CC BY
109
УДК 629.488.2
П. М. Терехов, Д. А. Потахов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ НА ТОЧНОСТЬ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ КОЛЕСНЫХ ПАР
БЕЗ ВЫКАТКИ
Рассмотрены вопросы точности восстановления профиля колесных пар подвижного состава без выкатки. Описаны основные факторы, оказывающие влияние на шероховатость обработанной поверхности и радиальное биение колеса по кругу катания. Приведены результаты экспериментов по определению влияния параметров режимов резания на шероховатость и радиальное биение колес после восстановления. На основании проведенных исследований сделаны выводы о преимущественном влиянии особенностей конструкции сборной фрезы на шероховатость поверхности катания бандажей, восстановленных на колесофрезерных станках, и о возможности использования методики, базирующейся на суммировании первичных погрешностей обработки, для определения радиальных биений.
колесная пара, восстановление поверхности катания, шероховатость поверхности катания, радиальное биение.
Введение
В ГОСТ 11018-2000 приводятся основные требования, предъявляемые к колесным парам тягового подвижного состава. Среди прочих требований к точности колес стандартом регламентируются два параметра, на которые оказывает прямое влияние технология восстановления профиля поверхности катания бандажей. Такими параметрами являются допуск радиального биения круга катания колес относительно центров оси, ограничиваемый в зависимости от скорости движения локомотива величинами 1,0 мм, 0,5 мм или 0,3 мм, а также шероховатость поверхности катания и гребня Яа < 10 мкм.
На сегодняшний день для восстановления поверхности катания колес -ных пар тягового подвижного состава на отечественных железных дорогах широко используется метод фасонного фрезерования. На начало 2012 года треть исправных станков без выкатки колесных пар, используемых на Октябрьской железной дороге - филиале ОАО РЖД, являются колесофрезерными. Для некоторых депо, например ТЧР-2 (Санкт-Петербург-Пассажирский-
76
Московский), ТЧР-9 (Санкт-Петербург-Сортировочный-Витебский), данные станки являются единственными станками, позволяющими восстанавливать поверхность катания колесных пар без их выкатки.
К достоинствам фасонного фрезерования относят: простоту конструкции станка, независимость показателей технологического процесса от факторов квалификации станочника, точности настройки станка и др. Недостатками метода являются: сложный и дорогостоящий инструмент, сравнительно невысокое качество получаемой поверхности и низкая стойкость режущего инструмента (твердосплавных пластин). В отличие от большинства колесотокарных станков, используемых на отечественных железнодорожных предприятиях, восстановление поверхности катания бандажей на фрезерных станках происходит без выкатки колесных пар из-под подвижного состава, значит отсутствует необходимость в проведении ряда трудоемких вспомогательных операций: отсоединения концов тягового двигателя, подъема кузова, выкатки тележки и т. д.
1 Оценка влияния режимов резания на шероховатость поверхности бандажа при восстановлении профиля на колесофрезерных станках
Фактическая шероховатость поверхности, по данным [1], определяется как совокупность высот неровностей, обусловленных различными причинами, среди которых указываются: Ra - высота неровностей, обусловленная особенностями формообразования поверхности; R - высота неровностей, являющаяся следствием пластического деформирования материала перед лезвием инструмента; R - высота неровностей, получаемая за счет упругого восстановления материала после прохода режущего инструмента; Rji - высота неровностей, создаваемая микронеровностью лезвия инструмента; Ru - высота неровностей, образованная отходящей стружкой; R>k - высота неровностей, образуемая за счет недостаточной жесткости системы станок-приспособле-ние-инструмент-деталъ.
Для изделий, обработанных сборными фасонными фрезами, высота неровностей, связанная с особенностями формообразования поверхности, зависит от характера обрабатываемого профиля и конструктивных параметров фрезы: диаметра твердосплавных пластинок, числа ножей фрезы, смещения твердосплавных пластинок на ножах. Зависимости, определяющие высоту неровностей для различных типов образующей восстанавливаемого профиля: прямой, выпуклой или вогнутой кривой, приведены в работе [3]. Для оценки влияния других неровностей: R^, R R^ Ru, R>k на суммарную шероховатость поверхности бандажа после восстановления целесообразно воспользоваться методом многофакторного анализа. В качестве факторов, обобщающих вли-
77
яние составляющих Япл, R R, R, Rж на суммарную шероховатость, можно принять параметры режима резания.
Для определения зависимости шероховатости поверхности от режимов резания был проведен полный факторный эксперимент с варьированием двух параметров: глубины врезания e и минутной подачи S . Для повышения достоверности и предотвращения влияния на результаты опытов грубых ошибок измерение шероховатости проводилось неоднократно. Шероховатость измерялась аттестованным профилометром модели SURFTEST SJ-210 производства Mitutoyo (Япония, рис. 1).
