СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ КОЛЕС РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА
METHOD FOR RECOVERING PROFILE OF ROLLING SURFACE OF WHEELS OF RAIL VEHICLES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.
Изобретение относится к машиностроению, в частности, к обточке профиля поверхности катания колес рельсового транспорта и может быть использовано для восстановления профиля поверхности катания колес рельсового транспорта (железнодорожный транспорт, метрополитен, трамвай).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.
Обточка обода (профиля) колеса производится во время ремонта с целью восстановления исходного профиля поверхности катания и устранения поверхностных дефектов колеса.
Обточка производится в ремонтных депо на колесо-токарных станках.
Колеса изготавливаются из колесной стали (ГОСТ 10791-2011 и ТУ 0943-157-01124328-2003). При обточке колес интенсивно изнашивается и разрушается режущий инструмент из твердых сплавов.
В патенте RU 2211747 для повышения ресурса работы инструмента, используемого при обработке колеса с термомеханическими дефектами в виде наваров и ползунов, предварительно выявляют на профильной части колеса наличие термомеханического дефекта (дефектов) в виде навара или ползуна с видимыми дугообразными трещинами и/или наплывами металла и по ним определяют направление вращения колеса до момента формирования дефекта при юзе колеса по рельсу. Затем осуществляют установку колесной пары на металлорежущий станок и перемещение срезаемого объема профильной части колеса относительно режущей кромки инструмента путем вращения колесной пары вокруг своей оси в направлении, противоположном направлению вращения колесной пары до момента формирования указанного термомеханического дефекта при юзе колеса по рельсу. При этом твердость дефектов остается исходной.
Некоторые дефекты колес обладают высокой твердостью, поэтому возникают сложности при их обработке резцом - приходится подрезаться под этот дефект и снимать полезный слой металла колеса. В результате дальнейший пробег колеса резко сокращается.
Для улучшения обрабатываемости профиля колеса и снижения износа резца нужно снизить твердость и прочность поверхностного слоя (слой, который снимается при однократной механической обработке). Твердость и прочность могут быть снижены при нагреве обрабатываемого колеса. Например, по некоторым данным при нагреве до 500°С твердость и прочность снижается примерно в 2 раза.
В предшествующем уровне техники раскрыто множество технических решений, в которых предлагается нагревать обрабатываемую поверхность в процессе резания.
В некоторых технических решениях, раскрываемых в уровне техники, речь идет о возможности осуществления нагрева поверхности, подвергаемой какой-либо лезвийной обработке, с помощью трения. Так в патенте RU 2274524 раскрывается способ высокоскоростной фрикционно-лезвийной обработки плоских поверхностей.
Способ предусматривает черновую фрикционную обработку заготовки и чистовую обработку путем лезвийного резания фрезой при вращательном и поступательном перемещении сборного режущего инструмента со скоростью 150-200 мм/мин. Под сборным режущим инструментом в данном изобретении понимается торцевая фреза, размещенная в металлическом стакане. При этом хвостовик фрезы установлен в центральном отверстии дна стакана, вершины режущих пластин фрезы размещены ниже нижнего торца стакана на расстоянии, равном глубине лезвийного резания, и на расстоянии 7-20 мм от наружной поверхности стакана, а для подогрева обрабатываемого металла до температуры 450-550°С черновую обработку проводят нижним торцом стакана. Сам фрикционный элемент - стакан выполнен из стали 45 или стали 40Х.
Как следует из описания известного способа, техническим результатом является повышение производительности обработки и качества обработанной поверхности плоских поверхностей.
Предложенный способ имеет следующие недостатки, что делает его непригодным для восстановления профиля поверхности катания колесных пар рельсового транспорта: обрабатываемая поверхность не является плоской поверхностью. В качестве фрикционного элемента используется стальной стакан. При трении стали по стали обязательно будет происходить явление схватывания стального стакана со стальной поверхностью колеса. Это приведет к постоянным интенсивным повреждениям на поверхностях колеса и стакана. Поэтому эти повреждения будут усугубляться по мере обработки. Кроме того фрикционный элемент жестко соединен с корпусом фрезы, что не позволяет вести одновременный нагрев и резание в оптимальных режимах. Это объясняется тем, что оптимальное давление на фрикционный элемент и оптимальное давление (усилие резания) на режущий инструмент отличаются.
В патенте RU 2096137, являющимся наиболее близким к предложенному способу, для устранения наклепа и дефектов типа нарушения сплошности на поверхности катания колесных пар обработку резанием проводят с плазменным подогревом обрабатываемой поверхности плазменной дугой прямого действия, для чего ее размещают перед резцом на расстоянии 100-200 мм с зазором 25-30 мм между плазмотроном и поверхностью катания, а глубину резания и ток дуги устанавливают в зависимости от глубины обнаруженных дефектов на поверхности катания.
