CC BY
43
УДК 629.421
Д. П.Кононов
ПОВЫШЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЕС ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ С ПОМОЩЬЮ ОБТОЧКИ ДИСКА
Дата поступления: 16.01.2018 Решение о публикации: 29.01.2018
Аннотация
Цель: Увеличение надежности цельнокатаных колес за счет повышения их усталостной прочности при изготовлении с помощью обточки диска. Методы: Создание в поверхностном слое диска колеса благоприятных показателей качества, таких как величина и глубина залегания остаточных напряжений, степень и глубина наклёпа, шероховатость поверхности. Для этого выбирается необходимый материал режущей части инструмента, определяются геометрические параметры инструмента, рассчитываются глубина резания и подача, допускаемая для обеспечения заданной точности обработки, шероховатости поверхности, остаточных напряжений, степени и глубины наклёпа. При обточке режимы резания должны обеспечивать в зоне резания оптимальную температуру, т. е. ту, при которой работа дает минимальный относительный износ режущего инструмента и наводит сжимающие остаточные напряжения. Результаты: Выявлено, что снижение величины шероховатости, глубины наклёпа и формирование остаточных напряжений сжатия повышают предел усталости колес. Установлены режимы резания (скорость резания, глубина резания и подача) для каждого участка поверхности диска (приободная часть, средняя часть, предступичная часть) с наружной и внутренней сторон колеса для достижения оптимальных показателей качества; разработана методика расчетного определения качественных параметров обработанной поверхности дисков цельнокатаных колес грузовых вагонов в зависимости от режимов резания с учетом температурного и силового взаимодействий режущего инструмента и обрабатываемой детали. Практическая значимость: Разработан способ повышения усталостной прочности цельнокатаных колес железнодорожного подвижного состава при изготовлении и сформулированы основные требования к величинам параметров качества дисков цельнокатаных колес.
Ключевые слова: Колесо, режимы резания, остаточные напряжения, безопасность, усталостная прочность.
Dmitriy R Kononov, Cand. Eng. Sci., associate professor, [email protected] (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University) FATIGUE ENHANCEMENT OF WROUGHT WHEELS PROCESSED BY MEANS OF DISK TURNING
Summary
Objective: To improve the reliability of wrought wheels by means of fatigue enhancement of the latter, processed by use of disk turning. Methods: The creation in the disk skin layer the correct quality indices, such as magnitude and depth of residual stress occurrence, the level and depth of hammering, surface roughness. In order to fulfill the task, the required material of the tool cutting part is selected, tool design parameters are determined, cutting depth and feed, allowed for the required processing accuracy, surface roughness, residual stress the level and depth of hammering, is calculated. In the process of turning the cutting speeds are to provide optimum temperature in the cutting area, that is the temperature at which the operation in question results in minimum wear ratio of the cutter and induces compression residual stress. Results: It was discovered that the reduction of roughness level, hammering depth and residual compression stress formation increase the fatigue endurance of wheels. Cutting speeds (tool-cutting speed, cutting depth and feed) were set for each segment of the disk surface (wheel rim section, midsection and hub section) outside and inside the wheel, in order to achieve optimum quality indices; the method of estimated determination of machined surface quality parameters of freight car wrought wheels was developed, depending on the cutting speeds taking into account temperature and force interactions of the machining tool and the machined part. Practical importance: The method of fatigue enhancement of the rolling stock wrought wheels when processed was developed. The basic requirements to values of wrought wheel discs quality parameters were formulated.
Keywords: Wheel, cutting speeds, residual stress, safety, endurance strength.
Введение
На современном этапе развития технологии машиностроения необходимо сознательно управлять процессом механической обработки с целью обеспечения требуемых параметров качества обработанной поверхности. Особенно это касается деталей, работающих в сложных условиях (повышенные температуры, высокие удельные давления, циклически изменяющиеся нагрузки), какими являются и цельнокатаные колеса.
