Термомеханический анализ режимов резания и параметров режущих инструментов при восстановлении профиля вагонных колес

скорости слежения, то есть скорость обхода по контуру, является одним из параметров назначаемых режимов резания — подачей. Таким образом, от величины скорости обхода по контуру зависит погрешность копирования, то есть точность обработки детали, поэтому увеличению точности обработки способствует уменьшение скорости обхода по контуру (подачи) до минимальной величины.

Кроме того, выявлено, что при прохождении участков контура копира, где происходит реверс гидродвигателя, наблюдается увеличение погрешности копирования из-за наличия зоны нечувствительности дросселирующих распределителей.

Библиографический список

1. Лещенко В.А. Определение устойчивости гидравлического следящего привода методом гармонической линеаризации нелинейности. «Станки и инструменты», 1963, № 6.

ПОПОВ Петр Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты».

Дата поступления статьи в редакцию: 04.07.2007 г. © Попов П.Е.

УДК 621.91.62 - 253/ - 254 В. С. КУШНЕР

А. А. КРУТЬКО

Омский государственный технический университет

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИИ АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ПРОФИЛЯ ВАГОННЫХ КОЛЕС

В статье показано, что условия термомеханического нагружения, деформация и изнашивание режущих лезвий могут быть охарактеризованы двумя факторами: температурой формоустойчивости и отношением касательных напряжений к пределу прочности на изгиб. Получены формулы для расчета этих факторов. Даны рекомендации по оптимизации геометрических параметров режущих пластин.

Применяемая на предприятиях Министерства путей сообщения РФ технология восстановления профиля вагонных колес характеризуется значительным расходом режущих инструментов [1]. Расходы на режущий инструмент составляют около половины себестоимости обработки колес. В связи с этим уменьшение затрат на режущий инструмент при восстановлении профиля железнодорожных колес актуально.

Анализ применяемых на производстве режимов показал, что они, как правило, примерно вдвое превышают уровень режимов, рекомендуемый ведущими отечественными (КЗТС) и зарубежными (Сандвик) производителями режущих инструментов. Фактическое применение завышенных режимов резания стимулируется применяющейся системой оплаты труда станочников, ориентированной только на производительность обработки и не учитывающей резко возрастающие при этом расходы на режущий инструмент. Значительный расход режущих пластин, очевидно связан с отсутствием необходимого технологического контроля за уровнем применяемых режимов резания.

Актуальность технологического контроля за уровнями применяющихся режимов резания возрастает в связи с тенденцией повышения твердости материала колес с 2850 до 3200 - 3600 МПа [3].

Обработка колесных пар осуществляется инструментом с механическим креплением твердосплавных режущих пластин марок Т5К10 призматической формы с радиусом закругления при вершине г = 4 мм и чашечными твердосплавными режущими пластинами Т14К8 (г = 15 мм) [1]. Усредненные параметры режима резания для станков 1836 КЗТС, 165 Хегенштайдт находились в пределах: 8 = 1,3 — 2,5 мм/об, I = 4 — 6 мм, V = 40 — 60 м/мин [1, 3]. При применяемых режимах резания стойкость инструмента в среднем составляла около 15 — 20 мин, а путь резания — около 0,75 — 1 км [3].

Как показывают эксперименты [2] (рис.1), для черновой обработки стали У8 более высокой твердости, зависимости ширины фаски износа от пути резания имели вид выпуклых кривых. При этом интенсивность изнашивания с ростом ширины фаски износа и пути резания снижалась. При черновой обработке менее прочной стали 18ХГТ, зависимости ширины фаски из-

а)

3 :

лш 0.8

0,6

0,4

0.2

I /

/ /

2

б) 4. *!';

0.8

0,6

0,4

0.2

У

/

1 'Хх. V Г 2

1

ни

I

К.Ы

Рис. 1. Зависимость ширины фаски износа и интенсивности изнашивания от пути резания при точении: 1 - стали У8 резцом Т5К10, 8=0,8 мм/об, У=102 м/мин; 2 - стали 18ХГТ резцом Т5К10 с ограниченной переходно-зачищающей кромкой, 1=1,5 мм, 8=0,78 мм/об, У=198 м/мин

носа от пути резания описывались вогнутыми кривыми. Интенсивность изнашивания в области меньших значений ширины фаски была примерно постоянной и находилась на приемлемом уровне 0,1*10-6, а при достижении некоторых значений ширины фаски резко возрастала.

