CC BY
31
6. Справочник по триботехнике: В 3-х т. / Под общ. ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 1989. - Т. 1. Теоретические основы. - 400 с.
© А.В. Бородин, Ю.А. Иванова, 2009
Бородин Анатолий Васильевич - доктор технических наук, профес сор, заведующий кафедрой «Теория механизмов и детали машин» Ом ского государственного университета путей сообщения.
Иванова Юлия Алексеевна - аспирантка кафедры «Теория механиз мов и детали машин» Омского государственного университета путей со общения».
Дата поступления статьи в редакцию: 26.01.2009 г.
УДК 656.254
А. А. Рауба, А. Ю. Попов, Д. В. Муравьев
ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ РЕМОНТЕ ДЕТАЛЕЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Возрастающие потребности железнодорожного транспорта в высококачественных многогранных твердосплавных пластинах повышают стоимость инструмента. Мировые цены на эти пластины - в пределах 20-70 долл. США за штуку. Эта ситуация требует принятия срочных мер по снижению расхода пластин за счет повышения эффективности использования твердого сплава в ремонтных депо. Наиболее радикальный способ - производство из изношенных при обработке колесных пар пластин специальных режущих вставок для обточки колесных пар, а также при изготовлении специального сборного твердосплавного инструмента для механической обработки при ремонте других деталей подвижного состава, восстановленных наплавкой.
Для дальнейшего повышения экономических и эксплуатационных показателей работы железных дорог необходимо повышать надежность подвижного состава и сокращать расходы на поддержание его в работоспособном состоянии. Существенную долю затрат в ремонтном производстве при восстановлении изношенных деталей и изготовлении запасных частей составляют расходы на металлообработку и, в частности, на режущий инструмент. При сравнительно незначительном объеме металлообработки эти расходы сопоставимы с машиностроительным производством. В вагонных и локомотивных депо, как правило, эксплуатируется устаревшее и изношенное станочное оборудование либо давно отработавшее свой ресурс. Поэтому возникают дополнительные технологические трудности в обеспечении заданного качества и производительности механической обработки, ведущие к повышению трудоемкости и себестоимости. Не решаются проблемы с инструментальным обеспечением, низкий уровень эксплуатации лезвийного и абразивного инструмента. В итоге себестоимость механической обработки при ремонте подвижного состава в несколько раз выше, а производительность и качество ее ниже, чем в машиностроении. Таким образом, проблеме механической обработки на железнодорожном транспорте не уделяется должного внимания.
По данным ремонтных депо западно-сибирской железной дороги 95 % всего металлорежущего инструмента является твердосплавным. Для обработки деталей при ремонте подвижного состава используются дорогие и дефицитные вольфрамокобаль-товые и вольфрамотитанокобальтовые твердые сплавы. Конкретной отчетности по их
расходу на предприятиях МПС в настоящее время нет. Эти расходы отнесены к прочим. Поэтому были организованы сбор и обработка статистических данных омских вагонный и локомотивных депо.
По усредненным данным трех вагонных и двух локомотивных депо Омского отделения Западно-Сибирской железной дороги, в механических и заготовительных цехах, отделениях и участках расходуется до 1500 твердосплавных пластин различных типоразмеров в год. При средней массе пластины 14 г это составляет до 21 кг твердого сплава. Только для фрезерования наплавленных поверхностей деталей тележек и автосцепного устройства расходуется около 1000 пятигранных сменных неперетачивае-мых пластин в год массой 10 г, или 10 кг твердого сплава.
Высокий расход твердого сплава в депо обусловлен низким периодом стойкости твердосплавного инструмента. Анализ данных хронометража основного технологического времени в Омском пассажирском вагонном депо показал, что при токарной обработке большинства деталей подвижного состава инструмент требует повторной заточки либо замены режущей части в среднем через 15-20 мин непосредственного резания. Это в 4-6 раз меньше нормы для машиностроения. Кроме того, более 30 % инструмента выходит из строя по причине изломов, сколов и выкрашивания режущей части.
