CC BY
30
УДК 621.9.65.015.13 А.В. Обрывалин,
аспирант кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава», ОмГУПС (г. Омск), тел.: 89043250440, e-mail: [email protected]
ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ РЕЗАНИЕМ МАТЕРИАЛА ВАГОННЫХ КОЛЕС ПОВЫШЕННОЙ ТВЕРДОСТИ ПРИ НАЛИЧИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ
A. V. Obryvalin
MACHINABILITY OF A MATERIAL OF A CAR WHEELS OF THE INCREASED HARDNESS AT PRESENCE OF OPERATIONAL DEFECTS
Аннотация. В статье дан краткий анализ и определены основные недостатки существующей технологии восстановления профиля вагонного колеса повышенной твердости с термомеханическими повреждениями. Разработан и предложен способ подготовки вагонных колес к обработке на колесотокарном станке, нацеленный на повышение эффективности технологии их ремонта. Приведены результаты производственного эксперимента, подтверждающие целесообразность внедрения в существующую технологию способа подготовки вагонного колеса к обработке на колесо-токарном станке, позволяющего значительно снизить затраты на восстановление профилей колес за счет сокращения расхода режущих твердосплавных пластин.
Ключевые слова: вагонное колесо, термомеханические повреждения, технология, механическая обработка, колесотокарный станок, ударная нагрузка, режущая пластина, способ восстановления, схема обработки, шлифовальный круг, производственный эксперимент.
Abstract. In article the brief analysis is given and the basic lacks of existing technology of restoration of a structure of a car wheel of the increased hardness with thermomechanical damages are certain. The way of preparation of car wheels to processing on a car wheel lathe, aimed on increase of efficiency of technology of their repair is developed and offered. The results of industrial experiment confirming expediency of introduction in existing technology of a way of preparation of a car wheel to processing on a car wheel lathe are resulted, allowing considerably to lower expenses for restoration of structures of wheels due to reduction of the charge cutting plates.
Keywords: a car wheel, thermomechanical damages, technology, machining, a car wheel lathe, the shock loading, a cutting plate, a way of restoration, the scheme of processing, a grinding circle, industrial experiment.
Производительность и себестоимость проводимых ремонтных работ, нацеленных на восстановление профиля вагонного колеса повышенной твердости, во многом зависят от степени повреж-денности его в эксплуатационный период различного рода дефектами.
Различные условия работы колесных пар обусловливают различные типы наиболее часто встречающихся дефектов, образующихся на поверхности катания в эксплуатации.
Сравнение числа отцепок вагонов, поступивших в ремонт за один и тот же период, свидетельствует, что стойкость колёс повышенной твёрдости к износу на поверхности катания колеса и гребня более чем в два раза выше в сравнении со стандартными колёсами. Средний пробег колёсной пары с колёсами повышенной твёрдости до первой обточки составляет 279,7 тыс. км, а средний пробег серийных колёс - 106,3 тыс. км. Однако, внедрение в эксплуатацию твердых колес заметно не снизило процент отцепок грузовых вагонов по повреждениям колес дефектами тормозного происхождения (ползунов и выщерблин 1-го рода). Таким образом, основной объем механической обработки (более 58 %) при восстановлении профиля вагонных колес повышенной твердости направлен на устранение термомеханических повреждений с поверхности катания путем обточки на колесотокарном станке.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
В процессе эксплуатации механические свойства поверхностных слоев металла колеса претерпевают значительные изменения. Это связано с упрочнением поверхностных слоев, во-первых, в результате наклепа, возникающего при пластическом деформировании металла колеса в процессе качения его по рельсу, во-вторых, в результате термомеханических повреждений. Данные авторов [1, 2] и результаты проведенных исследований по определению значений твердости колесной стали после эксплуатации вагонного колеса в различных сечениях показывают, что в области термомеханических повреждений твердость колесной стали у поверхности достигает значений 950 НУ и более. Упрочненный слой колесной стали уходит вглубь колеса от поверхности катания на 4 - 5 мм, а в отдельных случаях на 6 - 8 мм. Таким образом, механические свойства поверхностного слоя металла колеса в эксплуатации изменяются настолько радикально, что после короткого пробега на отдельных участках колеса наблюдаются свойства совершенного другого материала.
В вагоноремонтных депо весьма остро стоит проблема, связанная с восстановлением профилей вагонных колес повышенной твердости с термомеханическими повреждениями (ТМП). Проблема состоит в том, что обточка колес с ТМП сопровождается значительными ударными нагрузками, которые приводят к разрушениям режущих твердосплавных пластин (рис. 1).
