Изготовление шариков подшипника качения

Изготовление шариков подшипника качения

План

1 Литературный обзор

.1 Назначение и условия работы детали

.1.1 Смазочные материалы

.2 Материалы и твердость тел качения

.2.1 Виды термической обработки

.3 Виды термической обработки

1.3.1 Цементация

1.3.2 Термическая обработка стали ШХ15

.4 Выводы из литературного обзора

Технология упрочняющей обработки

Заключение

Список используемой литературы

1. Литературный обзор

.1 Назначение и условия работы детали

Шарики подшипников качения являются телами качения в шариковых подшипниках.

Подшипником называют опору или направляющую, определяющую положение движущихся частей по отношению к другим частям механизма [2]. Подшипники качения работают преимущественно при трении качения и состоят из двух колец, тел качения и сепаратора, отделяющего тела качения друг от друга, удерживающего на равном расстоянии и направляющего их движение. По наружной поверхности внутреннего кольца и внутренней поверхности наружного кольца (на торцовых поверхностях колец упорных подшипников качения) выполняют желоба - дорожки качения, по которым при работе подшипника катятся тела качения. Подшипники осуществляют пространственную фиксацию вращающихся роторов и воспринимают основную часть статических и динамических усилий, возникающих в механизме. Подшипники дают возможность обеспечить ровное движение при низком трении между двумя поверхностями [3].

На рисунке 1 показано изображение подшипника в разрезе с указанием составных частей.

Рисунок 1 - Шарикоподшипник, где 1 - наружное кольцо; 2 - шарик; 3 - внутреннее кольцо; 4 - сепаратор

Нагружающие подшипник силы подразделяют на: радиальную (действующую в направлении, перпендикулярном оси подшипника) и осевую (действующую в направлении, параллельном оси подшипника).

Распределение нагрузки на тела качения в подшипнике показано на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема распределения нагрузки между телами качения в подшипнике

Распределение нагрузки между телами качения определяют по формуле:

,

где γ = 360°, F - число шариков

В уравнение входят только те члены, для которых угол γ меньше 90°, так как верхняя половина подшипника не нагружена [8].

Вследствие рабочих нагрузок в подшипнике качения возникают возможные повреждения, которые разделяются на следующие группы:

1.      Выкрашивание: возникает на дорожках качения шариковых подшипников. Появляется из - за воздействия высоких удельных нагрузок переменного характера, вследствие чего в металле возникают явления усталости.

2.      Заклинивание тел качения: образуются вмятины на дорожках качения подшипников с шагом, равным расстоянию между телами качения или глубокие вмятины в зоне контакта в одном ряду тел качения сферических двухрядных подшипников.

.        Нагрев подшипников из - за защемления тел качения вплоть до проворачивания циркуляционно нагруженных колец и сваривании их с валом.

.        Повреждения тел качения: риски неопределенного направления на шариках радиальноупорных подшипников и матовый цвет шариков в ненагруженном ряду радиальноупорных подшипников.

.        Искажение формы контакта: овальная форма следа контакта тел качения с вращающимся кольцом, пересекающего ось симметрии желоба.

.        Износ тел и дорожек качения. Виды: абразивный, осповидный, окислительный, появляется вследствие контакта с атмосферой или смазкой, содержащей примеси.

С точки зрения изнашивания, все виды повреждений можно подразделить на: усталостное изнашивание, абразивное изнашивание, коррозионно - механическое изнашивание [1].

Диапазон рабочих нагрузок подшипников изменяется в широких пределах и зависит от условий, в которых происходит работа подшипника.

Температура также зависит от условий эксплуатации и может сильно различаться. Нормальной температурой работы подшипника качения считается 70 °С.

Важной характеристикой работы подшипника является предел рабочей температуры. Скорость, при которой достигается предел рабочей температуры, зависит от тепловыделения вследствие трения в подшипнике (включая все внешние источники тепла) и количества тепла, которое может отводиться от подшипника.

Скоростные характеристики определяются типоразмером и внутренней конструкцией подшипника, величиной нагрузки, условиями смазывания и охлаждения, а также точностью и внутренним зазором подшипника [5].

Для того, чтобы тела качения не набегали друг на друга, используются сепараторы. Без них кроме трения качения возникает трение скольжения, увеличиваются потери и износ подшипника. Установка сепаратора значительно уменьшает потери на трение, так как сепаратор является свободно плавающим и вращающимся элементом. Большинство сепараторов выполняют штампованными из стальной ленты. При повышенных окружных скоростях (более 10 - 15 м/с) применяют массивные сепараторы из латуни, бронзы, дюралюминия или пластмассы [7].

