Анализ напряженного состояния режущего инструмента при обточке колесных пар Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.4.027.4

И. А. Иванов, Д. А. Потахов, С. В. Урушев

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ОБТОЧКЕ КОЛЕСНЫХ ПАР

Использован численный метод расчета напряженного состояния режущей части твердосплавного инструмента сложной формы для обточки железнодорожных колес с учетом упрочняющей фаски и различных значений угла его передней поверхности. Приняты во внимание изменения физико-механических свойств инструментального материала под действием температурного поля и различные законы распределения нагрузок на контактных поверхностях инструмента, приводящие не только к упругим, но и пластическим деформациям твердого сплава. Выявлено два концентратора напряжений в теле режущего инструмента при обработке колес различной твердости с учетом температурных и силовых воздействий.

моделирование, колесная пара, режущий инструмент, температура, твердость, напряженное состояние.

Введение

В процессе эксплуатации подвижного состава происходит износ и повреждение его ходовых частей, в частности профиля поверхности катания колесных пар [1]. Изношенный профиль поверхности катания периодически восстанавливается механической обработкой с применением режущего инструмента, оснащенного твердосплавными пластинами. Статистические данные [2] об использовании станков свидетельствуют о том, что значительная доля простоев оборудования (до 40 %) имеет место в связи с низкой стойкостью и надежностью инструмента.

К снижению стойкости режущего инструмента приводит также увеличение твердости и прочностных характеристик колесной стали, что вызывает повышенный его расход [3] - [6] и, как следствие увеличивает затраты на ремонт колес. Все это, одновременно с колебаниями глубины резания вызывает изменение температурно-силовых нагрузок в процессе восстановления профиля колеса в широких пределах, что в совокупности отрицательно влияет на режущий инструмент, оборудование и в целом на производительность процесса обработки.

114

Одним из направлений совершенствования технологического процесса восстановления колесных пар и экономии ресурса колеса и инструмента является обеспечение его надежности. В работе произведена оценка напряженно-деформированного состояния режущего инструмента в процессе температурно-силового нагружения на основе системного подхода при различных условиях его эксплуатации.

1 Оценка напряженно-деформированного состояния режущего инструмента при силовом воздействии

В процессе исследования получены данные по напряженному состоянию призматических пластин типа LNUX301940 из твердого сплава Т14К8 с различной геометрией режущей части и с наличием лунки, применяемых для режущего инструмента при обточке железнодорожных колес. Размеры контактных площадок, силы резания, напряжения (нормальные и тангенциальные), действующие на передней и задней поверхностях инструмента, определены на основе рекомендаций [7]:

Fi = ba1b1

N = x„a1b1

cos y + sin у

V B

f,

-cos у + sin у

V

cos у - sin у B

+ cos у + sin у

F = 0,625t pP,J—; N = F = 0,625

V sin а ц Ц1 V sin a

где F F N, N - соответственно силы трения и нормальные силы на передней и задней поверхностях инструмента; тр - сопротивление обрабатываемого материала пластическому сдвигу; a1, b1 - толщина и ширина среза; b - периметр рабочих участков режущих кромок; B - величина, характеризующая степень пластических деформаций металла снимаемого припуска и поверхностного слоя обрабатываемого колеса; у, a - соответственно передний и задний углы инструмента; р1 - радиус скругления режущей кромки; ^, ^1 - коэффициент трения соответственно на передней и задней поверхностях инструмента.

Длина контакта стружки с инструментом по передней поверхности:

l = 1,45a1

^ cos у + sin у

V B

Л

- cos у + sin у .

)

115

Величина контакта колеса с инструментом по задней поверхности:

А «1,25p1

B

sin а

Средние нормальные и касательные напряжения на передней поверхности:

_ N. _ F

'' M 1 j . IM' 1 1 *

b1l b1l

Средние контактные напряжения на задней поверхности:

I p

'm i = 0,5~; 1 m i =0,51 p *

Участки поверхности режущего инструмента, на которых действуют контактные напряжения, были разбиты на некоторое количество равных по длине зон, по всей или по части длины контакта ступенчато приложены равномерно распределенные нагрузки* Кривые распределения нормальных и касательных напряжений на передней поверхности аппроксимированы соответственно по закону треугольника и трапеции, а на задней - обе по закону треугольника*

Положение пластины в пространстве фиксировалось путем наложения трех ограничений, имитирующих ее крепление в кассете резцедержателя* На цилиндрическое отверстие для крепления пластины накладывалось ограничение типа «шарнир», разрешающее только продольное перемещение и круговое вращение относительно оси отверстия; на основание и боковую поверхность пластины - ограничение типа «ползун», имитирующее ее стыковку с гранями (телом) кассеты и позволяющее совершать продольные и поперечные перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно для основания и боковой поверхности*