Рис. 1. Измерение шероховатости поверхности катания бандажей в условиях производства
По результатам опытов определялась степенная зависимость, обобщающая влияние на шероховатость бандажа факторов минутной подачи S и глубины врезания е. Диапазоны варьирования параметров были выбраны в соответствии с используемыми в производственных условиях режимами восстановления (скорость главного движения V = 46 м/мин, глубина врезания 1-3,5 мм, минутные подачи 35-87 мм/мин). План эксперимента и его результаты приведены в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1. Результаты измерения шероховатости поверхности катания
Номер опыта Факторы Значения функции отклика Дисперсия в опыте S2 г Ошибка опыта S г
е, мм S , мм/мин Ra 1 Ra2 Ra 3 Ref'1’
1 1,0 35 8,43 9,87 8,31 8,87 0,75 0,87
2 1,0 87 8,59 8,64 9,25 8,83 0,14 0,37
3 3,5 35 9,74 8,53 8,62 8,96 0,45 0,67
4 3,5 87 9,19 10,27 10,31 9,92 0,40 0,64
78
По данным параллельных наблюдений в каждом опыте определялись дисперсия результатов измерения S2 и среднее квадратичное отклонение результатов в каждом опыте S где i - номер опыта, кроме того, вычислялось среднее значение дисперсии в эксперименте S2 = 0,44. По критерию Кохрена проверялась однородность дисперсий всех опытов в эксперименте, для этого рассчитывалось значение G = 0,4445 и сравнивалось с критическим значением G , для 5%-ного уровня значимости G = 0,7679 [4]. На основании сравнения рассчитанного и критического значений был сделан вывод о достаточной однородности результатов эксперимента.
Значения постоянного коэффициента и показателей степени рассчитывались методом наименьших квадратов:
R
7,2 • е0’051 • S
0,053
мин
(1)
В ходе дальнейшего математического анализа экспериментальных данных была проверена значимость коэффициентов регрессии, определяющих показатели степени факторов в формуле (1). Для этого были определены /-критерии, представляющие собой отношение абсолютной величины оцениваемого коэффициента к величине его квадратичной ошибки.
Рассчитанное значение /-критерия сравнивалось с табличным критерием Стьюдента /крит, определяемым в зависимости от числа степеней свободы f = N (n -1), где n - число наблюдений в опыте, N - число опытов [4]. Для 5 %-ного уровня значимости и принятого плана эксперимента /крит = 2,18.
Рассчитанные критерии для показателей степени глубины врезания е и минутной подачи S соответственно равны: t = 1,54, /2 = 1,17. Таким образом, в рассматриваемом интервале варьирования факторов е и Suan ни один из них не оказывает существенного влияния на шероховатость обработанной поверхности и единственным значимым фактором являются конструктивные параметры сборной фрезы.
2 Оценка влияния режимов резания на радиальное биение поверхности бандажа при восстановлении на колесофрезерных станках
Величина радиального биения по кругу катания колеса определяется суммированием первичных погрешностей механической обработки. По данным [2], к первичным погрешностям можно отнести: Ду - погрешность, возникающую в результате упругих отжатий технологической системы; s - погрешность установки заготовки; Дн - погрешность настройки технологической системы на размер; Ди - погрешность, вызванную размерным износом инструмента; Дт - погрешность, вызванную тепловыми деформациями системы; 1Д -
79
погрешность, возникающую в результате деформаций заготовки под влиянием сил закрепления, из-за геометрической неточности станка и неодинаковых по сечениям заготовки упругих отжатий технологической системы. Анализ операции восстановления профиля бандажей на колесофрезерных станках позволяет определить, что первичные погрешности s, ИДф, Дн не оказывают существенного влияния на радиальное биение бандажа по кругу катания.
Погрешность Ду, возникающая в результате упругих отжатий, зависит от жесткости станка J (смещения узлов металлорежущих станков под нагрузкой) и изменения с течением времени радиальной проекции сил резания PV:
Д у = Р. (2)
и
Величина технологической составляющей силы фрезерования PV может быть определена аналитически [5], на основе термомеханического подхода к резанию металлов.
Погрешность, связанная с размерным износом инструмента Д определяется в зависимости от высоты фаски износа по задней поверхности h образующейся за период обработки колесной пары, в соответствии с формулой:
Д
и
h3 ,
ctg a-tg Yf ’
(3)
где a - главный задний угол; yf - угол наклона упрочняющей фаски.
Величину погрешности Д возникающую вследствие тепловых деформаций, для сложных технологических систем принято рассматривать как величину случайную и принимать [2]:
Д = 0,1Д.
т ’
(4)
Еще одной элементарной погрешностью, оказывающей влияние на радиальное биение по кругу катания бандажа, является высота неровностей «огранки», образующихся при получении тел вращения фрезерованием. Высота таких неровностей определяется формулой [3]:
НТ ~ (^фр + Rk )cos Р yJR фр (Rp + Rk ) sin Р Rk ; Р
S,
2 R
(5)
где Нт - высота неровностей, определенная в плоскости, перпендикулярной оси вращения фрезы; Rф, Rк - радиус фрезы и колеса соответственно; Sz - подача на зуб.