Рис. 1. Фотографии разрушенных режущих твердосплавных пластин после обтачивания вагонных колес повышенной твердости с ТМП
Снижение скоростей резания при обточке колеса до минимума 18 - 20 м/мин, дает положительный эффект лишь в ряде случаев, когда на поверхности катания выщерблины или мелкие ползуны (глубина которых не более 0,5 мм), но и при этих условиях наблюдаются крупные сколы режущих кромок твердосплавных пластин. Кроме того, значительно снижается производительность обработки таких колес. Так, вместо установленных 0,87 нормо-час на восстановление профиля твердого колеса при наличии ТМП требуется порядка 1,2-1,6 нормо-часов. Попытки применить
так называемый метод резания под корку - это когда в процессе механической обработки с целью снижения ударного воздействия от упрочненного участка на режущую кромку резца врезают ее под дефект, который применяли при обточке серийных вагонных колес с ТМП, не дали ожидаемого эффекта. Таким образом, большинство твердых колес с ползунами, глубина которых более 0,5 мм, не поддаются обточке лезвийным инструментом. В результате чего такие колеса приходится спрессовывать с осей колесных пар и отправлять на переплавку. Так, по средним данным двух вагонных депо Омск - Сортировочный и Московка, более 68 % колесных пар, имеющих на поверхности катания колеса ползун, а это порядка 19 % от общего числа колесных пар, поступающих на механическую обработку, отправляются на операцию замены колес на оси.
Это обстоятельство значительно сокращает эксплуатационный ресурс вагонных колес повышенной твердости, поврежденных ползунами, так как при наличии технологии и необходимого оборудования, позволяющего восстановить профиль таких колес, большинство из них могло бы пройти еще при среднем пробеге между обточками 279,7 тыс. км. порядка 800 тыс. км.
Кроме того, следует отметить, что значительно возрос расход режущих твердосплавных пластин в 3 - 5 раз при обработке твердых колес по сравнению с обработкой серийных колес.
Таким образом, существующее положение и перспектива с обтачиванием вагонных колес повышенной твердости, имеющих на поверхности катания термомеханические повреждения, делают проблему изыскания методов, улучшающих обрабатываемость материала колеса, весьма актуальной.
Одним из важнейших технологических свойств материала является его обрабатываемость резанием - способность поддаваться обработке режущими инструментами, в значительной степени характеризующее уровень затрат для достижения заданных производительности и качества обработки изделия.
Приведенные и исследованные в литературе критерии обрабатываемости оценивают влияние ограниченного количества параметров, оказывающих влияние на процесс резания. Эти подходы не дают возможность оптимизировать процесс с учетом свойств поверхностных слоев металла колеса, приобретенных в эксплуатации. Вопросы обрабатываемости деталей с эксплуатационными дефектами изучены недостаточно, что не дает возможность определить рациональные режимы
Современные технологии. Механика и машиностроение
резания для большинства операций механической обработки в ремонтном производстве.
Анализ и обобщение имеющихся данных о влиянии твердости на обрабатываемость стали оцениваемой допустимой скоростью резания по 60-минутной стойкости Ут60 [3] для колесной стали, в частности, по данным С. В. Урушева [4] и фирмы Сандвик - МКТС [5], позволили построить зависимость влияния твердости колесной стали на значение КУТ60, рис. 1. В качестве эталона взята колесная сталь марки 2 (ГОСТ 10791-89) с исходной твердостью 260 НВ. По сравнению со сталью 45 (180 НВ) эта сталь имеет коэффициент обрабатываемости КУТ60 = 0,7 и, соответственно УТ60 = 75 м/мин, а для вагонных колес из стали повышенной износостойкости К¥Т60 = 0,3 - 0,6 и ¥Т60 = 25 - 60 м/мин (см. рис. 2).
Применение данного критерия для оценки обрабатываемости материала колеса резанием имеет место, если процесс обработки поверхности колеса протекает относительно стабильно (без ударов). Поэтому данный критерий не отражает влияние всего многообразия параметров определяющих обрабатываемость деталей с эксплуатационными дефектами.
НВ но 100 360 320 280 Но
\
Утщ м/мин
30
60
о,-
0,1
0,6
КУж
0.8
10
Рис. 2 Влияние твердости колесной стали
на ее обрабатываемость резанием твердосплавным инструментом
Обтачивание колес с ползунами, выщербли-нами, раковинами и т. п. дефектами сопровождается ударными нагрузками, отрицательно влияющими на режущий инструмент и оборудование. Поэтому наряду с критерием обрабатываемости КУТ60 предлагается оценивать обрабатываемость срезаемого слоя металла колеса при восстановлении его профиля через допустимую стойкость режущей пластины на удар Оуд .