Анализ напряженного состояния твердосплавных режущих пластин производился в сечении максимальных эквивалентных напряжений* Для исследования использовалась система трехмерного твердотельного моделирования SolidWorks [8], предназначенная для решения широкого спектра инженерных задач, с применением специализированного расчетного модуля конечно-элементного анализа COSMOS [9], [10], а именно пакет прочностного и теплового анализа COSMOSWorks*

Моделирование статической пространственной задачи теории упругости в COSMOSWorks в отношении нагружения твердосплавной пластины режущего инструмента реализовалось традиционно* В качестве алгоритма

116

дискретизации (построения конечно-элементной сетки) для созданной твердотельной модели пластины использовался метод диаграмм Делано-Воро-ного, генерирующий сетку, наиболее близкую к «оптимальной». Аппроксимация производилась тетраэдральными изопараметрическими элементами с линейным полем перемещений (деформации постоянные, грани - плоские) и с параболическим полем перемещении (деформации линейные, грани - полиномы второго порядка).

При реализации разбивки пластины на конечные элементы производилось уменьшение их площади по мере приближения к режущей кромке. Кроме того, поскольку многие теплофизические и физико-механические характеристики инструментального материала существенно зависят от температуры, то при задании свойств твердосплавной пластины они были приняты температурно-зависимыми на основании данных [11] - [13] (см. табл. 1, рис. 1).

ТАБЛИЦА 1. Свойства инструментального материала Т 14К8

Свойство Значение, единицы измерения

Модуль упругости E Температурно-зависимый

Коэффициент Пуассона ц ц = 0,30

Массовая плотность р р = 11200 кг/м3

Предел прочности при сжатии о в Температурно-зависимый

Предел прочности при растяжении ав а = 615 Н/мм2 в

Предел текучести ат Температурно-зависимый

Коэффициент теплового расширения в в = 6,2-10-6 1/°С

Теплопроводность Хр Температурно-зависимый

Удельная теплоемкость с с = 460 Дж/ (кг°С)

В литературе [11], [14] разрушение инструментального материала классифицируется как хрупкое, однако при высоких температурах разрушение переходит в вязкое, т. е. сопровождается пластической деформацией. Строгой границы между хрупким разрушением и вязким не выделяют, так как теорией дислокации установлено, что разрушение только от касательных (пластическое) или только от нормальных напряжений (хрупкое) невозможно.

Пластическая деформация, возникающая под действием касательных напряжений, разрыхляет деформируемый материал, подготовляя его к разрыву, а сам разрыв вызывает нормальные растягивающие напряжения. Роль касательных и нормальных напряжений в механике разрушения инструмен-

117

Предел прочности на сжатие

о

Н/мм2

5000

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

Xp оТ E, х105

Вт/ Н/мм2 Н/мм2 (м-°С)

50

45

40

35

30

25

20

Теплопроводность ~а~ Предел текучести Модуль упругости

Температура, °С

Рис. 1. Влияние температуры на свойства инструментального материала Т 14К8

тальных материалов определяется их свойствами и условиями нагружения. Обычно основную роль играют нормальные растягивающие напряжения, однако при разрушении даже очень хрупкого материала обнаруживаются полосы скольжения, значение которых увеличивается с повышением температуры и гидростатического давления [11].

Процесс разрушения режущей части инструмента можно разделить на две стадии, имеющие разную физическую основу: первая - зарождение микротрещины, не изменяющей физических свойств материала (теплопроводности и др.); вторая - рост трещины, стабилизируемый пластической деформацией на концах трещины.

Анализ механизма разрушения инструментальных материалов показывает, что в соответствии с принципами механики сплошной среды состояние материала в точке возможного его разрушения полностью определяется уровнем действующих напряжений. Так как наступление предельного состояния обусловливаются критерием возникновения трещин, тесно связанным с касательными напряжениями, и критерием их распространения, обусловливаемого нормальными растягивающими напряжениями, то общий критерий прочности инструментальных материалов должен учитывать действие обоих этих механизмов разрушения. При низких температурах нагрева наибольшее значение для разрушения инструментальных материалов имеют нормальные растягивающие напряжения. С повышением температуры увеличивается роль касательных напряжений [9].

