CC BY
116
3. Писаренко, Г. С. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии / Г. С. Писаренко,
A. А. Лебедев. — Киев : Наукова думка, 1976. — 415 с.
4. Артамонов, Е. В. Прочность и работоспособность сменных твердосплавных пластин сборных режущих инструментов / Е. В. Артамонов. — Тюмень : ТюмГНГУ, 2003. — 192 с.
5. Фельдштейн, Е. Э. Режущий инструмент. Эксплуатация : учеб. пособие / Е. Э. Фельдштейн, М. А. Корниевич. — Мн. : Новое знание ; М. : ИНФРА-М, 2012. - С. 256.
6. Верещака, А. С. Резание материалов / А. С. Верещака,
B. С. Кушнер. - М. : Высшая школа, 2009. - С. 535.
7. Крутько, А. А. Повышение эффективности восстановительной токарной обработки железнодорожных колёсных пар : моногр. / А. А. Крутько, В. С. Кушнер, А. А. Воробьёв. — Омск : ОмГТУ, 2013. — 176 с.
и материаловедение» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). КРУТЬКО Алексей Александрович, студент гр. МВМ-514 факультета элитного образования и магистратуры ОмГТУ.
ВОРОБЬЕВ Александр Алфеевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Технология металлов» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I.
ПОТАХОВ Дмитрий Александрович, кандидат технических наук, инженер технического отдела службы подвижного состава ГУП «Петербургский метрополитен».
Адрес для переписки: krutko@omgtu.ru
КРУТЬКО Андрей Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Машиностроение
Статья поступила в редакцию 19.03.2015 г. © Ан. А. Крутько, Ал. А. Крутько, А. А. Воробьев, Д. А. Потахов
УДК 621.941.02 А. А. КРУТЬКО
В. И. ФИСЕНКО А. А. ВОРОБЬЕВ Д. А. ПОТАХОВ
Омский государственный технический университет
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
ГУП «Петербургский метрополитен»
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОЧНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ОБТОЧКЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС
Использован численный метод расчета напряженного состояния режущей части твердосплавного инструмента с учетом упрочняющей фаски и различных значений угла его передней поверхности. Исследована статическая прочность режущего инструмента при обработке железнодорожных колес различной твердости с учетом силовых воздействий.
Ключевые слова: колесная пара, режущий инструмент, твердость, напряжения, запас прочности.
В процессе эксплуатации подвижного состава происходит износ и повреждение его ходовых частей и, 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, 4] и, как следствие, увеличивает затраты на ремонт колес.
Одним из направлений снижения расхода, связанного с ремонтом колес, является разработка модели для оценки напряженного состояния и прочности режущих пластин с целью их оптимизации.
В настоящей работе проводились исследования напряженного состояния и прочности призматических пластин типа ЬЫиХ 301940 из твердого сплава Т14К8 с различной геометрией режущей части и с наличием лунки. Размеры контактных площадок, силы резания, напряжения (нормальные и тангенциальные) действующие на передней и задней поверхностях инструмента, определены на основе рекомендаций [5].
Fn = Т p«1b1
cos g +sing B
cosg+sin g
(1)
.. I cosg-sing N = tpa1b11 -1-L+cosg+sing I; (2)
F1 =0,625t p1b
V sir
B
F tpP1b
N1 =0,625—в— -
m m1 V sina
(3)
(4)
где -РЛ, М М — соответственно силы трения и нормальные силы на передней и задней поверхностях инструмента;
т р — сопротивление обрабатываемого материала пластическому сдвигу; а1, Ь1 — толщина и ширина среза; Ь — периметр рабочих участков режущих кромок; В — величина, характеризующая степень пластических деформаций металла снимаемого припуска и поверхностного слоя обрабатываемого колеса; У, а — соответственно передний и задний углы инструмента;
р1 — радиус скругления режущей кромки; т, т1 — коэффициент трения соответственно на передней и задней поверхностях инструмента.
Длина контакта стружки с инструментом по передней поверхности:
, „ lr. I cos g+sin g 1=1,45 a11-B-—cos g+sm g
(5)
Величина контакта колеса с инструментом по задней поверхности:
А»1,25 pv
B
(6)
Средние нормальные и касательные напряжения на передней поверхности:
=N; 1 = b11'
Л "b11'
(7)
(8)
Средние контактные напряжения на задней поверхности:
s м 1 = 0,5^;
см 1 = 0,5тp .
(9)
(10)
Участки поверхности режущего инструмента, на которых действуют контактные напряжения, были разбиты на некоторое количество равных по длине зон, и ступенчато по всей или части длины контакта 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 и прочности твердосплавных режущих пластин производился в сечении максимальных эквивалентных напряжений. Для исследования использовалась система трехмерного твердотельного моделирования SolidWorks [6], предназначенная для решения широкого спектра инженерных задач, с применением специализированного расчетного модуля конечно-элементного [7, 8] анализа COSMOS, 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 дискретизации (построения конечно-элементной сетки) для созданной твердотельной модели пластины использовался метод диаграмм Делано—Вороного, 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 [9, 10] (табл. 1, рис. 1).