Анализ этих зависимостей позволил предположить, что различие закономерностей изменения ширины фаски износа с увеличением пути резания для обработки сталей различной твердости связано с тем, что изнашивание и формоизменение режущего лезвия в общем случае зависит не только от температурных факторов, но и от напряженного состояния режущего лезвия. При этом интенсивность изнашивания инструмента 5, = гй/с// достигала значений порядка 0,8 - 1,0 * 10-6 Они значительно превышали средние уровни интенсивности изнашивания, характерные для обработки сталей твердосплавными инструментами ((0,03 - 0,3)* 10-6. Это также подтверждает, что формоизменение режущего лезвия осуществляется не столько за счет его изнашивания, сколько за счет пластической деформации [2].

Целью настоящей статьи является выбор и обоснование факторов, которые позволили бы осуществить термомеханическое обобщение рациональных режимов резания, формы и геометрических параметров режущих инструментов для условий восстановления профиля железнодорожных колес.

Известно, что уменьшение скорости пластической деформации (ползучести) режущего лезвия может быть достигнуто за счет применения более прочных инструментальных материалов, соблюдения рациональных уровней температуры режущего лезвия (температуры формоустойчивости) и изгибающих напряжений [2].

В ранее выполненных работах по расчету температур для характеристики влияния температуры на изнашивание инструмента использовалась средняя температура по передней и задней поверхностям, т.е. температура резания. Это связано с широким применением метода естественной термопары для экспериментального определения температуры резания. Наши расчеты, выполненные на основе термомеханического подхода [2], показали, что температура

резания практически не возрастает при увеличении ширины фаски износа (рис. 2). В связи с этим по температуре резания нельзя судить о наступлении «катастрофического износа» (рис. 2).

Более точную оценку влияния температуры на пластические деформации режущего лезвия дает возрастающая с увеличением ширины фаски износа температура формоустойчивости (рис.2). Она вычислялась по максимальным температурам передней и задней поверхностей инструмента:

где = 300 "С .

Анализ температур передней и задней поверхностей для фактически применяемых режимов обработки колес и сопоставление их с режимами, рекомендованными «Сандвик» показал, что фактически применяемые режимы резания, завышены по сравнению с нормативными примерно в два раза (рис. 3б). Если при резании с рекомендованными скоростями резания расчетная средняя температура формоустойчивости равна 870 °С, то при точении с применяемыми на практике режимами резания она возрастает до 1000 °С.

Знание рациональных значений температуры формоустойчивости позволяет с помощью имеющихся программ рассчитать соответствующие рациональные режимы резания, в частности скорость резания.

=Г Ю00

П! О.

О. Ш С

ш

900

800

700

—

—

0,1 0,5 1 1,5 Ширина фаски износа, мм

-Температура задней поверхности

-Температура передней поверхности

-Температура резания

-Температура формоустойчи

Рис. 2. Влияние ширины фаски износа на температуры

Рис. 3. Анализ температур передней и задней поверхностей при точении колес призматическими резцами Т5К10, ф=60°, г=4 мм 1 - при рекомендуемых режимах резания; 2 - при фактически применяемых режимах резания.

Использование описанного термомеханического подхода позволяет учесть влияние твердости обрабатываемой колесной стали на рациональную скорость резания (рис. 4).

Из данного графика видно, что рациональным температурам 870 — 900 °С соответствуют скорости резания порядка 15 — 20 м/мин, что существенно ниже фактически применяемых режимов резания (55 — 60 м/мин).

При теоретической оценке погрешностей обработки, связанных с отжимом инструмента силы резания рассчитывались с учетом взаимосвязи механических характеристик обрабатываемого материала и температуры, а также изменение формы и наклона режущих кромок [2].

Сведения о силах резания и, в частности, о силе Ру, оказывающей наибольшее влияние на погрешности, связанные с отжимом инструмента, учитывались при определении рациональных режимов резания.

Известно [5], что кроме температуры, на деформацию твердосплавного режущего лезвия оказывают существенное влияние факторы, характеризующие его напряженное состояние, в частности, касательные напряжения в режущем лезвии, или отношение этих напряжений к допускаемым напряжениям на изгиб. В первом приближении касательные напряжения на поверхностях режущего лезвия могут быть оценены по силам резания [4].