Выявлены следующие основные причины повышенного расхода твердосплавного инструмента:
1) большинство деталей поступает на механическую обработку после наплавки: наплавленные поверхности часто имеют неудовлетворительную макро геометрию, дефекты (окалина, шлаковые включения, подтеки, грубая волнистость и др.), большой припуск на обработку, коробление и пр.;
2) ударные нагрузки на инструмент из-за наличия вмятин, раковин, термомеханических повреждений, погнутости и др. на поверхности поступивших в ремонт деталей;
3) неудовлетворительное базирование из-за некачественной подготовки баз;
4) изношенность оборудования, приспособлений и оснастки, их несвоевременный ремонт, недостаточная жесткость технологической системы, что способствует возникновению вибраций;
5) нерациональная эксплуатация инструмента (несвоевременно снимается на переточку или ремонт, что часто приводит к сверхнормативному износу и даже к поломкам);
6) низкая культура изготовления и плохое качество заточки инструмента в кустарных условиях (напаянные твердосплавные пластины часто раскалываются при заточке или отваливаются при работе);
7) недостаточная обеспеченность качественным режущим инструментом (не обоснован выбор марки инструментального материала, нерациональна геометрия режущей части и конструкции).
В ОмГУПС в течение трех лет проводился анализ качества пластин, поставляемых в два локомотивных и три вагонных депо Омского отделения Западно-Сибирской железной дороги. В результате установлено, что среди производителей твердого сплава наивысшую работоспособность пластин обеспечивают фирмы Мицубиси Карбайд (Япония), Сандвик Коромант (Швеция) и Крупп Видиа (Германия). Конкурентоспособные пластины, но несколько ниже по ресурсу выпускает Московский комбинат твердых сплавов (МКТС). Кировградский комбинат твердых сплавов (КЗТС) выпускает пластины высокого и стабильного качества, но стойкость их на 15-20 % ниже, чем у МКТС. Однако у КЗТС стоимость пластины в несколько раз меньше, чем у МКТС.
Основными потребителями металлорежущего инструмента являются колесо-ремонтные мастерские, колесные цехи и участки по ремонту колесных пар. Вагонные и локомотивные депо для обточки поверхности катания колесных пар используют сменные многогранные твердосплавные пластины (СМТП) призматической формы LMNX 301940, BNMX 201540 и круглые RPUX 3010м0, 2710MO, RNGX 1212MO. Объемы твердого сплава, используемые на эти цели по железным дорогам России около 50 т в год. В среднем, на обточку колес депо расходует до 3000 твердосплавных пластин
в год или, при средней массе пластины 70 г - 210 кг. Это на порядок больше, чем в заготовительных и механических участках и отделениях вместе взятых.
Результаты измерения износа пластин, использованных на обточке колесных пар, показали, что около 86 % их имеют износ в пределах 0,29-0,65 мм и только 6 % — более 0,65 мм. При таком износе потеря массы пластины на истирание и мелкие сколы составляет в среднем 0,05 г, т. е. около 0,07 %, несмотря на это, пластины снимаются с эксплуатации и утилизируются.
Возрастающие потребности железнодорожного транспорта в высококачественных многогранных твердосплавных пластинах повышают дефицит и стоимость инструмента. Возрождение машиностроения — основного потребителя твердого сплава, приводит к обострению ситуации. Мировые цены на эти пластины — в пределах 600-1000 долл. за кг. Стоимость же твердосплавного лома на рынке составляет всего 4-5 долл. за кг. Эта ситуация требует принятия срочных мер по снижению их расхода за счет повышения эффективности использования твердого сплава в депо.
Существующая концепция эксплуатации инструментов с многогранными твердосплавными пластинами предполагает после использования первичного ресурса, возврат отработанных пластин на комбинаты твердых сплавов, их переработку металлургическими средствами и выработку новых пластин практически по безотходной технологии.
С целью снижения расхода твердого сплава на ремонтных предприятиях МПС, нами экономически обоснована и реализована новая концепция эксплуатации сменных многогранных пластин (СМП). Она предполагает полноценное восстановление изношенных пластин, повторное или многократное их использование для обточки колесных пар, а также на других операциях в специально созданном сборном твердосплавном инструменте. Стоимость восстановления СМП от 3 до 10 раз ниже затрат на приобретение новых пластин.