В патенте сообщается о том, что условия резания в соответствии с данным способом, обеспечивают качество подготовки поверхности к последующей чистовой обработке копировальным суппортом, способствуют сохранению стойкости резцов и позволяют выполнить черновую обработку поверхности катания обдирочным суппортом за один проход от наружного торца до гребня колеса.
Однако, в данном методе наклеп устраняется необратимо (тем более с учетом частичного оплавления), что приведет к ухудшению механических свойств, в частности твердости, оставшегося после обточки поверхностного и приповерхностного слоя. Кроме того, речь идет о сохранении стойкости резцов, т.е. о неухудшении этой стойкости по сравнению с ранее известными технологиями восстановления поверхности колес.
К недостаткам известного технического решения следует также отнести применение для его реализации сложного оборудования с мощным энергопотреблением и невозможность контроля глубины нагретого слоя.
Все это представляет определенные технические проблемы для восстановления профиля поверхности колесных пар рельсового транспорта.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Задачей изобретения является упрощение восстановления профиля поверхности катания колес рельсового транспорта, повышение стойкости режущего инструмента, т.е. увеличения срока службы резца и устранение вышеописанных технических проблем, а именно: необратимого ухудшения механических свойств, в частности твердости, оставшегося после обработки поверхностного и приповерхностного слоя колеса.
Поставленная задача решается способом восстановления профиля поверхности катания колес рельсового транспорта, в соответствии с которым осуществляют нагрев поверхностного слоя вращающегося колеса фрикционным элементом и обточку упомянутого поверхностного слоя вращающегося колеса резцом, где в качестве фрикционного элемента используют тормозную колодку, соответствующую упомянутому колесу рельсового транспорта, а нагрев поверхностного слоя вращающегося колеса осуществляют с усилием прижима тормозной колодки от 0,5 до 2 МПа.
При этом тормозную колодку устанавливают так, что центральный угол между резцом и тормозной колодкой составляет от 2 до 180°.
В заявленном способе возможно проведение дополнительного этапа обточки без нагрева поверхностного слоя тормозной колодкой.
В заявленном способе возможно проведение нагрева перед обточкой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 приведена схема обточки обода колеса
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сущность предложенного способа состоит в следующем.
Способ предусматривает восстановление профиля поверхности катания колес рельсового транспорта путем обточки поверхностного дефектного слоя. Дефекты могут присутствовать в виде повреждений контактно-усталостного характера (выщербины и раковины на поверхности катания), а могут представлять собой включения мартенситной структуры, возникающей в результате перегрева при сильном фрикционном воздействии, например, при внезапном торможении. Профиль колеса может не соответствовать требованиям эксплуатации (ГОСТ 11018, ГОСТ 9036 и др.) вследствие износа.
Такие структуры обладают повышенной твердостью и при обточке, как уже указывалось, приходится подрезаться под дефекты и снимать больший по объему полезный слой металла колеса. Резец в таких случаях обладает малым сроком службы - ломается и выходит из строя.
В этих случаях целесообразно подогревать поверхностный дефектный слой, что благоприятно сказывается как на стойкости резца, так и на качестве обточки.
Для обеспечения нагрева в способе в соответствии с изобретением используется фрикционный нагрев поверхностного слоя колеса с помощью тормозной колодки, которая предназначена для эксплуатации вместе с обтачиваемым колесом. Такая тормозная колодка не создает дополнительных дефектов, опасных для эксплуатации, на поверхности колеса, т.е. она безопасна для поверхности колеса, поскольку применяется тормозная колодка, разрешенная к использованию при торможении данного типа колеса.
Под тормозной колодкой в уровне техники понимается съемный элемент тормозной системы рельсового транспорта, рабочая поверхность которого вступает во фрикционный контакте поверхностью катания колеса при торможении.
В настоящее время для торможения рельсового транспорта применяют чугунные тормозные колодки, композитные тормозные колодки или металлокерамические (ГОСТ 33421, ГОСТ 30249, ГОСТ 28186 и др.).
Выбор в качестве фрикционного элемента тормозной колодки, эксплуатируемой вместе с колесом, позволяет упростить процесс нагрева поверхностного слоя, а, следовательно, упростить процесс восстановления профиля колеса. Этот выбор обусловлен тем, что колеса в процессе эксплуатации подвержены фрикционному воздействию материалов при торможении, из которых выполнена колодка. Материалы тормозной колодки выбираются с учетом свойств материала колес, не вредны для колеса и допущены к использованию совместно с колесом, что позволяет гарантированно использовать их для фрикционного нагрева без опасения выкрашивания или разрушения как фрикционных элементов, так и рельсовых колес.