118

Из рассмотрения механизма разрушения инструментальных материалов ясно, что ряд определяющих их разрушение факторов зависит от вида напряженного состояния, не поддается прямому количественному расчету и может быть учтен лишь на основе статистических методов. Однако реально оценить прочность пластины по максимальным напряжениям, возникающим в ней при нагружении можно, применяя для этого программные комплексы, использующие численные методы расчета на основе метода конечных элементов [9], [10], например SolidWorks и Ansys. Учитывая статические аспекты прочности и сложный характер нагружения режущей части инструмента, изготовленного из металлокерамического твердого сплава, при оценке прочности использован критерий предельного состояния Писаренко-Лебедева [11], [15]. Он предлагается в виде двух слагаемых, первое из которых определяется величиной пластической деформации и характеризует условия зарождения трещины, второе - ее развитие и распространение. В соответствии с этой теорией [15]

стл=хст+!1 -хН J <ст,

где А - константа, характеризующая статистический фактор развития разрушения;

X - параметр, определяющий долю сдвиговых деформаций в разрушении, Х = ав / ст-в, при этом 0 <х< 1;

ст,

- интенсивность напряжения;

св, с - предел прочности материала при растяжении и сжатии соответственно;

т ~ т СТ1 + ст2 + ст3

J - параметр, характеризующий жесткость нагружения J = —--------.

Здесь с1, с2, с3 - главные напряжения.

После подстановки констант, характеризующих твердосплавный материал титановольфрамосодержащей группы (WC-TiC-Co), имеем:

стл = 0,18стг- + 0,82ст10,7

1 ст1 +ст2 +ст3

<ст

в

а

Использование этого критерия позволяет определить напряжения, возникающие в инструменте, с учетом сложного напряженного состояния и особенностей анизотропии инструментальных материалов.

Чтобы наиболее полно обрисовать картину распределения напряжений в теле режущего инструмента, зондирование (снятие данных моделирования) производилось в шахматном порядке, в местах изменения геометрии пластины по передней и задней поверхностям, а также в местах максимальных концентраций эквивалентных напряжений.

119

Точечные выборки и наиболее вероятные изолинии равных предельных напряжений оп при силовом воздействии на режущую пластину призматического типа различной геометрии при восстановлении профиля колеса графически представлены на рисунках 2-4 (а - силовое воздействие, б - температурно-силовое воздействие).

а)

б)

Рис. 2. Изолинии равных предельных напряжений в призматической твердосплавной пластине геометрии у = -7°, у = -15°, f = 0,4 мм, а = 6° при обработке стали твердостью 300 HB с режимом резания v = 20 м/мин, t = 5 мм, s = 1,1 мм/об.

а) б)

Рис. 3. Изолинии равных предельных напряжений в призматической твердосплавной пластине геометрии у = 0°, yf = -15°, fу = 0,4 мм, а = 6° при обработке стали твердостью 300 HB с режимом резания v = 20 м/мин, t = 5 мм, s = 1,1 мм/об.

120

а)

б)

109

295

4/ 108 99 _ --------- 76 287 Ж 282

112

183

Рис. 4. Изолинии равных предельных напряжений в призматической твердосплавной пластине геометрии у = 7°, jf = -15°, f = 0,4 мм, а = 6° при обработке стали твердостью 300 HB с режимом резания v = 20 м/мин, t = 5 мм, s = 1,1 мм/об.

2 Оценка напряженно-деформированного состояния режущего инструмента при температурно-силовом воздействии

Практика эксплуатации режущего инструмента показывает, что нередко инструмент выходит из строя при сравнительно небольших нагрузках, возникающих в процессе обточки колеса. Обычно это связывают с усталостью твердого сплава и его износом, однако во многих случаях помимо усталостного разрушения именно тепловые нагрузки определяют его прочность и износостойкость. C учетом этого факта модель была дополнена температурными нагрузками на контактных поверхностях режущего инструмента. Температуры, возникающие при восстановлении профиля колеса, определены на основании данных [7].

Средние температуры на контактных поверхностях инструмента:

- на передней поверхности

где 0^ - максимальная температура пластических деформаций в условной

щий степень влияния режимных условий процесса va1 по сравнению с влиянием теплофизических свойств обрабатываемого материала а; ср - удельная

0п = 0а (1 + 0,73у м),

плоскости сдвига, 0 А =

ерБ

хр

121

объемная теплоемкость обрабатываемого материала; erf x - интеграл вероятности, численные значения которого в зависимости от критериев подобия, представлены в [7]; ум - безразмерная функция, определяемая по [7];

- на задней поверхности

0з = 0,50

А

1 л-л mu ,

V и )

где и =

л/РОЕв1,25

sin0,25 а

m=

1,035«1 cos а

erf

PeB

~4~

безразмерные коэффициенты;

n - часть, которую теплота трения, уходящая с задней поверхности в деталь, составляет от общей теплоты трения;

E = — - критерий подобия,

а1

здесь р1 - радиус скругления режущей кромки инструмента.

Распределение тепловых нагрузок на поверхностях режущего инструмента было принято по закону прямоугольника, т. е. равномерное распределение по площади контакта.

