CC BY
45
почетный работник высшего профессионального образования.
Адрес для переписки: ahtulov-al [email protected] АХТУЛОВА Людмила Николаевна, кандидат технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Управление качеством и сертификация».
ШИМОХИН Антон Владимирович, аспирант кафедры «Управление качеством и сертификация».
Статья поступила в редакцию 08.11.2011 г.
© А. Л. Ахтулов, Л. Н. Ахтулова, А. В. Шимохин
удк 62i.9i.oi в. А. БЕЛОЗЁРОВ
А. А. СИЛИЧ М. х. УТЕШЕВ
Тюменский государственный нефтегазовый университет
КОНТАКТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ ПРИ ТОНКОМ ТОЧЕНИИ ИНСТРУМЕНТАМИ ИЗ СТМ_____________________________________
Рассматриваются особенности протекания контактных процессов и возникновения контактных напряжений на передних и задних поверхностях резцов из СТМ при тонком точении жаропрочных сплавов на станках с ЧПУ.
Ключевые слова: точение, станок с ЧПУ, жаропрочные сплавы, контактные напряжения, динамическая прочность.
Процесс резания инструментами из СТМ (сверхтвердых материалов) на основе кубического нитрида бора (КНБ) осуществляется с малыми сечениями среза и отличается от резания быстрорежущим и твердосплавным инструментом благодаря особым физико-механическим, теплофизическим свойствам и структуре СТМ.
Контактные характеристики процесса тонкого точения, когда коэффициент укорочения стружки К (усадка стружки), изменяется от 1-го до 2-х, не исследовались авторами научной школы М. Ф. Поле-тика [1]. Г. Ф. Андрейченко [2] рассматривает контактные характеристики точения с малыми сечениями среза твердосплавными резцами. Но процесс резания инструментами из СТМ на основе КНБ жаропрочных никелевых сплавов имеет ряд особенностей, связанных с физико-механическими и теплофизическими характеристиками СТМ.
Необходимо всестороннее экспериментальное исследование контактных процессов (в том числе контактных напряжений) тонкого точения жаропрочных никелевых сплавов резцами из СТМ на основе КНБ.
Одной из особенностей тонкого точения резцами из СТМ является то, что толщина среза и толщина стружки в несколько раз меньше ширины среза и ширины стружки, то есть резание производится радиусной частью резца и прямолинейной частью на главной режущей кромке. Например, при толщине среза а = 0,0142 мм (подача S = 0,02 мм/об.) и ширине среза в = 0,22 мм (глубине резания t = 0,05 мм) отношение в/а составляет 15,5.
При тонком точении резцами из СТМ, когда резание производится радиусной частью резца, наибольшая толщина среза атах возникает при врезании резца на главной режущей кромке, а наименьшая
толщина среза а на вспомогательной режущей кромке, тогда как коэффициент утолщения стружки имеет наибольшее значение Ктаха у вершины резца на его радиусной части, что оказывает влияние на величины контактных напряжений при их распределении вдоль режущей кромки резца из СТМ.
Тонкое точение с малыми сечениями срезаемого слоя (сечения среза) а = 0,0142 мм ^ = 0,02 мм/об.), а = 0,0284 мм ^ = 0,04 мм/об.), а = 0,057 мм ^ = = 0,08 мм/об.), а = 0,107 мм ^ = 0,15 мм/об.) резцами из СТМ жаропрочных сплавов и определение контактных напряжений на передней и задней поверхностях этих резцов имеет большое значение для определения областей эффективного использования этих инструментов на автоматизированном оборудовании — станках с ЧПУ, обрабатывающих центрах и гибких производственных модулях (ГПМ).
Необходимо установить экспериментальные зависимости контактных характеристик при тонком точении жаропрочных сплавов на никелевой основе резцами из СТМ: 1) длины контакта стружки на передней поверхности резца в зоне контакта от скорости резания; 2) значения средних нормальных дЫ и касательных дБ контактных напряжений на передней и задней — чЫ1, дБ1 — поверхностях резцов из СТМ от параметров режима резания в широком диапазоне изменения режимов резания.
Учитывая, что тонкое точение резцами из СТМ проводится с малыми толщинами срезаемого слоя, процесс резания в большей степени определяется контактными температурами и напряжениями на задней поверхности. Одной из основных особенностей тонкого точения жаропрочных сплавов и закаленных легированных сталей резцами из СТМ является то, что по мере увеличения фаски износа резца по задней поверхности контактная температура
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
и контактные напряжения на задней поверхности резца из СТМ выше, чем температура и контактные напряжения на передней поверхности. Важной задачей тонкого точения жаропрочных сплавов резцами из СТМ является уменьшение контактных напряжений и контактных температур на задней поверхности. Это достигается благодаря применению инструментов из СТМ с меньшими коэффициентами теплопроводности (гексанит-Р, композит-05ИТ) и обработкой жаропрочных сплавов этими инструментами на оптимальных режимах резания.