Значительный скачок и максимальные значения контактных нагрузок возникают при ударе,
возникающем при врезании режущего инструмента в участок термомеханического повреждения, кроме того, удар также наблюдается и при обработке вагонных колес с выщерблинами 2-го рода и раковинами на поверхности катания.
Напряжения в момент удара выражаются через коэффициент динамичности ц. Из сопротивления материалов известно [6], что коэффициент динамичности ц - это отношение динамического значения некоторого фактора (усилия, напряжения, перемещения) к соответствующему статическому значению этого фактора. Если принять напряжения, возникающие на режущей пластине в процессе стабильного резания, за статические значения, то коэффициент динамичности определяется выражением
Ц = , (1)
Оо
где О уд - напряжение на режущей пластине в момент удара, ГПа;
О0 - напряжение на режущей пластине при
стабильном точении материала (без ударных нагрузок), ГПа.
Таким образом, для определения напряжений в момент удара необходимо напряжения при стабильном резании умножить на коэффициент динамичности, но возникают трудности с определением значений коэффициента, так как в литературе, посвященной обработке материалов резанием, нет определенных значений данного коэффициента или зависимостей, позволяющих его определить.
В результате проведенного в ОмГУПСе экспериментального исследования процесса резания, сопровождающегося ударными нагрузками, возникающими на режущем инструменте от искусственно смоделированного дефекта, были получены данные, обработка которых по известным методикам [7] позволила построить регрессионную модель зависимости коэффициента динамичности от таких параметров, как скорость резания, глубина резания, подача и твердость металла, которая в кодированных значениях выглядит следующим образом:
у = 1,73 + 0,51- х + 0,0053 • х2 + 0,04 • х3 + 0,012 • х4, (2) где Х1 - кодированное значение скорости резания, %2 - кодированное значение глубины резания, х3 - кодированное значение подачи, х4 - кодированное значение твердости металла.
Оценка значимости коэффициентов регрессии по критерию Стьюдента показала, что коэффициенты
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
при факторах х2, х3 и х4 незначимы и ими при построении модели можно пренебречь. Исходя из этого, модель принимает следующий вид
у = 1,73 + 0,51 • . (3)
Проверка адекватности полученной модели по критерию Фишера показала, что модель адекватна при 5 % уровне значимости. Переход от кодированных значений к натуральным величинам позволил получить зависимость коэффициента динамичности от скорости резания в диапазоне скоростей от 15 до 55 м/мин
ц = 0,84 + 0,026 -V , (4)
где V - скорость резания, м/мин.
Графически зависимость представлена на рис. 3.
Рис. 3 Зависимость коэффициента динамичности от скорости резания
Получив данную зависимость, можно определить контактные напряжения, возникающие в момент удара на режущем инструменте, и объяснить картину, связанную с участившимися случаями выхода из строя режущих пластин по сколам лезвий и разрушениям при обточке вагонных колес повышенной твердости с ТМП.
Так, при черновой обточке колеса на установленных нормами режимах резания V = 35 - 40 м/мин, X = 8 мм, 8 = 1,2 мм/об., средние значения контактных напряжений, возникающих на режущей пластине при отсутствии ТМП на поверхности колеса, составляют порядка ст = 2,23 ГПа, и исходя из зависимости, приведенной на рис. 1 , коэффициент обрабатываемости равен 0,42, что говорит о том, что период стойкости режущей грани пластины составляет порядка 20 - 25 мин. Однако,
если выполняется обточка колеса на тех же режимах резания, но на поверхности колеса находится ползун, твердость металла в области которого порядка 950 HV, то картина кардинально меняется, так как в процессе в резания режущего инструмента в упрочненную область колеса происходит удар, и на инструменте возникают контактные напряжения, значения которых определяются выражением
СТуд = Сто-Ц , (5)
где ст0 = 4,53 ГПа - напряжение на режущей пластине при стабильном точении материала твердостью 950 HV, ц = 1,88 - коэффициент динамичности при скорости резания 40 м/мин. Таким образом, контактные напряжения, возникающие на режущей пластине в момент удара, ст уд = 8,51 ГПа.
