среды суспензии порошка алмаза марки ACM зернистостью от 3/1 до 80/63 с маслом индустриальным И-5А (ГОСТ 20119-75). Концентрация алмаза в полученной суспензии составляла 0,05-0,40 кар/мл. Шар с исходным отклонением от сферической формы 20 мкм считался обработанным, если его точность не изменялась за конт­рольный период времени. Алмаз считался израсходованным при уменьше­нии производительности обработки до 5 % от первоначальной, установлен­ной для свежей суспензии. В результате проведенных исследований оп­ределены основные показатели процесса алмазной доводки керамических шаров.

Установлено, что чем выше зернистость порошка алмаза в суспензии, тем больше должна быть его концентрация. Показано, что использование порош­ка алмаза зернистостью менее 7/5 не приводит к существенному повышению точности обработки и снижению шероховатости обработанной поверхности. Сравнительные исследования шероховатости поверхности шаров после до­водки, проведенные на профилографе «Talysurf 5М-120» (Англия), показали, что в зависимости от материала шаров (сталь ШХ15, керамика на основе Zr0₂, В₄С, SiC) эти показатели для различных изготови­телей шаров существенно отличаются.

Проведенные сравнительные исследования способа прецизионной алмаз­ной обработки шаров из конструкционной керамики подтвердили увеличение производительности обработки в 10-30 раз и, одновременно, достижение точности обработки шаров (отклонения от сферической формы) < 0,3 мкм (0,5-2 мкм по традиционной технологии). При этом износ технологического инструмента уменьшился в 1,6-1,8 раза, и примерно вдвое уменьшился минимальный (из условия достижения максимальной точности) припуск на обработку. Параметр шероховатости Ra остался неизменным на уровне 0,06 мкм, а значения параметров Rmax и Rt, характеризующих трещиностойкость, уменьшились и стали более стабильными.

В табл. 2 (слайд) приведены показатели технологи­ческого процесса прецизионной алмазно-абразивной обработки керамических шаров.

Таблица 2 Показатели разработанного и базового технологических процессов
прецизионной алмазной обработки шаров из керамики

Показатели	Единица	Технологические процессы
измерения	разработанный	базовый
Производительность обработки	мкм/ч	30-70	2-5
Отклонение от сферической формы	мкм	до 0,5	до 1,0
Разноразмерность по диаметру	мкм	0,3-0,4	2-3
Относительный износ технологичес­кого инструмента	mm^3/mm^j	0,6-0,8	0,5-0,6
Средняя стойкость технологичес­кого инструмента	шт. шаров
Шероховатость поверхности по параметру Ra	мкм	0,06	0,06

Таблица 3 Показатели качества обработки керамических шаров

Показатели	Изготовители шаров
Германия	Китай (SiC)	Украина, ИСМ им. В. Н. Бакуля НАНУ (В4С)
(Zr02)	(В4С)
Отклонение от сферической формы, мкм	0,120	0,350	0,650	0,300-0,350
Параметры шерохо­ватости поверхно­сти, мкм	Ra	0,026	0,047	0,062	0,046-0,048
Rz	0,361	0,440	0,536	0,366-0,458
Rmax	0,272	0,439	0,536	0,333-0,399

Разработанная технология изготовления керамических шаров для клапанов насосов высокого давления обеспечила их стойкость, не ниже ресурса работы насосов. Наряду с высокой износо- и коррозионной стойкостью используемой керамики, а также оптимальным соотношением твердости шара (85-100 HRC) и седла (40-60 HRC), технология обеспечивает точность функциональных поверхностей на уровне 0,5 мкм и шероховатости Ra < 0,05 мкм. В настоящее время изготавливаются клапаны с диаметром шара от 10 до 100 мм.

Применение разработанных клапанов обеспечивает безостановочную работу насосов не менее одного года, повышает производительность насосов на 20–25% сокращает время остановки скважин, снижает затраты по ремонту насосов и скважин и, в результате, уве­личивает объемы добываемых нефти и газа. При этом в 2-3 раза снижается стоимость эксплуатационных затрат на замену клапанов, улучшаются условия труда.

Технология прецизионной алмазной обработки кера­мических шаров для подшипников каче­ния, которые работают в условиях экст­ремальных агрессивных сред и высоких температур, обеспечивает следующие показатели точности и качества у шаров диаметром 5-15 мм, отклонение от сферической формы < 0,2-0,3 мкм, шерохо­ватость поверхности - Ra < 0,02 мкм.

Дата добавления: 2014-01-04