Из трех рассматриваемых резцов из СТМ — эльбор-Р, композит 05ИТ, гексанит-Р — меньшей величине коэффициента теплопроводности инструментального материала у гексанита-Р соответствует большая температура и контактные напряжения на передней поверхности при постоянном коэффициенте укорочения стружки Кг Соответственно у резца из гексанита-Р уменьшаются температура и контактные напряжения на задней поверхности.
Наиболее эффективным с точки зрения прочности из трех рассмотренных СТМ (композитов) — эльбора-Р, композита 05ИТ и гексанита-Р — является гексанит-Р, так как за счет перераспределения средних контактных напряжений на передней и задней поверхностях резца из гексанита-Р напряжения дЫ, др на передней поверхности увеличиваются, а на задней поверхности напряжения уменьшаются в 1,1 ^ 1,5 раза и напряжения др1 уменьшаются в 1,2^ 1,64 раза по сравнению соответственно с напряжениями дш др1 резца из эльбора-Р в рассмотренном диапазоне режимов резания.
Нами проводились исследования возникновения средних касательных др и средних нормальных дЫ контактных напряжений на передних поверхностях резцов из СТМ при тонком точении жаропрочных сплавов и сталей. Значения этих напряжений необходимы для проведения расчета динамической прочности режущих частей инструментов из СТМ при тонком точении жаропрочных сплавов и сталей на станках с ЧПУ на оптимальных экономических режимах резания.
Установлено, что средние касательные др контактные напряжения на передних поверхностях в зонах контактов резцов из СТМ являются наиболее стабильными контактами характеристиками, практически не зависящими от параметров режимов резания и геометрических параметров режущих частей инструментов, что подтверждается исследованиями
[1, 3].
Средние нормальные дЫ контактные напряжения на передней поверхности в зоне контакта резцов из СТМ и других инструментальных материалов являются весьма чувствительной контактной характеристикой к изменению внешних факторов процесса резания, что ранее установлено экспериментальными исследованиями М. Ф. Полетика и его учеников при обработке резанием для большого количества сочетаний обрабатываемых и инструментальных материалов [1].
Для аналитического расчета динамической прочности режущих частей инструментов из СТМ при тонком точении жаропрочных сплавов на станках с ЧПУ в качестве одного из исходных данных необходимо установить закономерности распределения нормальных и касательных тр контактных напря-
жений на передних поверхностях в зонах контактов со стружкой этих режущих инструментов.
При распределении нормальных контактных напряжений на передних поверхностях в зонах кон-
тактов резцов из СТМ при тонком точении жаропрочного сплава ХБ62МБКЮ-ВД, ИЯС 38 по параболическому закону определены наибольшие нормальные контактные напряжения оМ на режущих частях при вершинах инструментов из СТМ с учетом величин средних нормальных контактных напряжений дЫ : для гексанита-Р оМ = 2,1'дН; для композита 05ИТ оМ = 2,3'дН; для эльбора-Р оМ = 2,4'дН.
Распределения контактных напряжений он, тр по длине контакта на передней поверхности резца из гексанита-Р при точении сплава ХН62МВКЮ-ВД, ИЯС 38 на станке с ЧПУ ^ = 0,05 мм; S = 0,04 мм/об., Уэкопт= 1,46м/с — постоянная оптимальная экономическая скорость резания при обработке на станке с ЧПУ) математически описываются экспоненциальными зависимостями.
Распределения контактных напряжений он, тр по длине контакта на передней поверхности резца композита 05ИТ при точении сплава ХН62МВКЮ-ВД, ИЯС 38 на станке с ЧПУ ^ = 0,05 мм; S = 0,04 мм/об., Уэкопт= 1,67 м/с) также выражаются экспоненциальными зависимостями.
Как показали наши исследования, расчетные значения контактных напряжений тр при их распре-
делении по экспоненциальному закону хорошо согласуются с экспериментальными данными, поэтому распределения контактных напряжений по длине контакта на передней поверхности резца из СТМ по экспоненциальному закону приняты нами в качестве граничных условий для расчета эквивалентных напряжений в режущей части резца из СТМ методом конечных элементов (МКЭ) и оценки динамической прочности инструментов из СТМ при тонком точении жаропрочных сплавов на оптимальных экономических режимах резания на станке с ЧПУ.
Заключение. Установлено, что из трех рассматриваемых резцов из СТМ — эльбор-Р, композит 05ИТ, гексанит-Р — меньшей величине коэффициента теплопроводности инструментального материала у гексанита-Р соответствует большая температура и контактные напряжения на передней поверхности при постоянном коэффициенте укорочения стружки Кг Соответственно, у резца из гексанита-Р уменьшаются температура и контактные напряжения на задней поверхности.
Полученные нами распределения контактных напряжений оЫ, тр по длине контакта на передней поверхности резца из СТМ по экспоненциальному закону приняты в качестве граничных условий для расчета эквивалентных напряжений в режущей части резца из СТМ методом конечных элементов (МКЭ) и оценки динамической прочности инструментов из СТМ при тонком точении жаропрочных сплавов на оптимальных экономических режимах резания на станках с ЧПУ.