Выполненные расчеты показали, что силы, действующие на остро заточенное режущее лезвие, как правило, значительно отклоняются от биссектрисы угла заострения (рис. 5).

Согласно схеме Мичела [4], с увеличением тангенциальной составляющей Р1 возрастают касательные напряжения Т,, у[ :

^1.1/Л -

% & Р/2 сое" р/2 (к ^

рТЁмГр~ V1 ^ '' '

Ьс

где тв =0,57

Ьс

(Р шР)(я/2 1)-

О

55 45 35 ' 25 15

1 Г

п

/ 1 ] 7

! /

/ ! ?

/

-При НВ=3600 МПа, 1=10 мм, 5=1,6 мм/об, угол в плане 75 град

-При НВ=3600 МПа, мм/об, угол в плане 30 град.,

500 700 900 1100 1300 Температура формоустойчивости, град. Ц.

Рис. 4. Влияние температуры формоустойчивости на скорость резания

Рис. 5. Схема к расчету тангенциальной Р1 и радиальной Р2 сил, действующих на режущий клин

Р=Р,-

№) ^ -Г - Р/2) |

'(¡Р„-Г) см (1С,-Г) (1 +р/2)-Л!; 5Ш(У + Р/2),

Выводы:

На изнашивание и деформации твердосплавных режущих пластин при обработке колесных сталей с увеличенными сечениями срезаемого слоя существенное влияние оказывают факторы, характеризующие условия термомеханического нагружения: температура формоустойчивости и касательное напряжение. Получены формулы для расчета этих факторов. Назначение режимов резания и геометрических параметров инструмента из условий рационального термомеханического нагружения режущего лезвия следует считать эффективным направлением повышения работоспособности режущего инструмента при восстановлении профиля колес.

Библиографический список

1. Иванов И.А. Тепловое состояние инструмента при обработке железнодорожных колес/ И.А.Иванов, И.Г.Киселев, В.И.Крылов //Технологические процессы в машиностроении (технология конструкционных материалов): Усиление связей фундаментальной и технологической подготовки

в техническом университете: Матер. межрегион. науч. -метод. семинара. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006, с.111-116.

2. Васин С.А. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании/ С.А.Васин,

A.С.Верещака, В.С.Кушнер.: Учеб. для техн. вузов. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. - 448 с.: ил.

3. Иванов И.А. О восстановлении профиля поверхности обода колес повышенной твердости/ И.А. Иванов, А.А. Воробьев, В.С. Кушнер, А.С. Безнин// Развитие транспортного машиностроения в России: Матер. междунар. конференции «Желдормашиностроение - 2004».с.150 — 152.

4. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости: Пер. с англ./ Под. ред. Г.С. Шапиро. — 2-е изд. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979, 560 с.

5. Одинг И.А., Иванова В.С., Бурдукский В.В., Геминов

B.Н. Теория ползучести и длительной прочности металлов/ Под ред. И.А. Одинга. — М.: Металлургиздат, 1959, 488 с.

КУШНЕР Валерий Семенович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение и технология конструкционных материалов». КРУТЬКО Андрей Александрович, аспирант кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

Дата поступления статьи в редакцию: 14.03.2007 г. © Кушнер В.С., Крутько А.А.

УДК 621.91.02.669.245

В. С. КУШНЕР, А. Н. ЖАВНЕРОВ, В. А. ГОРШЕНИН

Омский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И НАПРЯЖЕНИИ НА ИНТЕНСИВНОСТИ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ЛЕЗВИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ_

Показана возможность обобщения зависимостей интенсивностей формоизменения инструмента от условий резания с использованием температуры формоустойчивости и касательных напряжений в режущем клине для характеристики процесса ползучести режущего лезвия.

Проблема повышения эффективности обработки никелевых сплавов препятствует обеспечению этих деталей газотурбинных двигателей (ГТД), изготавли- требований.

ваемых из жаропрочных никелевых сплавов, весьма На изнашивание и формоизменение режущего актуальна. Изготовление деталей типа дисков ГТД инструмента оказывает влияние тот факт, что жа-требует обеспечения высокого качества поверхности ропрочные сплавы на никелевой основе, использую-при минимальных допусках. Интенсивное и нерав- щиеся в качестве конструкционных материалов при номерное изнашивание инструмента при обработке изготовлении деталей типа дисков ГТД, сохраняют