Совершенствование конструкции режущего инструмента для восстановительной токарной обработки профиля железнодорожного колеса Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.488.2

В. С. Кушнер, А. А. Крутько

Омский государственный технический университет

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ПРОФИЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО КОЛЕСА

Рассмотрены вопросы, касающиеся совершенствования токарных резцов, используемых для восстановления профиля железнодорожного колеса. Выявлены и проанализированы основные недостатки применяемого инструмента, приведены рассчитанные рациональные режимы резания. На основе проведенных исследований термомеханического нагружения режущего инструмента даны рекомендации по повышению прочности и формоустойчивости режущего лезвия с помощью внедрения более рациональной геометрии пластин и использования более совершенных марок твердого сплава.

колесные пары, профиль катания, режущий инструмент, геометрия и формоустойчивость режущего инструмента.

Введение

Технология восстановительной токарной обработки железнодорожных колес, применяемая на ремонтных предприятиях РЖД, может включать в себя два прохода: черновой и чистовой [1]. Черновой проход, как правило, проводится призматическими резцами, чистовой - как резцами с призматическими пластинами, так и резцами, оснащенными чашечными пластинами с механическим креплением при 1,3—2,5 мм/об и глубинах резания 4-6 мм [1]. Введение дополнительного прохода необходимо для обеспечения требований по точности и шероховатости обработанной поверхности.

1 Определение рациональных геометрических параметров применяемого инструмента

Анализ конструкций и геометрических параметров применяемого режущего инструмента выявил следующие недостатки:

• нерациональное использование режущей пластины по длине при малых глубинах резания (t < 6 мм) и больших углах в плане (ф « 70.. .80°);

• ненадежное крепление режущей пластины в открытом пазу с углом 90°;

96

• недостаточно большой радиус при вершине (r = 4 мм), не обеспечивающий требуемые шероховатость поверхности при применяемых больших подачах и равномерность износа при вершине и вдоль режущих кромок;

• нерациональная форма режущего лезвия в плоскости стружкообразования, не обеспечивающая его формоустойчивости и снижения сил и температуры резания;

• снижение эффективности чашечных режущих пластин при увеличении глубины резания;

• применение недостаточно прочного твердого сплава Т14К8 в условиях резания, когда режимы резания ограничиваются не только износостойкостью режущей пластины, но и ее формоустойчивостью (сопротивлением пластическим деформациям).

Для определения рациональных параметров режущего инструмента и назначения режимов резания на основании термомеханического подхода разработана специальная программа в среде Excel (рис. 1), которая позволяет учесть изменение твердости и влияние режимов резания на точность обработанного профиля железнодорожного колеса.

Выполненный анализ условий термомеханического нагружения режущего лезвия [2] показал, что причиной интенсивного изнашивания инструмента являются пластические деформации режущего клина, протекающие в процессе обработки под действием высоких напряжений и температур. Вследствие анизотропии твердых сплавов наибольшую опасность представляет возникновение на поверхностях режущего клина касательных напряжений.

Установлено, что увеличение ширины фаски износа h3 (или предварительного притупления h0) задней поверхности (рис. 2) оказывает существенное влияние на значения безразмерного комплекса а, пропорционального касательному напряжению см. В связи с этим для повышения сопротивления режущего лезвия пластическим деформациям целесообразно предварительно притуплять режущее лезвие по задней поверхности на величину h0« 0,1.. .0,2 мм, что не приведет к существенному изменению отклонений Ди и не увеличит температуру формоустойчивости Тф (см. рис. 2).

Выявлено, что уменьшение переднего угла у также повышает сопротивление режущего лезвия пластическим деформациям, но при этом возрастают силы резания и вызванные ими отклонения обработанной поверхности (рис. 3).

Следовательно, для повышения прочности и формоустойчивости режущего лезвия необходимо затачивать упрочняющие фаски на передней поверхности - под отрицательным (~ -180) передним углом, на задней поверхности - под нулевым задним углом. Ширина упрочняющей фаски на передней поверхности должна составлять f = 0,5.. .0,8 от максимальной толщины срезаемого слоя, на задней - 0,3...0,4 мм. Значение ширины упрочняющей

97

а)

Исходные данные

Призматический резец | Чашечный резец |

- Обрабатываемый материал----------------

Относительное Удельная удлинение при теплоёмкость

________ растяжении Су,кДж/мЗ К

| 2850

- Режущий инструмент -

Угол в плане iр,

Передний угол у,Ф

_^Г

Упрочняющая (Ьвска у

Твёрдость НВ, МПа

23

Предварительное притупление по заднёи поверхности h^, мм'

Критерий затупления h* , мм

му - .

Задним угол а,

Угол наклона режущей кромки^Х,

Радиус при вершине г, мм Марка твёрдого сплава Г"

75

15

-10

О

1,4

М

~Б

■ Обрабатываемая поверхность -

Диаметр колеса, D мм

Требуемая поверхности шероховатость, (допуск) Д, мм Rz, мкм

| 0,3

• Режимы резания--------

Глубина резания t, мм Подача s, мм/об Частота вращения п, об/мин

Г-

ГГ

11,3

|- Мощность поивола станка —i Допуск,, 2хЫе, кВт | 55 Технологический процесс

Расчёт для стандар тной пластины

Расчёт для рекомендуемой пластины

б)

Рис. 1. Интерфейс программы:

а - задание исходных данных; б - представление результатов расчета в графической и численной форме

98

Рис. 2. Влияние величины фаски износа задней поверхности на напряжения, отклонения и температуру формоустойчивости

Рис. 3. Влияние переднего угла на силу Ру и связанные с ней отклонения

фаски и назначенные режимы резания должны обеспечивать сход стружки по передней поверхности под положительным передним углом (у ~ 100).