80
Учитывая линейность технологической системы, общую погрешность обработки на колесофрезерных станках можно определить суммированием элементарных погрешностей, определяемых зависимостями (2) - (5).
Проверка достоверности рассчитанных значений погрешности проводилась в ходе опытов по определению радиальных биений бандажей, восстановленных на колесофрезерном станке при различных режимах резания. Измерение радиального биения проводилось индикатором часового типа для колесных пар, обработанных на режимах, указанных в таблице 2. Штатив со стойкой и закрепленным индикатором часового типа размещался на приспособлении, установленном на станке (использованная схема установки оборудования представлена на рисунке 2).
ТАБЛИЦА 2. Результаты измерения радиального биения по кругу катания
Номер опыта Факторы Значения функции отклика А , мкм Значение, полученное аналитически, А , мкм теор7 А экс А теор о/ А , % теор
е, мм S , мм/мин
1 1,5 35 98 110 -10,91
2 1,5 45 119 117 6,84
3 1,5 87 143 131 9,16
4 2,0 63 127 129 -1,55
5 3,5 35 175 173 1,16
6 3,5 87 226 240 -5,83
Рис. 2. Измерение радиального биения обработанной поверхности
после восстановления
81
Для оценки доверительного интервала измеряемой величины в центральной точке плана эксперимента (£мин = 63 мм/мин, e = 2 мм) проводились четыре параллельных опыта. Результаты опытов оценивались средним значением радиального биения Д1^, дисперсией S2 и средним квадратичным отклонением, приведенными в таблице 3.
ТАБЛИЦА 3. Определение доверительного интервала при измерении радиального биения
Измеренные радиальные биения Дисперсия в опыте S2 Ошибка опыта S
Д1 , экс7 мкм Д2 , экс7 мкм Д3 , экс7 мкм Д4 , экс7 мкм Дср, экс7 мкм
122 129 124 131 126,5 17,7 4,2
Результаты опытов оценивались процентным расхождением радиальных биений, рассчитанных по формулам (2) - (5) и измеренных в ходе эксперимента. Для проверки гипотезы адекватности предложенной методики определения радиальных биений экспериментальным данным была определена дисперсия адекватности:
S
N
2 _ ■
ад
2 (^экс ^ теор )
f
(5)
где Дэкс - измеренные радиальные биения; Дтеор - рассчитанные радиальные биения; f = N - (k + 1) = 3 - число степеней свободы; k - число факторов; N - число опытов.
Дисперсия адекватности в опытах S^ = 165,33. Проверка гипотезы адекватности проводилась по критерию Фишера, для этого находилось расчетное значение критерия: Fp = S^/ S2 = 9,36 и сравнивалось с табличным значением F) = 10,1. Так как F? < F'т, то предложенная методика расчета радиальных биений поверхности катания после восстановления на колесофрезерных станках адекватна результатам экспериментов.
Заключение
На основании экспериментальных данных определено, что фактором, оказывающим преимущественное влияние на шероховатость поверхности бандажа после восстановления на колесофрезерных станках, является высота неровностей, связанная с особенностями конструкции сборной фрезы. В ходе
82
проведенных экспериментов не выявлено значимого влияния изменения параметров режимов резания на шероховатость профиля поверхности катания бандажей, восстановленных на колесофрезерных станках.
На величину радиального биения бандажа по кругу катания, получаемого после восстановления на колесофрезерных станках, оказывают значительное влияние используемые режимы резания. Для определения радиальных биений предложена методика, основывающаяся на расчете первичных погрешностей. Сопоставление измеренных и рассчитанных радиальных биений подтверждает достаточную достоверность предложенной методики.
Библиографический список
1. Kalpakjian, S., Schmid, S. (2009). Manufacturing Engineering and Technology, Pearson Education, 1197 p.
2. Основы технологии машиностроения / В. М. Кован, В. С. Корсаков, А. Г. Коси-лова и др. ; под ред. В. С. Корсакова. - М. : Машиностроение, 1977. - 416 с.
3. Исследование твердосплавных фрез для обработки деталей со сложным профилем : дис. ... канд. техн. наук / A. C. Киселев. - М., 1970. - 198 с.
4. Wu, C. F. J., Hamada, M. S. (2009). Experiments : Planning, Analysis and Optimization, Wiley, 743 p.
5. Определение сил резания, возникающих при восстановлении поверхности катания бандажей повышенной твердости / П. М. Терехов, А. А. Воробьев, Р А. Сахаров // Известия ПГУПС. - 2013. - № 1 (з4). - С. 158-165.
© Терехов П. М., Потахов Д. А., 2014
83