Кроме того, форма рабочей поверхности тормозной колодки, соприкасающейся с колесом, ответна рабочей поверхности колеса и нет необходимости обтачивать фрикционный элемент под рабочую поверхность колеса.
Фрикционный нагрев поверхностного слоя проводят с усилием прижима тормозной колодки от 0,5 до 2 МПа.
Такие усилия позволяют нагреть металл до температур от 500°С до 850°С, а в этом интервале температур твердость и прочность материала поверхности колеса снижается, что позволяет снизить силы резания резцом, уменьшить количество снимаемого металла и удлинить срок службы резца.
С другой стороны, фрикционный нагрев с заявленным усилием прижима, как правило, не приводит к отжигу или отпуску в нагретом слое, что способствует необратимой потере твердости и сохранению исходной твердости колеса, как это, например, происходит при разупрочнении после отжига, хотя, конечно, от локальных перегревов никто не застрахован.
Фрикционный нагрев проводится одновременно с обточкой колеса, однако, возможен фрикционный нагрев колеса и перед обточкой. В этом случае целесообразно проведение нескольких циклов нагрева и обточки.
Повышение температуры поверхностного слоя обрабатываемого колеса влияет не только на прочность его материала, но и на трение между обрабатываемой поверхностью и резцом. Известно, что с увеличением температуры контакта коэффициент трения вначале возрастает, а затем снижается, причем его значение достигается максимума при обработке заготовок из сталей твердосплавными резцами при температуре 400-600°С. Если при обычном резании температура контактных площадок инструмента оказывается близкой к упомянутому выше диапазону, то при дополнительном нагреве температура обеих контактных поверхностей резца, как правило, выше 600°С это приводит к уменьшению коэффициента трения материала заготовки по материалу резца, что с наряду с другими факторами, благоприятно влияющими на процесс резания при дополнительном нагреве, ведет к повышению стойкости резца
На фиг. 1 приведена схема обточки колеса с использованием для фрикционного нагрева тормозной колодки.
Как следует из схемы, обточка колеса (1) осуществляется таким образом, что резец (2) и тормозная колодка (3) могут быть установлены на некотором угловом расстоянии друг от друга. Оптимальным вариантом для большинства случаев является установка тормозной колодки перед резцом, при этом центральный угол между тормозной колодкой и резцом составляет от 2 до 180°. Под центральным углом в уровне техники понимается угол с вершиной в центре окружности - в случае настоящего изобретения вершиной центрального угла является центр вращения колеса.
В этом случае колесо под воздействием тормозной колодки нагревается и резец снимает уже нагретый металлический слой с пониженной твердостью и прочностью.
Чем меньше центральный угол от резца до тормозной колодки, тем выше температура нагрева колеса перед его обточкой и тем легче она проходит.
Нижнее значение центрального угла ограничено тем, что на слишком малом расстоянии резца от колодки стружка от обтачиваемого слоя может лететь непосредственно в тормозную колодку и забивать расстояние между нее и резцом. Верхнее значение центрального угла от резца до колодки позволяет достичь нужной температуры нагрева колеса в точке реза в процессе перемещения обода колеса от тормозной колодки до резца.
Процесс восстановления профиля поверхности катания допускает несколько схем обработки.
Например, возможно проводить обточку поверхности катания колеса так, как это описано выше: тормозную колодку устанавливают на некотором угловом расстоянии от резца и проводят фрикционный разогрев поверхности катания колес. По достижении нужной температуры проводят обточку поверхности катания колеса. Циклы «фрикционный нагрев» - «обточка» повторяются до полного восстановления профиля колес.
Другая возможная схема обработки в соответствии с настоящим изобретением предусматривает обточку поверхности колеса, проводимую одновременно с фрикционным нагревом. В этом случае процесс обточки идет непрерывно без разделения на циклы.
Нужная схема обработки зависит от степени изношенности колеса и устанавливается специалистом.
Как уже указывалось, предложенная технология восстановления колес полностью не застрахована от локальных перегревов некоторых участков приповерхностных слоев обода колеса. На тот случай если такой локальный перегрев состоялся и произошел отжиг некоторых приповерхностных участков, то можно провести дополнительную стадию обточки, прекратив фрикционный нагрев. Эта операция не является обязательной, и проводится в тех случаях, когда на предыдущих операциях в результате тепловых флуктуаций был допущен локальный перегрев поверхности, в зависимости от ситуации приведший либо к отжигу, либо к отпуску некоторых участков поверхностного слоя, а, следовательно к необратимому падению твердости на этих участках. Для устранения результатов такого локального перегрева и используют дополнительную обточку, устраняющую падение твердости в обтачиваемом слое.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Для опробования предложенного способа восстанавливали колеса грузовых вагонов.