Снижение температуры передней поверхности и сил резания обеспечивается оптимальной формой передней поверхности, при которой контакт стружки с передней поверхностью прерывается на оптимальном расстоянии L = 2,5...3 мм (рис. 4).

Наблюдения за износом режущих пластин показали [3], что увеличение радиуса при вершине (от 4 до 12 мм) в некоторой окрестности вершины резца (1,5.2) s примерно в 1,5 раза уменьшает коэффициент неравномерности износа, что обеспечивает соответствующее увеличение стойкости инструмента или пройденного вершиной пути резания. Кроме того, это способствует примерно двукратному уменьшению шероховатости обработанной поверхности. Поэтому применение пластин с криволинейными переходно-зачищающими кромками увеличенного радиуса (до 12 мм) и регламентированного смещения вершины (С = 2.3 мм) снизит неравномерность износа вблизи вершины резца (см. рис. 4).

99

Рис. 4. Форма заточки режущей пластины с упрочняющей и стабилизирующей фасками по передней поверхности и с предварительным притуплением по задней поверхности

При обработке колес по поверхности катания предусмотрено уменьшение угла в плане призматической пластины до 25.. .30° (вместо 70.. .80°). Это позволит существенно уменьшить толщину срезаемого слоя и температуру формоустойчивости практически без уменьшения скорости резания (рис. 5).

Рис. 5. Влияние угла в плане и подачи на скорость резания при температуре 870 °С

100

2 Рациональная схема обработки поверхности обода колеса комбинированным инструментом

При обработке поверхности катания изменения направления профиля колеса незначительны (находятся в пределах 6°), а при обработке гребня изменяются в более широких пределах, поэтому обработку гребня и поверхности катания целесообразно производить различными инструментами. Для сокращения машинного времени на токарную обработку железнодорожного колеса, обеспечения требований к биению и шероховатости обработанной поверхности спроектирована новая конструкция резца, включающая чашечную пластину стандартной геометрии для обработки гребня колеса и специальную - призматической формы (рис. 6).

Рис. 6. Схема обработки поверхности обода колеса комбинированным инструментом

С целью повышения формоустойчивости и стойкости режущих пластин предполагается заменить применяемые сплавы Т14К8 и Т5К10 на более прочный сплав марки ТТ7К12 или на специальные ультрамелкодисперсные твердые сплавы.

Практическое применение разработанной конструкции резца позволило сократить машинное время обработки вдвое, так как обеспечить требования точности и шероховатости обработанного профиля возможно за один проход, фактически без изменения режимов резания (таблица).

101

ТАБЛИЦА

Геометрические параметры и режимы резания Режущий инструмент

Стандартный Предлагаемый

Призматический резец Ф, град 75 20

Y, град 0 10

Ту град -15 -10

Уп град - -18

f-, мм 0,5 0,4

L , мм - 3

г, мм 4 12

t, мм 6/2 6

s, мм/об. 1,12/1,4 1,4

п, об/мин 13,5/18 13,5

Т , мин 13 + 8 = 21 10

N, колес 2 5

2А, мм 0,54 0,28

R, мкм z’ 63 20

Заключение

Таким образом, на основании приведенных рекомендаций по совершенствованию режущих пластин и режимов резания можно отметить следующие достоинства разработанной технологии восстановления профиля колеса:

- рациональное использование режущей пластины по длине режущей кромки;

- надежное базирование режущей пластины по плоскостям, расположенным под углом, меньшим 90°;

- увеличенный радиус при вершине (г = 12 мм), обеспечивающий требуемые шероховатость поверхности и равномерность износа при вершине и вдоль режущих кромок;

- рациональная форма режущего лезвия в плоскости стружкообразования, обеспечивающая его формоустойчивость, снижение сил и температуры;

- применение достаточно прочного твердого сплава ТТ7К12;

- обеспечение регламентированных требований точности и качества восстановленного профиля;

- повышение производительности с существенным снижением затрат на обработку железнодорожных колес.

102

Библиографический список

1. Совершенствование технологии восстановления профиля железнодорожных колес / В. С. Кушнер, А. А. Крутько // Омский научный вестник. - 2007. - Вып. 2. - С. 124126.

2. Термомеханическое обобщение влияния условий резания на отклонения обработанной поверхности, вызванное силами резания и изнашиванием режущего инструмента при черновой токарной обработке сталей / В. С. Кушнер, А. А. Воробьев, А. А. Крутько // Современные проблемы машиностроения : труды IV международной научно-технической конференции. - Томск : ТПУ, 2008. - С. 603-607.

3. Оптимизация геометрических параметров режущего инструмента и режимов резания с учетом требования к точности профиля железнодорожного колеса / В. С. Куш -нер, А. А. Крутько // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении : материалы V научно-технической интернет-конференции с международным участием. - Тюмень : ТюмГНГУ, 2010. - С. 39-44.

© Кушнер В. С., Крутько А. А., 2014

103