Для России перспектива и актуальность этой концепции постоянно возрастает, в связи с тем, что за последние 10 лет основные запасы твердосплавного лома за бесценок скуплены и вывезены за рубеж, причем этот процесс продолжается. Вследствие этого мы становимся зависимыми от зарубежных производителей, где цены на твердый сплав для депо просто не достижимы, поэтому новая концепция эксплуатации многогранных пластин становится жизненно важной.
Такой подход позволил при незначительных затратах, не более 30 % от стоимости новых пластин, за счет двух-пяти кратного увеличения ресурса снизить их расход на ряде ремонтных предприятий в 1,5-3 раза.
Поэтому, с целью снижения расхода твердого сплава на ремонтных предприятиях МПС, предлагается новая система рациональной эксплуатации сборного инструмента ориентированная на максимальное использование СМП: круглых (типов RPUX 3010М0, RPUX 1212МО), призматических О^МХ 301940, LNMX 191940, BNMX 201540) и др.
Разработанная система инструментального обеспечения (СИО) этих ремонтных предприятий предполагает полноценное восстановление изношенных пластин, повторное (многократное) их использование не только для обточки колесных пар, но и на других операциях (обработка всей остальной номенклатуры ремонтируемых деталей: осей, валов, надрессорных балок и боковых рам тележек, автосцепного устройства и др.) в специальном сборном твердосплавном инструменте.
Первый цикл эксплуатации этих пластин осуществляется в стандартном сборном инструменте колесообрабатывающих станков. После каждого периода стойкости они сортируются по степени поврежденности. Годные к восстановлению пластины передаются на участок алмазной абразивной обработки, негодные - утилизируют. Переточенные СМП сортируются по базовым размерам, и годные для обработки колесных пар используются на этой операции повторно. Пластины, не годные по своим размерам и форме для обработки колесных пар, поступают на оснащение специального сборного твердосплавного инструмента - резцового, фрезерного и др., который используется для обработки других деталей подвижного состава.
Одним из главных преимуществ предложенной СИО заключается в том, что в процессе каждого восстановления СМП есть возможность изменять их конструктивные параметры, приближая к оптимальным для конкретных условий эксплуатации. Это позволяет дополнительно увеличить стойкость пластин, повысить качество восстановления деталей подвижного состава и производительность металлорежущего оборудования. Экономическая эффективность достигается прежде всего за счет снижения расхода твердого сплава путем обеспечения вторичного ресурса твердосплавным пластинам резцов колесотокарных станков.
Разработанные конструкции специальных сборных твердосплавных инструментов должны:
• максимально учитывать особенности операции механической обработки дефектных, изношенных и наплавленных поверхностей определенного перечня ремонтируемых деталей подвижного состава;
• обеспечивать рациональную эксплуатацию сменных твердосплавных пластин инструмента колесообрабатывающих станков при обработке других деталей за счет многократного восстановления этих пластин алмазной заточкой (2-4 раза);
• обеспечивать заданную точность размеров и формы, требования к качеству поверхностей восстанавливаемых деталей за минимальное количество установок, переходов и проходов;
• обеспечивать быструю замену изношенных режущих элементов;
• быть технологичными в изготовлении, эксплуатации и ремонте.
Вариант СИО, внедренный в отдельных вагонных и локомотивных депо, представлен в табл. 1, составленной по данным ремонтных депо в соответствие с математической моделью оптимизации инструментального обеспечения по затратам на инструмент.