Предложено повышать усталостную прочность цельнокатаных колес в процессе изготовления, создавая в поверхностном слое диска благоприятные показатели качества, такие как величина остаточных напряжений, степень и глубина наклёпа, а также шероховатость поверхности. Для обеспечения требуемых показателей воспользовались обточкой диска колеса по всей поверхности, захватывая переходы диска в обод и ступицу.
На основании [1] назначение режимов резания с учетом точности обработки и качества обработанной поверхности осуществлялось по схеме, представленной на рисунке.
Для расчета параметров качества дисков цельнокатаных колес в зависимости от режимов резания использовались работы В. Ф. Безъязычного [1-4], С. С. Силина [5-9] и других авторов.
Определение остаточных напряжений в поверхностном слое при точении дисков
Остаточные напряжения значительно влияют на напряженное состояние колеса. Известно [10-13], что они формируются под влиянием ряда факторов, сопровождающих процесс механической обработки.
Методика расчета температурных остаточных напряжений в поверхностном слое при точении дисков следующая:
1. Определяются температуры в любом слое поверхности при обработке лезвийным инструментом и критерий подобия, характеризующий степень пластических деформаций металла снимаемого припуска и поверхностного слоя обрабатываемой детали [14, 15].
2. Проверяется условие возникновения температурных остаточных напряжений: |он| > от. Если оно не соблюдается, то остаточные напряжения не возникают и расчет прекращается. Если условие соблюдается, то определяется граница раздела упругих и пластических деформаций при нагревании у .
у он
Материал Геометрические
Метод обработки режущей части параметры
инструмента инструмента
Смазочно-
Глубина резания <- охлаждающая «-1
жидкость
Оптимальное сочетание скорости резания, подачи и глубины резания, обеспечивающее требуемые параметры точности обработки и качества поверхностного слоя
Алгоритм назначения режимов резания с учетом точности обработки и качества обработанной поверхности
3. Проверяется условие возникновения пластических деформаций при охлаждении |оо| > 2от. При его соблюдении устанавливается граница раздела упругих и пластических деформаций при охлаждении уоо.
4. Вычисляется главное напряжение о .
г отах
5. Определяются температурные остаточные напряжения.
Остаточные напряжения, обусловленные силовым воздействием на поверхностный слой обрабатываемой детали, рассчитывались в соответствии с теоремой Генки о разгрузке как разности напряжений, возникающих при нагружении о, и разгрузке о .
г •> фикт г г -1 ист
Последовательность была следующая:
1) находили нормальные ох, оу и касательные тху напряжения;
2) определяли главные напряжения:
°так,тт = ± ;
3) проверяли условие пластичности по теории Хубера-Низеса, т. е. пластические деформации, возникающие тогда, когда интенсивность напряжений достигает величины предела текучести материала при растяжении:
1 ¡2 2 2
^тах + тах ^тт) + ^ т1п — ^ т;
4) определяли остаточные напряжения в соответствии с теоремой Генки о разгрузке:
^ост.с ^фикт °ист'
Суммарные остаточные напряжения получали алгебраическим суммированием температурных и силовых остаточных напряжений.
Определение требуемых параметров шероховатости поверхности
Влияние шероховатости поверхности на сопротивление усталости обычно оценивается различными коэффициентами концентрации напряжений, связанными с геометрическими параметрами микронеровностей поверхности. Теоретический коэффициент концентрации напряжений равен
при кручении и сдвиге
«о= 1+ Лу' (!)
при растяжении и изгибе
«а = 1 + ^У ^т, (2)
где у - коэффициент разгрузки, зависящий от отношения шага неровностей к их высоте; Яг - высота микронеровностей; г - радиус кривизны на дне впадины.
Соотношения (1) и (2) можно использовать и для определения коэффициентов концентрации напряжений, обусловленных микронеровностями на поверхности деталей после механической обработки [16, 17].
Для микрорельефа поверхности после механической обработки колесной стали чашечными резцами по ГОСТ 2209-82 на приемлемых для этой
цели режимах резания обычно у = 1, — = 0,3-0,5, что соответствует теоре-
г
тическому коэффициенту концентрации ао = 1,5-2,5. Используя коэффициент чувствительности металла к концентрации напряжений gо, можно приближенно оценить эффективные коэффициенты концентрации напряжений, обусловленные микронеровностями на поверхности детали.