Запас прочности режущей части твердосплавной пластины определялся исходя из сложного напряженного состояния, возникающего при ее нагружении силами с учетом статистического подхода к проблеме прочности инструментального материала.
В литературе [11, 12] 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 инструментальных матери-
B
т
м
Таблица 1
Свойства инструментального материала Т14К8
Свойство Значение, ед. измерения
Модуль упругости, Е Температурно-зависимый
Коэффициент Пуассона, т т=о,зо
Массовая плотность, р р =11200 кг/м3
Предел прочности при сжатии, о-в Температурно-зависимый
Предел прочности при растяжении, <3в Sb =615 Н/мм2
Предел текучести, <3г Температурно-зависимый
Коэффициент теплового расширения, р ß = 6,2-10-6 1/°С
Теплопроводность, 1р Температурно-зависимая
Удельная теплоемкость, с с = 460 Дж/(кг-°С)
—О—Предел прочности нл сжпше —О- Предел теку чесп [
Рис. 1. Влияние температуры на свойства инструментального материала Т14К8
алов определяется их свойствами и условиями нагру-жения. 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.
Процесс разрушения режущей части инструмента можно разделить на две стадии, имеющие разную физическую основу: первая — зарождение микротрещины, не изменяющей физические свойства материала (теплопроводность 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 этих обоих механизмов разрушения. При низких температурах на-
грева наибольшее значение для разрушения инструментальных материалов имеют нормальные растягивающие напряжения. С повышением температуры увеличивается роль касательных напряжений.
Из рассмотрения механизма разрушения инструментальных материалов ясно, что ряд определяющих их разрушение факторов зависит от вида напряженного состояния и не поддается прямому количественному расчету и может быть учтен лишь на основе статистических методов. Однако реально оценить прочность пластины по максимальным напряжениям, возникающих в ней при нагружении можно, применяя для этого программные комплексы, использующие численные методы расчета на основе метода конечных элементов, например БоШШогкз и Апзуз. Учитывая статические аспекты прочности и сложный характер нагружения режущей части инструмента, изготовленного из твердого сплава, при оценке прочности использован критерий предельного состояния Писаренко — Лебедева [13, 14]. 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:
=Xs, +(1-X)s, А1-J <s,
(11)
64
s
а б в
Рис. 2. Распределение изолиний равных предельных напряжений при силовом воздействии в призматической твердосплавной пластине геометрии: а — «А» (g = -7°, gf = -15°, f = 0,4 мм, а= 6°); б — «Б» (у = 0°, gf = -15°, fy = 0,4 мм, а = 6°); в — «В» (g = 7°, gf = -15°, fy = 0,4 мм, а = 6°) при обработке стали твердостью 300HB с режимом резания V = 20 м/мин, t = 5 мм, s = 1,1 мм/об
Рис. 3. Влияние скорости резания на запас прочности при силовом воздействии для марок стали различной твердости при j = 75°, g = -7°, gf = -15°, а = 6°, s = 1,1 мм/об, t = 5мм
где А — константа, характеризующая статистический фактор развития разрушения; С = аВ /а-В — параметр, определяющий долю сдвиговых деформаций в разрушении, при этом 0 <с <1;
а. =-у (а! -а2 )2 +(а2 -а3 )2 +(а3 -а, )2 -
ин-
тенсивность напряжения;
а В , а-В — предел прочности материала при растяжении и сжатии соответственно;
j = о 1 + о 2 + о 3 о,
параметр, характеризующим
жесткость нагружения;
Здесь а 1Г а2, а3 — главные напряжения. После подстановки констант, характеризующих твердосплавный сплав титановольфрамосодержащей группы (ШС — Т1С — Со) имеем:
oh = 0,18 о { + 0,82 о 1 0,7
<о,
(12)
Использование этого критерия позволяет оценить прочность режущей части инструмента с учетом сложного напряженного состояния и особенностей анизотропии свойств инструментальных материалов.
Чтобы наиболее полно обрисовать картину распределения напряжений в теле режущего инструмента зондирование (снятие данных моделирования) производилось в шахматном порядке, в местах изме-
нения геометрии пластины по передней и задней поверхностям, а также в местах максимальных концентраций эквивалентных напряжений.
Точечные выборки и наиболее вероятные изолинии равных предельных напряжений а^ при силовом воздействии на режущую пластину призматического типа различной геометрии при восстановлении профиля колеса графически представлены на рис. 2.
Исходя из анализа изолиний равных предельных напряжений о^ видно, что расположение зоны высоких значений контактных напряжений ограничивается шириной около 14-13 ширины упрочняющей фаски и располагается по вертикали под ней же на глубине одной-трех величин контакта колеса по задней поверхности инструмента. Эта зона распространяется в глубь тела резца примерно по биссектрисе угла заострения ближе к задней поверхности инструмента на глубину (6-7)Д, а по горизонтали она равна примерно половине длины контакта стружки по передней поверхности, где и располагается ориентировочный максимум.