В соответствии со схемой, приведенной на фиг. 1, железнодорожное колесо (1) обтачивали резцом (2) при фрикционном нагреве с помощью тормозной колодки (3), установленными таким образом, что центральный угол между ними находился в пределах от 2 до 180°.
Испытания проводили на базе колесного цеха вагонного депо «Люблино-сортировочное» на технически исправном колесотокарном станке модели «UBB-112CNC» фирмы «Rafamet» (Польша) с устройством для прижима композиционной тормозной колодки.
Обрабатывали колесные пары с цельнокатаными колесами, изготовленными в соответствии ТУ 0943-157-01124328-2003.
Колеса после эксплуатации имели преимущественные локальные труднообрабатываемые дефекты термомеханического происхождения на поверхности катания разного количества и размеров (ползуны, выщербины, "белые пятна" и др.), а также незначительное количество повреждений гребня (подрез и остроконечный накат).
Колесо устанавливали на модернизованный колесотокарный станок Rafamet UBB112CNC.
В качестве фрикционного элемента использовали тормозную колодку из композиционного материала по ГОСТ 33421-2015.
Колодку размещали под центральным углом по отношению к резцу 45° (угол отсчитывался от резца до центра колодки). Усилие прижима колодки устанавливали с помощью пневмоцилиндра тормозной системы и оно составляло 1,5 МПа.
Фрикционный нагрев поверхностного слоя и его обточку осуществляли одновременно.
В качестве резцов использовали сменные твердосплавные пластины тангенциальной формы геометрии типа LNMX 301940 (с боковым отверстием).
Пластины были изготовлены из твердых сплавов следующих марок:
- 4325 фирма «Sandvik Coromant»;
- КС35 ОАО «Кировградский завод твердых сплавов»
При проведении испытаний режимы резания в плоскости круга катания обтачиваемых колесных пар соответствовали среднефактическим режимам обточки колесных пар, принятым в депо «Люблино»:
- глубина резания: при однопроходной обработке от 3 до 8 мм, при 2-х проходной: первый проход - 8 мм;
- рабочая подача от 1,1 до 1,4 мм/об;
- скорость резания от 17 до 55 м/мин.
Резцы из твердосплавных пластин после проведенной обточки подвергали испытаниям.
В качестве критерия затупления испытываемых твердосплавных пластин принимался технологический критерий затупления - обеспечение требуемой точности обработки профиля и/или шероховатости обработанной поверхности колеса, что коррелирует с износом по задней поверхности твердосплавной пластины. Кроме того, после обработки каждой колесной пары, не снимая пластин со станка, производился внешний осмотр состояния пластин для оценки их дальнейшей работоспособности (отсутствие на режущей кромке выкрашиваний, сколов или поломки и др.).
При проведении производственных сравнительных стойкостных испытаний сменных твердосплавных пластин тангенциальной формы типа LNMX 301940 различных производителей были получены следующие результаты.
Предварительное исследование твердосплавных пластин всех производителей, предоставленных для проведения производственных испытаний, показало, что их форма, размеры, отклонения формы и расположение поверхностей соответствуют общим требованиям ТУ 48-19307-87 "Пластины режущие сменные многогранные твердосплавные для режущего инструмента", нормативно-технической документации (чертежам) и каталогам производителей твердосплавных пластин.
В производственных условиях вагонного депо «Люблино» Московской ж.д. при использовании твердосплавных пластин всех производителей параметры точности и качества поверхности обработанных колесных пар соответствовали требованиям Инструкций ЦВ/3429.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Следовательно, средний коэффициент повышения стойкости для пластины из сплава марки 4325 фирмы «Sandvik Coromant» составляет 1,64, а для пластины из сплава марки КС-35 ОАО «КЗТС» 1,58.
Исследование износов и причин отказов, испытанных в стандартных условиях твердосплавных пластин показало, что:
- для твердосплавных пластин из сплава марки КС-35 ОАО «КЗТС» характерен как интенсивный износ по задней поверхности, так и хрупкое разрушение в виде выкрашиваний, сколов режущих кромок и поломок пластин;
- для твердосплавных пластин из сплава марки 4325 фирмы «Sandvik Coromant» характерен равномерный износ по задней поверхности режущей кромки пластины и, в меньшей степени, микро- и макросколы по вершине и периферии режущей кромки пластины.
Для пластин обеих фирм испытанных в условиях фрикционно-лезвийной обработки практически не наблюдалось микро- и макросколов по вершине и периферии режущей кромки. Процесс резания проходил без ударных нагрузок и плавно.
Визуальный осмотр поверхности восстановленного колеса показал, что ее шероховатость соответствует установленным требованиям.
Также была измерена твердость колеса в 10 точках на поверхности катания. Твердость соответствовала исходной и составляла 320-360 единиц по Бринелю.