Для углеродистых сталей с малыми радиусами закруглений по дну микронеровностей можно принять gо = 0,1-0,2. Для легированных сталей их значения будут больше. Эффективные коэффициенты концентраций для углеродистых сталей вычисляются по формуле
К= 1 - gа («а- 1).
Значения ко для легированных сталей будут более высокими, чем для углеродистых сталей, которые равны 1,01-1,3, вследствие их большей чувствительности к концентрации напряжений. В соответствии с этим предел выносливости образцов с концентраторами о-1к связан с пределом выносливости гладких полированных образцов о соотношением
а-1к =
а-1 ка
Следовательно, для повышения предела выносливости механическую обработку дисков колес нужно производить на режимах, обеспечивающих, с учетом экономических соображений, минимальную высоту микронеровностей поверхности. При этом целесообразно использовать режущий инструмент с возможно большим радиусом при вершине.
Определение необходимых степени и глубины наклёпа
Влияние остаточных напряжений и наклёпа поверхности на предел выносливости деталей сложное [13]. Если деформация материала является упругой, то напряжение в любой его точке есть суперпозиция остаточных напряжений оост и внешних (рабочих) напряжений ор. Поэтому необходимо избегать появления в детали оост и ор одного и того же знака. Однако, если сумма оост и ор превосходит предел текучести материала, то происходит его пластическое течение и наблюдается релаксация.
Таким образом, если при испытании или эксплуатации осуществляется макроскопическое пластическое деформирование, остаточные напряжения мало влияют на предел выносливости. При эксплуатации деталей с невысоким уровнем рабочих напряжений (до (0,5-0,6) от) при коэффициенте асимметрии цикла -1 эпюра остаточных напряжений может существенно влиять на предел усталости. В этом случае формирование в поверхностном слое сжимающих напряжений порядка (0,2-0,3) от может повысить предел выносливости на 10-15 %.
При механической обработке сталей со средним содержанием углерода 0,5-0,7 % на высоких скоростях резания, при которых реализуется температура резания 900-1000 °С, на поверхности образуется твердый высокопрочный слой, закаленный в верхней части, толщина которого при обработке чашечным резцом составляет 10-15 мкм. Влияние этого слоя не только компенсирует вредное воздействие возникающих при этом остаточных напряжений растяжения величиной 70-150 МПа, но и приводит к некоторому росту предела усталости.
Заключение
Исходя из вышеизложенного, для достижения требуемых параметров качества (табл. 1) следует при изготовлении колес производить обточку диска с обеих сторон при режимах резания, указанных в табл. 2 [18].
ТАБЛИЦА 1. Требования к параметрам качества поверхностного слоя элементов диска цельнокатаного колеса при степени наклёпа 10-15 %
Участки поверхности диска Остаточные напряжения, МПа Шероховатость, Яг, мкм
Наружная сторона колеса Приободная часть от -60 до -80 10
Средняя часть от -80 до -100 10, 20
Предступичная часть от -50 до -70 20
Внутренняя сторона колеса Приободная часть от -80 до -100 10
Средняя часть от -80 до -100 10, 20
Предступичная часть от -100 до -120 20
ТАБЛИЦА 2. Режимы обточки дисков колес грузовых вагонов при глубине резания 1 мм
Участки поверхности диска Скорость резания, м/с Подача, мм/об.
Наружная сторона колеса Приободная часть 1,6 0,75
Средняя часть 1,6 0,75
Предступичная часть 0,4 1,5
Внутренняя сторона колеса Приободная часть 1,6 0,75
Средняя часть 1,6 0,75
Предступичная часть 0,8 1,5
Библиографический список
1. Безъязычный В. Ф. Назначение режимов резания по заданным параметрам качества поверхностного слоя : учеб. пособие / В. Ф. Безъязычный. - Ярославль : ЯПИ, 1978. -86 с.