Таблица 1
Результаты внедрения системы инструментального обеспечения в вагонных депо (круглые пластины РРиХ ЗОЮМО)
Деталь, узел Наименование операции Тэк, мин Р(Т) к а, мм Р, мин Си, руб. ^ * •¡и руб./мин
Колесная пара Обточка профиля колес 50 0,9 1 10 45 450 10
То же То же восстановленными пластинами 80 0,8 2 8 192 58,5 0,3
В среднем на обточку колесных пар 0,8 3 8 237 58,5 2,15
Тележка ЦНИИХ-3 Фрезерование фрикционных клиньев 120 0,8 2 7 192 39 0,20
Автосцепное устройство Фрезерование наплавленных поверхностей 120 0,9 1 6 108 19,5 0,18
Ось колесной пары Обточка подступичной части 800 0,8 2 5 1280 39 0,03
Прочие Обработка наплавленных поверхностей 400 0,7 2 4 280 39 0,14
ИТОГО 14 2526 645 0,26
* Зи - средние удельные затраты на инструмент за минуту основного технологического времени, руб./ мин), которые рассчитываются по формуле:
Зи
Цн + Свуку
_¿2_
NIу -иЦ _ г
2 2-Ту [кц +1
ц ' N ц
где Цн - цена новой пластины; N - количество пластин, отработавших на 1-м цикле
.„„„. N - и,,
р^ — вероя1нос1ь поломки плас1ин, и у
эксплуатации при обработке ]-й детали; ^ иц =рт — вероятность поломки пластин; и,
- количество пластин, утилизированных на (¡-1)-м цикле; Св - себестоимость восстановления пластины; Ту - средний период стойкости пластин в кгом цикле эксплуатации с учетом всех возможных переустановок; ку - допустимое число повторного восстановления пластин на 1-м цикле эксплуатации при обработкеу-й детали; а -толщина пластины после очередного восстановления.
Из таблицы видно, что в результате внедрения СИО на основе восстановления изношенных СМП сборного инструмента колесообрабатывающих станков затраты на инструментальные материалы для обработки колесных пар снижаются по сравнению с первоначальными затратами в 4 раза, а для других деталей - более чем в 40 раз. Таким образом, эффективность разработанной концепции эксплуатации сборного твердосплавного инструмента с СМП убедительно доказана практикой ее использования на предприятиях по ремонту подвижного состава.
Впервые в мировой практике в ОмГУПС совместно с ОмГТУ и Томским институтом физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН организовано производство качественных многогранных твердосплавных пластин, в котором заготовками являются пластины отработавшие свой первый ресурс. Разработанные технологии и оснастка позволяют восстанавливать практически все многогранные пластины, выпускаемые промышленностью с глубиной сколов до 1,5 мм.
Реставрированные алмазной переточкой пластины в течение пяти лет используются отдельными вагонными и локомотивными депо Западно-Сибирской, Красноярской и Восточно-Сибирской железных дорог. Сложная форма передней поверхности, современные методы упрочнения, точность размеров по контуру и высокое качество лезвия СМП обеспечивают им высокие эксплуатационные свойства. Износ приводит к изменению формы передней поверхности и размеров пластин, уничтожает упрочняющую обработку лезвия.
Геометрия и форма многогранных твердосплавных пластин оптимальны и подобраны с учетом всех особенностей операции. Повторить их полностью заточкой обычно невозможно, что потребовало разработки новых эффективных и высокотехнологичных форм передней поверхности, которые могут быть обеспечены заточкой. Упрочняющая обработка пластин у ведущих фирм развита на высоком научном и техническом уровне. Замена ее после заточки должна быть обоснованной и эффективной.
Создание вторичного ресурса целесообразно, только если стоимость восстановления существенно ниже, чем стоимости новой пластины. Стоимость восстановления пластины тем ниже, чем выше производительность и ниже технологические затраты на оснастку и алмазный абразивный инструмент. Поэтому для реализации предложенной концепции инструментального обеспечения ремонта подвижного состава выполнен следующий комплекс теоретических и экспериментальных исследований:
1. Изучены характер и степень износа твердосплавных пластин при обработке различных деталей подвижного состава, с целью определения оптимальных размеров и возможности восстановления режущих свойств СМП.
2. Исследованы и минимизированы основные причины снижения стойкости многогранных твердосплавных пластин при эксплуатации и при переточках.
3. Обоснованы и установлены функционально целесообразные геометрические формы режущей части пластин, сочетаемые с технологичностью, адекватные условиям создания им вторичного ресурса в ремонтном производстве.
4. Исследовано влияние напряженного состояния в зоне резания на геометрию режущей части и состояние режущей кромки, стойкость и другие эксплуатационные свойства пластин, определены оптимальные параметры геометрии режущей части и лезвия.