1.1.1 Смазочные материалы

Чтобы увеличить долговечность работы детали и для лучшего ее скольжения используют смазочные материалы. Они бывают пластичными, жидкими (масла) и твердыми.

Для смазывания подшипников качения, работающих в обычных условиях, преимущественно применяют пластичные смазочные материалы, которые по сравнению с маслами обладают следующими достоинствами: не требуют сложных уплотнительных устройств, имеют более высокие свойства защиты от коррозии, более экономичны.

Однако применение жидких смазочных материалов позволяет снизить момент трения, увеличить предельную частоту вращения в 1,2 - 1,5 раза. С их помощью происходит отвод теплоты и удаление продуктов износа.

Для подшипников, работающих в условиях, при которых жидкие и пластичные смазочные материалы неприменимы (например, вакуум, высокие и низкие температуры, агрессивные среды, радиоактивное излучение, оборудование пищевой и текстильной промышленности, оптические системы), используют твердые смазочные материалы [4].

1.2 Материалы и твердость тел качения

Обычно тела качения подшипников изготовляются из шарикоподшипниковой стали. Для обеспечения работоспособности изделий шарикоподшипниковая сталь должна обладать твердостью не менее HRC 63, высокой прочностью и контактной выносливостью [5].

Это достигается повышением качества металла: его очисткой от неметаллических включений и уменьшением пористости посредством использования электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.

При изготовлении деталей подшипника широко используют шарикоподшипниковые (Ш) хромистые (Х) стали ШХ15 (последующая цифра 15 указывает содержание хрома в десятых долях процента - 1,5 %). Сталь ШХ15СГ (дополнительно легирована кремнием и марганцем для повышения прокаливаемости).

Тела качения подшипников, работающих при повышенных температурах (до 500 °С) или в агрессивных средах, изготовляют соответственно из жаропрочных или коррозионно - стойких сталей например, сталь 95Х18, содержащая 0,95 % С и 18 % Cr [6].

Также, в зависимости от предъявляемых к подшипникам требований, тела качения выпускаются и из других материалов. Для подшипников качения, испытывающих большие динамические нагрузки, детали изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей их цементацией.

Крупногабаритные подшипники для лучшего восприятия ударных нагрузок изготовляются из цементуемой хромоникелевой стали. Ряд подшипников выпускается из немагнитных и других материалов [7].

Наиболее подходящие материалы, применяемые для изготовления шариков подшипников качения представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнение сталей ШХ15, ШХ15СГ, 20Х2Н4А

Стали ШХ15 и ШХ15СГ очень похожи по свойствам и могут взаимно заменять друг друга. Основное отличие в том, что сталь ШХ15ГС дополнительно легирована кремнием и марганцем. Благодаря этому этого ее используют для изготовления деталей крупногабаритных шарикоподшипников со стенками толщиной более 20 - 30 мм, сами шарики выпускаются диаметром более 50 мм, предел прочности стали ШХ15СГ превышает сталь ШХ15 в среднем на 300 МПа, относительное удлинение при разрыве больше на 20 % и выше температура закалки. Плотность выше у стали ШХ15, она лучше поддается шлифуемости. В остальном свойства этих сталей не уступают друг другу по характеристикам.

Сталь 20Х2Н4А значительно отличается от остальных сравниваемых сталей. Она используется для изготовления высокопрочных деталей, предназначенных для высоких динамических нагрузок, в ней присутствует углерод, по твердости она превышает остальные стали практически в два раза. Выносливость стали достигает 1080 МПа, что определяет ее прочностные свойства.

1.3 Виды термической обработки

.3.1 Цементация

Цементация используется для стали 20Х2Н4А.

После заданной (длительной) выдержки в шахтной печи при температуре цементации (930 - 950 °С) изделия охлаждают в масле до 200 - 300 °С (чтобы при охлаждении не происходило образования мартенсита). Затем изделия переносят в печь, нагретую до 550 °С, для проведения первой ступени высокого отпуска и выдерживают 8 - 12 часов. Затем температуру отпуска повышают до 630 °С, и детали выдерживают 8 - 12 часов, охлаждают на воздухе. Цель высокого отпуска - наиболее полное разложение аустенита, сохранившегося (свыше 90%) в цементованном слое после неполного охлаждения с температуры цементации, на феррито - цементитную смесь.