Так как предел прочности режущих твердосплавных пластин на сжатие равен 6 ГПа, мы можем сделать вывод о том, что на данных режимах резания невозможно обточить колесо с ползуном, металл в области которого упрочнен до 950 НУ, потому что произойдет полное разрушение режущей пластины. Снижая скорость резания до минимальных значений 17 - 20 м/мин, что в принципе и делают токари в колесных мастерских при обточке колес, пытаясь избежать разрушения пластины, мы понижаем коэффициент динамичности ц =
1,28, при этом соответственно уменьшается СТ уд
= 6,6 ГПа. Однако все же контактные напряжения в момент удара по-прежнему превышают предел прочности пластины на сжатие.
Одним из наиболее эффективных путей решения проблемы является улучшение обрабатываемости срезаемого слоя металла колеса за счет восстановления его свойств до исходного состояния.
Для достижения этой цели можно использовать способ, разработанный учеными отраслевой научно-исследовательской лаборатории ЛИИЖТа по совершенствованию ремонта и формирования колесных пар в содружестве с ВНИИЖТом, ВНИИ токов высокой частоты и Октябрьским электровагоноремонтным заводом, предусматривающий многоступенчатый отжиг верхних слоев металла поверхности катания колес путем нагрева их токами высокой частоты перед обтачиванием колесных пар. Данный метод позволяет произве-
Современные технологии. Механика и машиностроение
сти отжиг твердых участков (600-1000 НУ) до 300-320 НУ, то есть максимально приблизить механические свойства срезаемого припуска к исходным свойствам колесной стали и как следствие - улучшить обрабатываемость резанием. Однако, имеется недостаток данного метода и состоит он в том, что после двухступенчатого нагрева поверхностных слоев необходимо выполнить охлаждение на массу металла колеса в течение 1,5 часов до передачи колесной пары на колесотокарный станок. Это обстоятельство значительно снижает производительность ремонта колесной пары в целом.
Повышение производительности и существенного снижения расхода режущего инструмента обеспечивает применение плазменно-
механической обработки колес, но попытка внедрения этого метода в двух депо ст. Омск выявила ряд организационных и технических проблем, таких как, высокий уровень шума, вредные выделения, излучения, трудности с управлением процессом резания и неудовлетворительное стружко-дробление.
Для улучшения обрабатываемости металла колеса резанием в ОмГУПСе разработан способ подготовки поверхности катания колеса к обтачиванию на колесотокарном станке. Способ заключается в том, что предлагается устранять с поверхности катания колеса термомеханические повреждения (ползуны, выщерблины), которые не могут быть обработаны лезвийным инструментом из-за высокой твердости металла (650 - 950 НУ) путем местной обработки шлифовальным кругом. Применение данного способа позволяет создать более благоприятные условия для работы режущего инструмента на последующей токарной операции, выраженные в исключении ударных нагрузок от ползунов и выщерблин при обтачивании поверхности катания колеса, приводящих к разрушению режущих пластин и резцовых блоков. Т. е., вырезая ползун шлифовальным кругом с поверхности катания колеса, мы не исключаем ударные нагрузки, но удар уже происходит не от упрочненного участка (950 НУ), а от врезания режущего инструмента в основной металл твердостью 320 НВ, в результате чего напряжения в момент удара СТ уд =
4,1 ГПа при скорости резания 40 м/мин.
Способ подготовки поверхности катания колеса к лезвийной обработке путем устранения с поверхности катания дефектных участков, усложняющих
процесс резания, методом силового шлифования разрабатывался с учетом данных, полученных при исследовании возможности использования силового и скоростного шлифования для обработки профиля катания железнодорожного колеса [8].
Разработанный способ, по сравнению со способом врезного профильного высокоскоростного шлифования (ВПВШ), более экономичен по расходу абразивного инструмента и более производителен в силу того, что обработка производится не по всей длине окружности колеса, а лишь на определенном участке, содержащем дефект, а весь остальной технологически необходимый слой металла для восстановления профиля снимается резцом на последующей токарной операции.
Для подтверждения целесообразности внедрения в технологию восстановления профиля вагонных колес повышенной твердости подготовительной операции, нацеленной на устранение ТМП, был проведен производственный эксперимент на КРЦ вагоноремонтного депо Московка. Для проведения эксперимента были выбраны колесные пары с колесами, которые необходимо было спрессовать с осей из-за невозможности обточки профиля колеса резцом. Эксперимент состоял в том, что перед обработкой вагонного колеса повышенной твердости на колесотокарном станке с его поверхности были вырезаны ползуны и выщерблины на глубину 4 - 5,5 мм. Операция выполнялась ручным механизированным инструментом (пневматической шлифовальной машиной). Затраты времени на выполнение данной операции составили порядка 85 - 125 минут. Затем проводилось черновое обтачивание на колесотокарном станке на следующих режимах: У = 35 м/мин, 8=1,2 мм/об, Х=6 мм.
