CC BY
67
УДК 621.941.1
А. А. Николаев
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
ПРЕДПОСЫЛКИ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ ПРИ РЕМОНТЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС
Рассмотрены основные способы обработки поверхности катания вагонных колесных пар, приведено сравнение методов восстановления. Показана возможность применения процесса шлифования при восстановлении профиля поверхности катания железнодорожного колеса. Выявлены преимущества использования высоких скоростей резания при шлифовании. Обоснованы применение метода силового шлифования при ремонте, а также - высокопористых абразивных кругов для обработки. Рассмотрено влияние пористости шлифовального круга на качество обработанной поверхности.
шлифование, колесная сталь, высокопористые круги.
Введение
Восстановление профиля поверхности катания требует соблюдения противоречивых условий: необходимости обеспечения повышающихся с ростом скоростей подвижного состава требований к биению и шероховатости обработанных поверхностей, сокращения расходов на режущие инструменты при сохранении или увеличении достигнутой производительности токарной обработки. Решение этих задач осложняется в связи с глубиной термомеханических повреждений и тенденцией увеличения твердости колесной стали [1].
1 Способы восстановления профиля поверхности катания
Из отечественной и зарубежной практики известно о применении при восстановлении профиля поверхности катания колес подвижного состава ряда способов. Эффективность того или иного способа характеризуется прежде всего производительностью и экономичностью обработки. Наиболее распространенными процессами восстановления профиля катания колесных пар механической обработкой являются точение и фрезерование.
На ремонтных предприятиях для восстановления поверхности катания колесных пар из многочисленных возможных способов в настоящее время используется два способа восстановления: обточка по копиру на колесото-
139
карных станках c выкаткой из-под подвижного состава и без выкатки, фрезерование фасонными фрезами на колесофрезерных станках без выкатки колесных пар из-под состава.
Исследования перспектив применения шлифования для восстановления профиля поверхности катания колесных пар проводятся с 70-х годов ХХ века, но не было предпринято серьезных шагов по внедрению этого метода в производство. В наши дни продолжаются попытки внедрения технологии абразивной обработки поверхностей катания, например технология местного врезного шлифования [2] для удаления термомеханических повреждений, но она требует введения в технологический процесс дополнительного оборудования, что увеличивает время на обработку. Кроме этого, экспериментальные работы по шлифованию колесной стали проводились в научно-техническом центре завода «Ильич» [3].
Применение шлифования для восстановления профиля поверхности катания железнодорожных колес является очень актуальным в связи с повышением твердости колесной стали. На сегодняшний день по ГОСТ 10791-2011 твердость стали марки Т на глубине 30 мм от поверхности катания составляет не менее 320 МПа. Сталь колес повышенной твердости отличается сниженной обрабатываемостью [4]. Производительность процесса обработки таких колес оказывается низкой.
В машиностроении определилась тенденция создания высокопроизводительных процессов металлообработки. К ним относится увеличение скоростей резания. Например, обычному шлифованию соответствуют скорости 20...35 м/с, установленные исходя из прочности кругов еще в начале прошлого века. Согласно ГОСТ 23505-79, скоростным называют шлифование с рабочей скоростью круга от 35 до 60 м/с, высокоскоростным - свыше 60 м/с.
Многие ученые отмечают широкие возможности высокоскоростного шлифования. Это связано с увеличением скорости съема металла в 5-10 и более раз при сохранении требуемых параметров точности и качества обработки [4]. Высокие результаты обработки объясняются увеличением в единицу времени количества абразивных зерен, участвующих в процессе съема металла при шлифовании.
Шлифование с повышенными скоростями приводит к возрастанию интенсивности теплообразования и, как следствие, к высоким контактным температурам в зоне обработки.
2 Особенности процесса шлифования
В отличие от точения при шлифовании уменьшается время контакта режущей кромки абразивного зерна с обрабатываемой деталью и образующейся стружкой и увеличивается доля «холостого хода» абразивного зерна,
140
в течение которого оно охлаждается. Эти процессы приводят к тому, что основная часть тепла, выделяющегося при шлифовании, отводится из зоны резания в режущий инструмент или через режущий инструмент в окружающую среду. А при увеличении скорости шлифовального круга пропорционально возрастает и скорость вращения обрабатываемой детали для сохранения постоянства отношения этих скоростей, что в свою очередь приводит к перераспределению тепловых потоков в зоне обработки: все меньше тепла уходит в заготовку и больше тепла удаляется вместе со стружкой.