Затем шары помещают в шахтную печь для закалки. Температура нагрева 790 - 810 °С, время выдержки 2 - 3,5 часа. Охлаждают шары в масле до полного охлаждения. После промывки производят отпуск закаленных шаров при 160 - 170 °С с выдержкой 12 часов и охлаждением на воздухе. После закалки и отпуска твердость поверхности HRC 58 - 62, сердцевины HRC 30 - 45. Микроструктура поверхностного слоя - скрыто - или мелкоигольчатый мартенсит и карбиды. После шлифования проводят дополнительный отпуск при 130 - 140 °С в

1.3.2 Термическая обработка для стали ШХ15

В процессе получения стали нужной твердости ее подвергают отжигу и закалке.

Процедура отжига на твердость порядка НВ 190 обеспечивает обрабатываемость полуфабрикатов резанием и штампуемость деталей в холодном состоянии. Закалка шариков подшипника осуществляется в масле при температурах 840 - 860 °C. Перед отпуском детали охлаждают до 20 - 25 °C для обеспечения стабильности их работы (за счет уменьшения количества остаточного аустенита). Отпуск стали проводят при 150 - 170 °C в течение 1 - 2 часов [10].

1.4 Выводы из литературного обзора

Для изготовления подшипников, работающих при нормальных температурах материал для шариков подшипников качения должен обладать следующими важными свойствами: высокой твердостью, чтобы сопротивляться износу (не менее HRC 63), высокой прочностью и ударной вязкостью, чтобы сопротивляться разрушению и хорошей теплостойкостью (не менее 70 °С) шарик подшипник деталь сталь

Сравнивая физико - механические свойства сталей и твердых сплавов, наиболее целесообразно использование стали ШХ15 т.к. по своим физико - механическим свойствам данная сталь превосходит другие, применяемые для изготовления деталей подшипника.

Сталь ШХ15 содержит химические элементы: кремний 0,17 - 0,37 %, медь не более 0,25 %, марганец 0,20 - 0,40 %, никель не более 0,30% , фосфор не более 0,027 %, хром 1,30 - 1,65%, сера не более 0,020%.

Для стали характерно: предел текучести (условный) σ _0,2 = 370 - 410 МПа, временное сопротивление σ _B = 590 - 730 МПа, относительное удлинение после разрыва  = 15 - 25% , относительное сужение после разрыва  = 35 - 55% , твердость HB 179 - 207, модуль нормальной упругости Е=211 ГПа, теплостойкость 150 - 160 °С, хорошая шлифуемость. Диаметр шариков должен быть до 150 мм.

Получаемые шарики должны соответствовать требованиям ГОСТ 3722 Материалы. Твердость колец и тел качения [9].

2. Технология упрочняющей обработки

Сталь ШХ 15.

После ковки, структура стали - пластинчатый перлит и тонкая разорванная карбидная сетка (твердость НВ 255 - 340), обрабатываемость стали с такой структурой и твердостью затруднена. Микроструктура стали показана на рисунке 3.

Рисунок 3 - Микроструктура стали ШХ15 после ковки ×500

Для снижения твердости до НВ 178 - 207 и получения структуры зернистого перлита, обеспечивающей хорошую обрабатываемость, заготовки подвергают отжигу при 780 - 800 °С с последующим медленным охлаждением (15 - 25 °С/ч).

Наилучшей структурой после отжига является структура мелкозернистого перлита, показанная на рисунке 4а.

При этом возможны отклонения от предполагаемой структуры. Например, при недогреве при отжиге сохраняется часть тонкопластинчатого перлита, которая изображена на рисунке 4б, а при перегреве образуется структура крупнопластинчатого и зернистого перлита, изображена на рисунке 4в.

Рисунок 4 - Микроструктура стали ШХ15 ×500, где а - нормальный отжиг, б - недогрев при отжиге, в - перегрев при отжиге

После охлаждения производят нагрев под закалку.

Наилучшими агрегатами для нагрева под закалку шариков мелких и средних размеров (шариков диаметром до 50 мм) являются барабанные печи (с вращающимся муфелем). В них шарики движутся поступательно и вращаются, что обеспечивает равномерный нагрев.

Крупные шары (диаметром до 70 - 75 мм), нагревают на противнях в конвейерных печах. Шары диаметром 75 - 200 мм нагревают в двух соляных ваннах, одна из них служит для предварительного нагрева (780 - 800 °С), а другая для окончательного нагрева (840 - 890 °С).

Далее проводят закалку, которая осуществляется в масле при диаметре шариков до 12,700 мм, шарики всех остальных размеров закаливаются в водных растворах. Температура закалки подшипниковой стали колеблется в пределах 790 - 870 °С в зависимости от массы деталей: чем крупнее деталь, тем выше температура закалки.