2. Безъязычный В. Ф. Расчет режимов резания в курсовом и дипломном проектировании с использованием электронно-вычислительных машин : учеб. пособие / В. Ф. Безъязычный, Т. В. Шарова, Л. А. Мищенко. - Ярославль : ЯПИ, 1983. - 88 с.
3. Безъязычный В. Ф. Теоретические основы для автоматизации расчета режимов резания, обеспечивающих заданные требования к детали / В. Ф. Безъязычный // Оптимизация операций механической обработки : сб. науч. трудов. - Ярославль : ЯПИ, 1984. -С. 15-23.
4. Безъязычный В. Ф. Влияние качества поверхностного слоя после механической обработки на эксплуатационные свойства деталей машин / В. Ф. Безъязычный // Инженер. журн. - 2001. - № 4. - С. 9-14.
5. Силин С. С. Аналитический метод определения температурных остаточных напряжений в поверхностном слое деталей при точении / С. С. Силин, В. Ф. Безъязычный, Т. В. Шарова // Научные принципы управления качеством поверхностного слоя при механической обработке : сб. науч. трудов ЯПИ, РАТИ. - Ярославль : ЯПИ, 1976. - С. 38-42.
6. Силин С. С. К вопросу теоретического обоснования автоматизации производственных процессов механической обработки по температуре / С. С. Силин // Автоматическое регулирование процессов резания по температуре : сб. науч. трудов ЯПИ, РАТИ. -Ярославль : ЯПИ, 1976. - С. 5-11.
7. Силин С. С. Метод подобия при резании металлов / С. С. Силин. - М. : Машиностроение, 1979. - 152 с.
8. Силин С. С. Назначение оптимальных режимов с учетом точности обработки и чистоты обработанной поверхности / С. С. Силин, В. Ф. Безъязычный, В. А. Козлов // Автоматическое регулирование процессов резания по температуре : сб. науч. трудов ЯПИ, РАТИ. - Ярославль : ЯПИ, 1976. - С. 142-152.
9. Силин С. С. Определение режимов резания при точении дисков по заданному уровню остаточных напряжений на поверхности детали / С. С. Силин, В. Ф. Безъязычный, Т. В. Шарова // Производительная обработка и технологическая надежность деталей машин : сб. науч. трудов ЯПИ, РАТИ. - Ярославль : ЯПИ, 1977. - С. 41-43.
10. Коротин Б. С. Влияние температуры резания на образование остаточных напряжений при механической обработке / Б. С. Коротин // Производительность и качество при обработке жаропрочных и титановых сплавов : сб. науч. трудов КУАИ. - Куйбышев : КУАИ, 1967. - Вып. XXV. - С. 94-98.
11. Маталин А. А.Технологические методы повышения долговечности деталей машин / А. А. Маталин. - Киев : Техника, 1971. - 142 с.
12. Подзей А. В. Технологические остаточные напряжения / А. В. Подзей, А. М. Сулима, М. И. Евстигнеев, Г. З. Серебренников. - М. : Машиностроение, 1973. - 216 с.
13. Якобсон Н. О. Шероховатость, наклеп и остаточные напряжения при механической обработке / Н. О. Якобсон. - М. : Машгиз, 1956. - 232 с.
14. Иванов И. А. Оценка прочности режущего инструмента для обточки железнодорожных колес при температурно-силовом воздействии / И. А. Иванов, Д. А. Потахов, С. В. Уру-шев // Вестн. транспорта Поволжья. - Самара : СамГУПС, 2013. - № 4 (40). - С. 28-36.
15. Иванов И. А. Анализ напряженного состояния режущего инструмента при обточке колесных пар / И. А. Иванов, Д. А. Потахов, С. В. Урушев // Бюл. результатов науч. исследований. - СПб. : ПГУПС, 2014. - Вып. 1 (10). - С. 114-124.
16. Иванов И. А. К вопросу о влиянии структуры поверхности слоя на эксплуатационные свойства железнодорожного колеса / И. А. Иванов, С. И. Губенко, А. А. Воробьев // Транспорт Урала. - Екатеринбург : УрГУПС, 2010. - № 2. - С. 56-60.