Анализ показал, что зависимости коэффициента запаса прочности призматической твердосплавной пластины геометрии «А» от скорости резания при силовом воздействии от твердости обрабатываемого материала отображается в виде вогнутых нисходящих кривых небольшого уклона (рис. 3), причем кривые разных твердостей равноотстоят друг относительно друга. При этом расчетные значения
о
коэффициента запаса прочности инструмента n = s B составляют 2,36 — 3,60.
Таким образом, использование критерия предельного состояния, учитывающего статические аспекты прочности и сложный характер нагружения режущей части инструмента, с применением системы трехмерного твердотельного моделирования, позволяет оценить работоспособность инструмента в различных условиях резания, а также учесть изменение свойств инструментальных материалов от температуры. Учет этих факторов немаловажен как при проектировании оптимальной геометрии инструмента, так и при прогнозировании работоспособности стандартного инструмента в производственных условиях.
Библиографический список
1. Богданов, А. Ф. Восстановление профиля поверхности катания колесных пар : учеб. пособие / А. Ф. Богданов, И. А. Иванов, М. Ситаж. - СПб. : ПГУПС, 2000. - 127 с.
2. Богданов, А. Ф. Эксплуатация и ремонт колесных пар вагонов / А. Ф. Богданов, В. Г. Чурсин. — М. : Транспорт, 1985. — 270 с.
3. Потахов, Д. А. Использование на подвижном составе колесных пар повышенной твердости / Д. А. Потахов // Известия ПГУПС. — 2013. — № 1 (34) — С. 139—147.
4. Анализ методов восстановления профиля катания колесных пар / А. А. Воробьёв [и др.] // Вестник ВНИИЖТ. — 2011. — № 3. — С. 34 — 38.
5. Силин, С. С. Метод подобия при резании материалов / С. С. Силин. — М. : Машиностроение, 1979. — 152 с.
6. Алямовский, А. А. Инженерные расчёты в Solidworks Simulation / А. А. Алямовский. — М. : ДМК Пресс, 2010. — 464 с.
7. Chaskalovic, J. Finite Element Methods for Engineering Sciences / J. Chaskalovic. — Springer, 2008. — 267 p.
8. Галлагер, Р. Метод конечных элементов. Основы : [пер. с англ.] / Р. Галлагер. — М. : Мир, 1984. — 428 с.
9. Киффер, Р. Твердые сплавы : [пер. с нем.] / Р. Киффер, Ф. Бенезовский. — М. : Металлургия, 1971. — 392 с.
10. Хает, Г. Л. 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.
11. Остафьев, В. А. Расчет динамической прочности режущего инструмента / В. А. Остафьев. — М. : Машиностроение, 1979. - 168 с.
12. Полетика, М. Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента / М. Ф. Полетика. - М. : Машиностроение, 1969. - 148 с.
13. Писаренко, Г. С. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии / Г. С. Писа-ренко, А. А. Лебедев. - Киев : Наукова думка, 1976. - 415 с.
14. Novikov, N. V. Application of the Pisarenko-Lebedev Criterion to the Strength Analysis of High-Pressure Appparatus for the Synthesis of Superhard Materials / N. V. Novikov, M. G. Loshak, S. I. Shestakov // Strength of Materials. - 2000. -Vol. 32, Issue 5. - P. 446-453.
КРУТЬКО Андрей Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). ФИСЕНКО Виталий Игоревич, студент гр. МВМ-514 факультета элитного образования и магистратуры ОмГТУ.
ВОРОБЬЕВ Александр Алфеевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Технология металлов» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I.
ПОТАХОВ Дмитрий Александрович, кандидат технических наук, инженер технического отдела службы подвижного состава ГУП «Петербургский метрополитен».
Адрес для переписки: krutko@omgtu.ru
Статья поступила в редакцию 19.03.2015 г. © А. А. Крутько, В. И. Фисенко, А. А. Воробьев, Д. А. Потахов
Книжная полка
Скобелев, С. Б. Технологические методы повышения износостойкости деталей пар трения : моногр. / С. Б. Скобелев, В. Ф. Ковалевский. - Омск : ОмГТУ, 2014. - 115 c. - ISBN 978-5-81491911-3.
Отражены исследования способов повышения износостойкости деталей пар трения с помощью методов ударно-акустической обработки (УАО) с внедрением твердой смазки и капельно-адгезионной технологии. Приведены рекомендации по назначению рациональных режимов УАО, представлена методика проектирования технологической операции УАО с внедрением твердых смазок. Монография предназначена для научных работников и инженеров-технологов, а также студентов технических университетов.
Зюзько, И. В. Физико-химические основы литейного производства : конспект лекций / И. В. Зюзько. - Омск : ОмГТУ, 2014. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
Изложены физико-химические основы процессов, протекающих в литейной форме при ее изготовлении, в металлических расплавах при плавке металлов и взаимодействии металла с формой. Описаны методы расчета равновесных систем при физико-химическом взаимодействии друг с другом. Для студентов специальности 150204 «Машины и технология литейного производства» и направления 150400.62 «Технологические машины и оборудование».