Проведенный эксперимент показал, что применение способа подготовки поверхности катания вагонного колеса к лезвийной обработке, в качестве предварительной технологической операции, позволяет снизить ударные нагрузки и исключить разрушение режущих пластин и кассет сборного инструмента. Однако, использовать для выполнения данной технологической операции ручной механизированный инструмент нецелесообразно из-за высокой трудоемкости (85 - 125 минут), а также по соображениям техники безопасности, т. к. обработка сопровождается вибрациями, которые могут привести к разрушению шлифовального круга и травматизму работающего.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Исходя из вышеизложенного, следует, что для выполнения технологической операции, направленной на подготовку поверхности катания вагонного колеса к лезвийной обработке, необходимо использовать технологическое оборудование, позволяющее производить местное удаление термомеханических повреждений методом силового шлифования с интенсивным охлаждением. Внедрение данного оборудования позволит снизить трудоемкость и обеспечить безопасность выполнения этой операции.
Для достижения этой цели разработана установка по подготовке поверхности катания вагонного колеса к лезвийной обработке, которая состоит из двух опор, механизма привода возвратно-вращательного движения, рычага, механизма подач и шлифовальной головки [9]. Установка по подготовке поверхности катания вагонного колеса к лезвийной обработке работает следующим образом. На опоры устанавливается колесная пара, в средней части оси которой закрепляется рычаг, связанный с механизмом привода возвратно-вращательного движения, приводимого в действие от электродвигателя. Таким образом, колесная пара может совершать возвратно-вращательное движение относительно собственной оси на определенный угол в зависимости от настройки механизма привода возвратно-вращательного движения. Это позволяет выполнять обработку не по всей длине окружности вагонного колеса, а лишь на участке, который содержит термомеханическое повреждение. Работающий электродвигатель шлифовальной головки передает вращение на шлифовальный круг, который врезается своей периферией в участок термомеханического повреждения на поверхности катания вагонного колеса повышенной твердости. Врезание шлифовального круга в поверхность колеса и его перемещение в продольном направлении осуществляется через механизм подач путем перемещения шлифовальной головки в поперечном и продольном направлении относительно оси колесной пары соответственно.
Вывод. Внедрение в существующую технологию восстановления профиля вагонного колеса повышенной твердости дополнительной операции нацеленной на устранение термомеханических повреждений, позволит значительно сократить расход дорогостоящих твердосплавных пластин, а так же увеличить срок
эксплуатации вагонных колес за счет возможности восстановления их профилей, которые при существующей технологии ремонта браковались и изымались из эксплуатации. Ожидаемый годовой экономический эффект по экономии твердого сплава с одной рабочей позиции при двухсменной работе (при средней стоимости режущей твердосплавной пластины порядка 700 руб.) составит 586 тыс. руб.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ларин Т. В. Исследование механического износа, усталостного выкрашивания, образования выщербин// Сб. науч. тр. ВНИИЖТа. 1977. Вып. 581. - С. 51-68.
2. Марков Д. П. Типы катастрофического изнашивания колесно-рельсовых сталей // Вестник ВНИ-ИЖТа. 2004. №№2. - С.34-39
3. Справочник инструментальщика/И. А. Ординарцев, Г. Н. Филиппов, А. Н. Шевченко и др. Л.: Машиностроение, 1987. 846 с.
4. Урушев С. В. Разработка ресурсосберегающих технологий ремонта колес железнодорожного подвижного состава. Дис... д-ра техн. наук. С-Петербург, 2000. 450 с.
5. Сменные пластины и инструмент Сандвик-МКТС: Проспект. М. : 170 с.
6. Александров А. В. Сопротивление материалов / А.
B. Александров, В. Д. Потапов, Б. П. Державин. М.: Высшая школа, 2000. - С. 470 - 476.
7. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий/ М. : Наука, 1976. - С. 141-153.
8. Иванов И. А. Перспективы использования шлифования при восстановлении профиля катания колесных пар// Вопросы оптимизации технологических процессов и оборудования ремонтного производства. Повышение долговечности подвижного состава/ Сб. науч. тр./ ЛИИЖТ. Л., 1976. Вып. 395. -
C. 65-72.
9. Патент на полезную модель №76273 МПК В24В5/46 Установка по подготовке поверхности катания вагонного колеса к лезвийной обработке/ А. В. Обрывалин.