17. Урушев С. В. Управление качеством цельнокатаных колес железнодорожного подвижного состава / С. В. Урушев, И. А. Иванов, Д. П. Кононов // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2004. - Вып. 2. - С. 66-71.
18. Ватулин Я. С. Регулирование параметров процесса механической обточки цельнокатаных колес / Я. С. Ватулин, И. А. Иванов, Д. А. Потахов // Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте : материалы Всерос. науч.-технич. конференции с международным участием. - Омск : ОмГУПС, 2013. - С. 164-171.
References
1. Bezyazychniy V. F. Naznacheniye rezhimov rezaniyapo zadannym parametram kachest-va poverkhnostnogo sloya [Assigning cutting modes according to the given quality parameters of the skin layer]. Yaroslavl, YSTU Publ., 1978, 86 p. (In Russian)
2. Bezyazychniy V. F., Sharova T. V. & Mishchenko L. A. Raschet rezhimov rezaniya v kursovom i diplomnom proyektirovanii s ispolzovaniyem elektronno-vichislitelnykh mashin [Metal-cutting calculations in engineering design of course work and thesis research performed by means of electronic computers]. Yaroslavl, YSTU Publ., 1983, 88 p. (In Russian)
3. Bezyazychniy V. F. Teoreticheskiye osnovy dlya avtomatizatsii rascheta rezhimov rezaniya, obespechivayushchykh zadanniye trebovaniya k detaly [Theoretical foundations on automation of metal-cutting calculations, providing for the specified requirements to the item]. Optimizatsiya operatsiy mekhanicheskoy obrabotky: sbornyk nauchnikh trudov [Optimization of machining operations: collection of research papers]. Yaroslavl, YSTU Publ., 1984, pp. 15-23. (In Russian)
4. Bezyazychniy V. F. Vliyaniye kachestva poverkhnostnogo sloya posle mekhanicheskoy obrabotky na ekspluatatsionniye svoistva detaley mashin [The influence of skin layer quality after machining on performance characteristics of machine elements]. Inzhenerniy zhurnal [Engineering journal], 2001, no. 4, pp. 9-14. (In Russian)
5. Silin S. S., Bezyazychniy V. F. & Sharova T. V. Analiticheskiy metod opredeleniya temperaturnykh ostatochnykh napryazheniy v poverkhnostnom sloye detaley pry tochenii [Analytical method of temperature and residual stresses determination in the skin layer of items in the process of turning]. Nauchniye printsipy upravleniya kachestvom poverkhnostnogo sloya pry mekhanicheskoy obrabotke: sbornyk nauchnikh trudov YaPI, RATI [Scientificprinciples of skin layer quality control in the process of machining: collection of research papers YSTU, RATI]. Yaroslavl, YSTU Publ., 1976, pp. 38 - 42. (In Russian)
6. Silin S. S. K voprosu teoreticheskogo obosnovaniya avtomatizatsii proizvodstven-nykh protsessov mekhanicheskoy obrabotky po temperature [On theoretical justification of computer-aided manufacturing of temperature-controlled machining]. Avtomaticheskoye regu-lirovaniye protsessov rezaniya po temperature: sbornyk nauchnikh trudov YaPI, RATI [Automatic temperature-control of cutting processes: collection of research papers YSTU, RATI]. Yaroslavl, YSTU Publ., 1976, pp. 5-11. (In Russian)
7. Silin S. S. Metod podobiyapry rezanii metallov [Similarity method in metal cutting]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1979, 152 p. (In Russian)
8. Silin S. S., Bezyazychniy V. F. & Kozlov V. A. Naznacheniye optimalnykh rezhimov s uchetom tochnosty obrabotky i chistoty obrabotannoy poverkhnosty [Assigning the best cutting conditions taking into account working accuracy and the quality of machined surface]. Avtomaticheskoye regulirovaniye protsessov rezaniya po temperature: sbornyk nauchnikh trudov YaPI, RATI [Automatic temperature-control of cutting processes: collection of research papers YSTU, RATI]. Yaroslavl, YSTU Publ., 1976, pp. 142 - 152. (In Russian)