5. Разработаны эффективные, соответствующие целям создания вторичного ресурса, методики профилирования формы режущей части пластин.
6. Исследовано влияние изменения размеров пластин при переточке на возможность закрепления их в тех же корпусах, что и новых.
7. Исследованы особенности алмазного шлифования пластин и разработаны соответствующие рекомендации по технологии заточки, обеспечивающие высокое качество, минимальные затраты на операции и экономию твердого сплава.
8. Исследованы и определены доступные и эффективные физико-технические способы повышения стойкости переточенных твердосплавных пластин. Для создания вторичного, полноценного ресурса работоспособности многогранных твердосплавных пластин разработан и запатентован термомеханический метод обработки многогранных твердосплавных пластин, обеспечивающий повышение стойкости инструмента в 1,8 раза на тяжелых операциях. В ИФПМ СО РАН разработана технология ионной имплантации и определены легирующие элементы для насыщения поверхности лезвия. Испытания переточенных имплантированных пластин показали существенное повышение их стойкости в 2,5-6 раз. В колесном цехе Томского вагонного депо в течение трех лет использовали только эти пластины.
9. Обоснована экономическая целесообразность создания вторичного ресурса твердосплавных многогранных пластин.
Экономическая эффективность обеспечения вторичного ресурса СМП в основном определяется существенной разницей между стоимостью новой пластины и затратами на ее восстановление.
Учитывая стоимость новых пластин RPUX-3010МО (от 8 до 15 долл. за штуку), затраты на их переточку составят не более 30 % от суммы затрат на приобретение новых. Экономический эффект создания вторичного ресурса работоспособности многогранных пластин RPUX-3010МО алмазной заточкой с учетом возможности многократной переточки (как показала практика - до четырех раз) составит 190-390 рублей на одну пластину. Средняя производительность приспособления к заточному станку — 100 пластин RPUX-3010МО за смену, т. е. в течение года можно переточить около 25000 штук. Экономический эффект восстановления твердосплавных пластин RPUX-3010МО, с целью их повторного использования составляет 4,75-9,75 млн руб. в год.
Стоимость новых пластин RNCX 121200 до 4-6 долл. за штуку — (100-150 руб.), затраты на их переточку составят 3-4,5 % от суммы затрат на приобретение новых. Экономический эффект составит 90-145 руб. на одну пластину. Средняя производительность приспособления к заточному станку - 300 пластин за смену, т. е. в течение года можно переточить около 75000 штук. Экономический эффект восстановления изношенных твердосплавных пластин, с целью их повторного использования составляет 7-11 млн в год.
Стоимость новых пластин LNUX301940 (от 19 до 25 долл. за штуку), затраты на их переточку составят не более 30 % от суммы затрат на приобретение новых. Эконо-
Сменные многогранные пластины для обработки колесных пар, восстановленные алмазной
мический эффект создания вторичного ресурса работоспособности многогранных пластин LNUX301940 алмазной заточкой составит 300-400 руб. на одну пластину.
Средняя производительность приспособлений и оснастки к заточному станку — 35 пластин за смену, т. е. в течение года можно переточить около 9000 штук. Экономический эффект восстановления изношенных твердосплавных пластин LNUX301940, с целью их повторного использования, составляет 2,7-3,6 млн руб.
Нами предложен способ термомеханического упрочнения, суть которого заключается в обкатке многогранных пластин, например, на токарном станке, при температуре около 900 оС твердосплавным роликом (патент на изобретение RU С1 N 2137590 6 В 24 В 39/00, С 21 D 7/00). Пластины, подвергнутые ТМО, были заточены и испытаны при обработке поверхности колесных пар пассажирских, грузовых и локомотивных, обладающих твердостью до 350 НВ. Все обработанные пластины показали повышение стойкости в 1,6-1,9 раза. Таким образом, повышение стойкости многогранных твердосплавных пластин на тяжелых операциях после ТМО - это установленный факт. В силу кинематических особенностей процесса ТМО возможна обработка, например, вершин многогранных пластин, где износ обычно максимальный. Это позволяет выравнивать износ и повышать стойкость и ресурс.