Библиографический список
1. Полетика, М. Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента / М. Ф. Полетика. — М. : Машиностроение, 1969. — 180 с.
2. Андрейченко, Г. Ф. О зависимости усадки стружки от параметров, определяющих геометрию среза при точении с малыми сечениями среза / Г. Ф. Андрейченко // Межвузовский научно-технический сборник. — Харьков, 1978. — № 20. — С. 114-118.
3. Полетика, М. Ф. Расчет средних контактных напряжений и коэффициента трения на передней поверхности инструмента / М. Ф. Полетика, В. А. Красильников // Технический прогресс
в машиностроении : межвуз. сб. науч. тр. — Томск, 1972. — С. 164-167.
БЕЛОЗЁРОВ Владимир Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Технология машиностроения».
СИЛИЧ Александр Анатольевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Технология машиностроения».
УТЕШЕВ Мирабо Хусаинович, доктор технических наук; профессор (Россия), профессор кафедры «Металлообрабатывающие станки и комплексы».
Адрес для переписки: г. Тюмень, ул. Энергетиков, 44/1, кафедра «Технология машиностроения» института промышленных технологий и инжиниринга ТюмГНГУ.
Статья поступила в редакцию 11.04.2012 г.
© В. А. Белозёров, А. А. Силич, М. Х. Утешев
удк 629.421.1 А. п. БУЙНОСОВ
Уральский государственный университет путей сообщения, г. Екатеринбург
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ОСТАТОЧНОГО ПРОКАТА БАНДАЖЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР
МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
В статье изложены результаты экспериментальных исследований выбора оптимального остаточного проката бандажей исходя из критерия максимального ресурса до смены колесных пар электровозов. Изменена технология обточки колесных пар, оставляя при этом прокат 0,5 мм, в результате прогнозируемый ресурс до смены бандажей увеличен на 32 % и позволяет эксплуатировать электровозы ВЛ11 в локомотивном депо Свердловск-сортировочный до ремонта КР-1 и не производить замену бандажей колесных пар на ТР-3. При этом количество обточек существенно возрастает: с пяти (полностью восстановленный профиль) до шести—семи (остаточный прокат 0,5 мм). Ключевые слова: электровоз, колесная пара, бандаж, износ, контролируемые параметры, обточка, остаточный прокат, ресурс.
На сети железных дорог имеет место повышенный износ колес, бандажей и рельсов. Интенсивность износа колес и рельсов возросла в середине 1970-х годов и достигла наибольших размеров к началу 1900-х. В этот период на железнодорожном транспорте существенно изменились условия эксплуатации. Завершилась перешивка колеи с 1524 мм на прямых участках на колею 1520 мм, изменились также нормы уширения колеи в кривых. На главных путях были уложены объемно-закаленные рельсы тяжелых типов повышенной твердости, а твердость колесной стали практически не изменилась. Был завершен переход на подшипники качения вместо подшипников скольжения, требующих постоянной смазки в буксах. Произошло увеличение статической нагрузки на ось, а также увеличение массы и длины поезда. Начали внедряться композиционные тормозные колодки вместо чугунных. В больших масштабах деревянные шпалы заменялись на железобетонные, при этом повысилась жесткость пути. Произошло ухудшение состояния пути и подвижного состава [1, 2].
Если раньше барьерными местами были горные перевальные участки с затяжными подъемами и спусками, то в настоящее время износ рельсов и колесных пар стал распространенным явлением по всей сети, в том числе и на равнинной части.
Для решения задачи снижения интенсивности износа гребней колесных пар подвижного состава и рельсов необходимы новые научные исследования и решения. И в первую очередь — разработка
комплекса мероприятий, позволяющих, исходя из конкретных условий эксплуатации, определить и устранить причины износа колеса и рельса.
Установить долю влияния каждой причины износа нельзя, так как преобладающее значение той или иной в их сумме изменяется во времени их участия. Только постоянное наблюдение, анализ технического состояния локомотивов и пути может установить причины и уменьшить их влияние на износ [2].
Анализ опубликованных работ показывает, что однозначной зависимости между износом и твердостью колес и рельсов не существует, так как при различных условиях трения существенно изменятся механизм истирания и, соответственно, интенсивность износа [3].
Тем не менее можно утверждать, что с повышением твердости увеличивается сопротивление материала пластической деформации, снижается образование возможных участков схватывания и, следовательно, повышается износостойкость бандажей колесных пар [4, 5].
При установлении оптимальных свойств сопряженных деталей «бандаж —рельс» решение задач сводится к нахождению методов, которые обеспечивают минимальную остаточную деформацию, не нарушая нормального режима работы бандажа, и исключают возникновение усталостных разрушений [6, 7].
По результатам исследований таким методом является частичная обточка бандажей, при которой профиль поверхности катания бандажа полностью
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