9. Silin S. S., Bezyazychniy V. F. & Sharova T. V. Opredeleniye rezhimov rezaniya pry tochenii diskov po zadannomu urovnyu ostatochnykh napryazheniy na poverkhnosty detaly [Disk cutting speeds determination according to the given level of an item's surface residual stress]. Proizvoditelnaya obrabotka i tekhnologicheskaya nadezhnost detaley mashin: sbornyk nauchnikh trudov YaPI, RATI [Effective cutting and technological reliability of machine ele-
ments: collection of research papers YSTU, RATI]. Yaroslavl, YSTU Publ., 1977, pp. 41-43. (In Russian)
10. Korotin B. S. Vliyaniye temperatury rezaniya na obrazovaniye ostatochnikh naprya-zheniy pry mekhanicheskoy obrabotke [The influence of cutting temperature on residual stress formation in the process of machining]. Proizvoditenlnost i kachestvopry obrabotke zharopro-chikh i titanovikh splavov: sbornyk nauchnikh trudov KUAI [Performance and quality rate of treating heat-resistant and titanium alloys: collection of research papers KUAU]. Kuybyshev, KUAU Publ., 1967, issue XXV, pp. 94-98. (In Russian)
11. Matalin A. A. Tekhnologicheskiye metody povisheniya dolgovechnosty detaley mashin [Processing methods of improving lasting properties of machine components]. Kiev, Tekhnika Publ., 1971, 142 p. (In Russian)
12. Podzey A. V., Sulima A. M., Evstigneyev M. I. & Serebrennikov G. Z. Tekhnologicheskiye ostatochniye napryazheniya [Process residual stress]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1973, 216 p. (In Russian)
13. Yakobson N. O. Sherokhovatost, naklep i ostatochniye napryazheniya pry mekhanicheskoy obrabotke [Roughness, work hardening and residual stresses in process of machining]. Moscow, Mashgiz Publ., 1956, 232 p. (In Russian)
14. Ivanov I. A., Potakhov D. A. & Urushev S. V. Otsenka prochnosty rezhushchego instrumenta dlya obtochky zheleznodorozhnykh koles pry temperaturno-silovom vozdeistvii [Cutting tool strength assessment for railroad wheels turning with thermal and force stress]. Vestnik transporta Povolzhya [Bulletin of the Volga region transport], 2013, no. 4 (40), pp. 28-36. (In Russian)
15. Ivanov I. A., Potakhov D. A. & Urushev S. V. Analiz napryazhennogo sostoyaniya rezhushchego instrumenta pry obtochke kolesnykh par [The analysis of cutting tool stress state in the process of wheelset turning]. Byulleten rezultatov nauchnykh issledovaniy [Bulletin of research findings], 2014, no. 1 (10), pp. 114-124. (In Russian)
16. Ivanov I. A., Gubenko S. I. & Vororbyev A. A. K voprosu o vliyanii struktury po-verkhnosty sloya na ekspluatatsionniye svoistva zheleznodorozhnogo kolesa [On the influence of the surface structure on performance characteristics of the railroad wheel]. Transport Urala [Transport of the Ural], 2010, no. 2, pp. 56-60. (In Russian)
17. Urushev S. V., Ivanov I. A. & Kononov D. P. Upravleniye kachestvom tselnokatnykh koles zheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava [Quality control of the rolling stock wrought wheels]. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2004, issue 2, pp. 66-71. (In Russian)
18. Vatulin Y. S., Ivanov I. A. & Potakhov D. A. Regulirovaniye parametrov protsessa mekhanicheskoy obtochky tselnokatnykh koles [Process monitoring of wrought wheels machining]. Pribory i metody izmereniy, kontrolya kachestva i diagnostiky vpromishlennosty i na transporte: materialy Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiyem [ Tools and measuring procedures of quality control and diagnostics in industry and on transport: proceedings of All-Russian research and technical conference with international participation]. Omsk, OmGUPS Publ., 2013, pp. 164-171. (In Russian)
КОНОНОВ Дмитрий Павлович - канд. техн. наук, доцент, [email protected] (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