Наиболее интересным и перспективным является метод упрочнения СМП высо-кодозной ионной имплантацией (ВИИ). Этот метод обладает хорошей воспроизводимостью, температура при обработке не превышает 150 °С, не изменяются их размеры и шероховатость поверхности, отсутствует проблема адгезии. В ИФПМ разработаны многослойные структуры, формируемые ВИИ в приповерхностных слоях материалов обрабатываемых изделий, позволяющие повышать износостойкость в три и более раз (А/с № 1777391). В частности, эти работы позволили создать технологию для упрочнения твердосплавных пластин, используемых для переточки колесных пар вагонов и локомотивов, повышающую их стойкость в 2,5-3,5 раза.
Сборный резец с пластиной, восстановленной Сборная твердосплавная фреза с восста-
алмазной заточкой, для обработки колес и осей новленными пластинами RNCX 121200 для на токарных и токарно-карусельных станках обработки подпятника надрессорной бал-
ки тележки грузового вагона
Стоимость упрочнения составляет ориентировочно 30 % от стоимости новой пластины. Эффект от упрочнения круглых пластин стоимостью 400 руб. по ценам 2006 г. составит 280 руб./ шт. Средняя производительность при полной загрузке оборудования - 100 пластин в смену или 25000 в год. Отсюда, за счет снижения потребности в пластинах для обработки колесных пар в два раза, ожидаемый эффект для одной дороги составит около 7 млн руб. в год.
Доказана целесообразность использования восстановленных пластин для обработки других деталей подвижного состава (точение, строгание, фрезерование), если их размер или количество глубоких сколов не позволяет производить обточку колес. Спроектирован и изготовлен сборный твердосплавный инструмент под эти пластины
для обработки колес, бандажей, осей, надрессорных балок, фрикционных клиньев и других восстановленных наплавкой деталей. Наличие такого инструмента в депо снимает проблему обеспечения высококачественным твердым сплавом механических и заготовительных цехов, способствует повышению производительности, резко снижает себестоимость механической обработки ремонтируемых деталей.
Экономическая эффективность изготовления специального сборноготвердосплав-ного инструмента достигается прежде всего за счет снижения расхода твердого сплава путем обеспечения вторичного ресурса твердосплавным пластинам резцов колесото-карных станков. Стоимость новой пятигранной пластины — 120 руб., стоимость переточки пластины rpux 30 10 mo — 50 руб. Стойкость этих пластин в четыре раза выше. Эффект замены стандартной фрезы с шестью зубьями на специальную фрезу составит 420 руб. За счет высокой стойкости этих фрез экономический эффект только однократной установки пластин составит 420 х 4 = 1680 руб. на один инструмент. Количество возможных повторных установок пластин на специальную фрезу в среднем около 400 раз. Отсюда экономическая эффективность эксплуатации фрезы при полном использовании ее ресурса составит 1680 х 400 = 672000 руб. Стоимость изготовления сборной фрезы не превышает 5 тыс. руб.
С 1996 г. было налажено систематическое восстановление многогранных твердосплавных пластин для предприятий железной дороги (за период 2001-2005 г. более 10 000 восстановленных пластин). Стоимость их по самым низким оценкам более 120 000 долл., стоимость восстановления около 300 000 руб., т. е. почти в 11 раз ниже, чем обошлось бы приобретение новых.
Ожидаемый экономический эффект по сети железных дорог России и машиностроению может составить 351 млн руб. в год
Результаты выполненной работы убедительно доказывают эффективность концепции создания вторичного ресурса твердосплавных инструментов, имеющей крупное общегосударственное научно-практическое значение.
© А.А. Рауба, Д.В. Муравьев, А.Ю. Попов, 2009
Рауба Александр Александрович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава» Омского государственного технического университета
Муравьев Дмитрий Валерьевич - преподаватель кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава» Омского государственного технического университета
Попов Андрей Юрьевич - доктор технических наук, профессор, кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава» Омского государственного технического университета
Дата поступления статьи в
редакцию:
30.01.2009 г.