Шлифование выполняется шлифовальным (абразивным) кругом, ко -торый состоит из абразивных зерен, связки и пор. К шлифовальному кругу предъявляют разнообразные требования. Он должен быть достаточно прочным, жестким, твердым, теплостойким.
Структуру шлифовального круга характеризует доля пор в объеме абразивного круга. Различают плотные структуры, средние и открытые. При выборе структуры учитывают пластичность обрабатываемого материала и особенности метода шлифования. Так, например, шлифование с повышенной объемной производительностью (особенно врезное шлифование) требует применения открытых структур [5].
Отрицательным фактором, повышающим температуру шлифуемой поверхности, является трение связки абразивного круга об обработанную поверхность детали. В связи с этим при высокоскоростном шлифовании не следует применять плотных структур, а напротив, целесообразно увеличивать пористость структуры круга, применять материалы, снижающие интенсивность теплообразования при больших скоростях резания.
При наличии пор на рабочей поверхности шлифовального круга, где может собираться стружка, повышается режущая способность инструмента, так как увеличивается время, когда может наступить его засаливание, то есть потеря режущих свойств за счет заполнения пор стружкой.
Работа резания при шлифовании - это в основном работа трения абразивных зерен об обрабатываемую поверхность, удельный вес которой составляет до 70-80 % от общих энергетических затрат на съем материала [6]. Это обусловлено тем, что часть абразивных зерен, которые находятся на рабочей поверхности шлифовального круга, не участвуют в процессе резания, а только деформируют (сминают) обрабатываемый материал, являясь существенным источником при теплообразовании.
Поэтому применение шлифовальных кругов с уменьшенным содержанием абразивных зерен в объеме инструмента и, соответственно, на его рабочей поверхности является фактором снижения работы трения при шлифовании и интенсивности теплообразования.
При меньшем количестве зерен на рабочей поверхности инструмента все большее их число будет участвовать в работе резания и более полно будет использован их режущий потенциал для удаления материала.
141
Заключение
Применение высокопористых абразивных кругов с повышенной режущей способностью обеспечивает минимальную интенсивность теплообразования при шлифовании, а повышение скорости обработки в сочетании с оптимизацией других параметров режима обеспечивает минимальный нагрев обрабатываемой заготовки. Таковы предпосылки для реализации и управления процессом шлифования поверхности катания колесных пар.
Библиографический список
1. Ресурс и ремонтопригодность колесных пар подвижного состава железных дорог : монография / под ред. проф. И. А. Иванова. - М. : Инфра-М, 2011. - 264 с.
2. Обеспечение работоспособности цельнокатаных колес повышенной твердости, поступающих в ремонт с термомеханическими повреждениями : дис. ... канд. тех. наук / А. В. Обрывалин. - Омск, 2010. - 146 с.
3. Высокопористые круги - эффективное средство повышения производительности шлифования и качества деталей из различных материалов / З. И. Кремень // Инструмент и технологии. - 2001. - № 5-6. - С. 34-37.
4. Особенности функционирования колесных пар с повышенной твердостью обода / И. А. Иванов, В. С. Кушнер, А. А. Воробьев, Н. Ю. Шадрина // Новые материалы и технологии в машиностроении : сб. науч. тр. по итогам международ. науч.-техн. конф. - Брянск : БГИТА, 2005. - Вып. 4. - С. 64-70.
5. Высокоскоростное шлифование колес вагонов / Л. Н. Филимонов. - Л. : Машиностроение, 1979. - 247 с.
6. Резание материалов. Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании : учебник для техн. вузов / С. А. Васин, А. С. Верещака, В. С. Кушнер. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. - 448 с.
7. Шлифование высокопористыми кругами / В. К. Старков. - М. : Машиностроение, 2007. - 688 с.
8. Теория и практика управления производительностью шлифования / Е. П. Калинин. - СПб. : Изд-во политехн. ун-та, 2009. - 358 с.
© Николаев А. А., 2014
142