Точечные выборки и наиболее вероятные изолинии равных предельных напряжений оп при температурно-силовом воздействии на режущий инструмент различной геометрии при восстановлении профиля колеса графически представлены на рисунках 2-4 (б).

На основании анализа изолиний предельных напряжений при температурно-силовом воздействии (рис. 2-4, б) было установлено, что в пластине имеется две зоны высоких значений контактных напряжений. Первая зона проявляется при силовом воздействии на глубине одной-трех величин кон -такта колеса по задней поверхности инструмента и на ширине %-/ ширины упрочняющей фаски. Эта зона распространяется в глубь тела резца примерно по биссектрисе угла заострения ближе к задней поверхности инструмента на глубину (6-7) А и ширину около половины длины контакта стружки по передней поверхности, где и располагается ориентировочный максимум. Вторая зона проявляется при температурно-силовом нагружении на округленной боковой поверхности лунки, располагающейся ближе к режущей кромке. Отметим, что эта зона совпадает с местами максимальных концентраций эквивалентных напряжений, что соответствует минимальному запасу прочности инструмента по критерию Писаренко-Лебедева. Таким образом, можно говорить об образовании наиболее вероятной линии скалывания и разрушения твердосплавной пластины в форме седла, берущего свое начало на

122

боковой поверхности лунки и заканчивающегося на 2-4 длины контакта по задней поверхности.

Можно заключить, что учет влияния температурного фактора на напряженное состояние пластины имеет существенное значение. В частности, появляется дополнительная и уже основная по численному значению зона концентрации напряжений, которая вместе с существующей при силовом воздействии образует наиболее вероятную линию разрушения.

Заключение

Исследовано плоское сложнонапряженное состояния режущих твердосплавных пластин призматического типа различной геометрии, применяемых для обточки железнодорожных колес, в сечении максимальных внешних нагрузок. Выполнен анализ влияния силового и температурно-силового воздействия при обработке колес различной твердости.

Установлена картина распределения изолиний предельных напряжений в теле режущего инструмента, на основании анализа которой выявлено два очага концентрации напряжений. При этом основной очаг по численному значению проявляется при учете температурного фактора нагружения и совпадает с местом концентрации максимальных эквивалентных напряжений.

Библиографический список

1. Восстановление профиля поверхности катания колесных пар / А. Ф. Богданов, И. А. Иванов, М. Ситаж ; под ред. д. т. н. И. А. Иванова. - СПб. : ПГУПС, 2000. - 128 с.

2. Повышение качества инструмента и эффективности его применения на основе системного подхода / Г. Л. Хает, И. А. Ординарцев // Станки и инструмент. - 1983. - № 7. -С. 10-13.

3. Эксплуатация и ремонт колесных пар вагонов / А. Ф. Богданов, В. Г. Чурсин. -М. : Транспорт, 1985. - 270 с.

4. Повышение работоспособности колес рельсового транспорта при ремонте технологическими методами / И. А. Иванов, С. В. Урушев, М. Ситаж, А. М. Будюкин ; под ред. д. т. н. И. А. Иванова. - СПб. : ПГУПС, 1995. - 124 с.

5. Использование на подвижном составе колесных пар повышенной твердости / Д. А. Потахов // Известия ПГУПС. - 2013. - № 1 (34) - С. 139-147

6. Анализ методов восстановления профиля катания колесных пар / А. А. Воробьев, И. А. Иванов, Д. П. Кононов, А. С. Тарапанов // Вестник ВНИИЖТ. - 2011. - № 3. -С. 34-38.

7. Метод подобия при резании материалов / С. С. Силин. - М. : Машиностроение, 1979. - 152 с.

123

8. Инженерные расчеты в Solidworks Simulation / А. А. Алямовский. - М. : ДМК Пресс, 2010. - 464 с.

9. Chaskalovic, J. (2008). Finite Element Methods for Engineering Sciences, Springer,

267 p.

10. Метод конечных элементов. Основы / Р Галлагер ; пер. с англ. - М. : Мир, 1984. - 428 с.

11. Расчет динамической прочности режущего инструмента / В. А. Остафьев. - М. : Машиностроение, 1979. - 168 с.

12. Твердые сплавы / Р Киффер, Ф. Бенезовский ; пер. с нем. - М. : Металлургия, 1971. - 392 с.

13. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. / под ред. А. Г. Косиловой, Р К. Мещерякова. - М. : Машиностроение, 1986. - 656 с.

14. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента / М. Ф. Полети-ка. - М. : Машиностроение, 1969. - 148 с.

15. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии / Г. С. Писаренко, А. А. Лебедев. - Киев. : Наукова думка, 1976. - 415 с.

© Иванов И. А., Потахов Д. А., Урушев С. В., 2014

124