На процесс закалки подшипниковых деталей влияет хром. Он увеличивает количество избыточных карбидов в структуре стали и уменьшает чувствительность к перегреву.

Вследствие присадки хрома уменьшается критическая скорость закалки и увеличивается прокаливаемость. Далее детали охлаждают. Охлаждение проводится в масле, в растворе соды, или поваренной соли в воде. После закалки и отпуска твердость HRC 62 - 65.

Оптимальной структурой закаленной подшипниковой стали является скрытокристаллический мартенсит с равномерно распределенными мелкими избыточными карбидами, который показан на рисунке 5а. Но возможны отклонения от предполагаемой структуры. Например, образование игольчатого и крупноигольчатого мартенсита с карбидами, что является признаком перегрева, она показана на рисунке 5б. Детали подшипников, закаленные с подогревом, имеют пониженную прочность. Структура мартенсита с участками троостита и карбидами характеризует недогрев или замедленное охлаждение при закалке, она показана на рисунке 5в. Такая структура обладает пониженной твердостью и поэтому является недопустимой. Важной характеристикой качества закалки является вид излома. Наилучший излом - шелковистый, фарфоровидный. Излом с заметной зернистостью является признаком перегрева стали. Занозистый излом характеризует неполную закалку стали [9].

Рисунок 5 - Микроструктура подшипниковой стали ШХ15×500, где а - структура после нормальной закалки - скрытокристаллический мартенсит и карбиды, б - структура после закалки с перегревом - крупноигольчатый мартенсит и карбиды, в - структура после закалки с недогревом (мартенсит, троостит и карбиды)

После закалки шарики подвергают отпуску (не позже 3 часов после закалки) при температуре 150 - 160 °С с выдержкой в течение 2-6 часов (в зависимости от диаметра).

Заключение

В ходе данной работы было выяснено, что при эксплуатации подшипников качения шарики являются наиболее нагруженными деталями изделия. Они испытывают интенсивные силовые и температурные нагрузки в процессе работы, что приводят к его износу и выходу из строя. Разрушение детали происходит вследствие увеличения нагрузок в местах концентрации напряжений до величин, превышающих предел прочности материала. Характер износа детали и его интенсивность обусловлены как параметрами процессов деформирования так и прочностными свойствами материала в условиях эксплуатации. При заданных условиях эксплуатации разрушение шарика может быть уменьшено подбором наиболее качественной технологии закалки металла.

Самым оптимальным материалом для изготовления шариков подшипника качения является сталь с твердостью HRC 63 - 67, а именно ШХ15, т.к. она обладает хорошей износоустойчивостью, твердостью и прочностью.

Сталь имеет предел прочности σ_0,2=370 - 410МПа, предел пропорциональности σ_B=590 - 410МПа, модуль нормальной упругости Е=211∙ГПа, теплостойкость 150 - 160 °С, обладает хорошей шлифуемостью.

Выбранная технология обработки стали обеспечивает износостойкость детали. Используемыми методами достигается высокое качество материала, что предотвращает деталь от повреждений. Качественное изготовление шариков очень важно для работы всей детали в целом.

Список используемой литературы

1. Алисин, В.В. Асташкевич, В.М. Браун, Э.Д. Трение, изнашивание и смазка / В. В. Алисин - М.: Машиностроение, 1979 г. - 358 с.

. Анурьев, В.И. Справочник конструктора - машиностроителя / В.И. Анурьев - М.: Машиностроение - 1, 2001г. - 929 с.

. Бейзельман, Р.Д., Цыпкин, Б.В. , Перель, Л.Я. Подшипники Качения - справочник / Р.Д. Бейзельман; - М.: Машиностроение, 1975 г. - 572 с.

. Иванов, М.Н. Детали машин / М.Н. Иванов;М.: Высшая школа, 2000 г. - 383 с.

. Нарышкин, В.Н. Коросташевский, Р.В. Подшипники качения - справочник - каталог / В.Н. Нарышкин; - М.: Машиностроение, 1984 г. - 280 с.

. Сорокин, В.Г. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин; - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

. Спришевский, А.И. Подшипники качения / А.И. Спришевский; - М.: Машиностроение, 1968 г. - 632 с.

. Черменский, О.Е Федотов Н.Н. Подшипники качения - справочник - каталог / О.Е Черменский - М.: Машиностроение - 1, 2003 г. - 531 с.

. Подшипники качения. Шарики.: [Сборник]: ГОСТ 3722 - 81. - М.: Изд - во стандартов, 1981- 14 с.

. Термическая обработка стали // http: // www.tehnoinfa.ru /