Moscow, Moscow, Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
The possibility of using face milling to restore the tread surface of railway wheel pairs is studied. On the basis of simulation modeling, a conclusion is made about the prospects of using this method for repair. The study objective is to improve the efficiency of repair of rolling stock wheel pairs. The task to which the paper is devoted is the expediency of using face milling when repairing wheel pairs. Research method is modeling. The novelty of the work: defining the possibility of using face milling for the repair of wheel pairs. Study results: the expediency and efficiency of face milling for the repair of rolling stock wheel pairs are found. Conclusions: the use of a new face milling method (turn milling) helps to reduce the complexity of the operation, as well as to increase the resource of wheel pairs in operation due to machining with a minimum allowance.
milling, turn milling, repair, wheel pairs, restoration, profile
Введение
Состояние колесных пар подвижного состава в эксплуатации во многом определяет безопасность грузовых и пассажирских железнодорожных перевозок. При этом большое влияние на плавность и допустимую скорость движения рельсовых экипажей оказывает точность и качество механической обработки профиля поверхности катания их колесных пар. Одной из наиболее распространенных технологических операций при ремонте любого подвижного состава является периодическое восстановление изношенного профиля поверхности катания. В общей трудоемкости текущего отцепочного ремонта колесных пар данная операция может занимать до 70%, а в трудоемкости среднего ремонта – до 25%. Сущность заключается в снятии механической обработкой резанием, образовавшегося в процессе эксплуатации износа профиля колес (с восстановлением контура исходного профиля), а также в удалении с контактирующих поверхностей дефектов термомеханического происхождения (ползуны, выщербины, «белые пятна» и др.). Так в 2021 году, на ремонтных предприятиях «Федеральной пассажирской компании» (АО «ФПК»), в среднем ежемесячно обрабатывалось 180 колесных пар пассажирских вагонов, в то время как, в депо по ремонту грузовых вагонов ежедневно обрабатывается от 10 до 25 колесных пар в смену.
Наиболее широкое распространение среди методов формообразования профиля поверхности катания колесных пар железнодорожного подвижного состава получила колесотокарная обработка на специальных колесотокарных станках. 100% ремонтных предприятий вагонного хозяйства и около 70% локомотивного хозяйства используют колесотокарные станки различных изготовителей, типов и моделей. Несмотря на широкое распространение, колесотокарная обработка имеет ряд существенных недостатков, к которым относят:
- низкую производительность процесса резания, обусловленную низкими скоростями резания (не более 45-60 м/мин). Данное положение связано как с общей динамической несбалансированностью большинства колесных пар (при массе колесной пары в 1,5-2,0 т.), так и с высокой степенью нестационарности процесса резания, вследствие значительных колебаний сечения срезаемого слоя, а так же динамическими ударными нагрузками от поверхностных термомеханических дефектов;
- завышенные глубины резания приводят к существенному снижение жизненного цикла колеса колесной пары. Необходимость в снятии больших припусков с поверхности катания, связана с технологическим требованием врезания под высокотвердые поверхностные термомеханические дефекты (с твердостью от 740 до 1000 HV), для сохранения формы и геометрии режущей кромки инструмента;
- низкую стойкость твердосплавного режущего инструмента (особенно без поверхностных износостойких покрытий), что существенно увеличивает себестоимость восстановления профиля колесной пары;
- повышенные температуры в зоне резания (от 850 до 1000°С), при снятии металла с большими глубинами и подачами, вызывают значительный нагрев обработанной поверхности, что негативно сказывается на напряженном состоянии и усталостной прочности поверхностных слоев обработанного материала;
- образующаяся при токарной обработке непрерывная сливная стружка ставит проблемы её удаления из рабочей зоны станка, а так же ее дальнейшей утилизации.
Основными достоинствами использования метода фрезерования, по сравнению с точением, являются:
- возможность обработки с минимальными глубинами резания за один проход, что позволяет увеличить количество возможных переточек профиля катания и, следовательно, повысить долговечность колесных пар;
- увеличение скорости резания и, следовательно, рост производительности обработки, что обеспечивается за счет увеличения частоты вращения фрезы, а не колесной пары;
- простота работы и наладки колесофрезерного станка;
- повышение стойкости режущего инструмента за счет увеличения активной длины режущей кромки при одновременном резании несколькими зубьями фрезы, а также уменьшение общей теплонапряженности процесса резания;
- процесс встречного фрезерования более благоприятен для работы режущего инструмента при обработке колесных пар с термомеханическими дефектами на поверхности катания, вследствие существенно меньших динамических ударных воздействий на режущую кромку инструмента, что позволяет использовать более дешевые твердые сплавы группы ТК вместо ТТК как при колесотокарной обработке;
- улучшение условий труда рабочих-станочников за счет образования более безопасной и транспортабельной формы стружки при фрезерной обработке.
В середине 60-х годов прошлого века было предложено заменить токарную обработку при восстановлении поверхностей катания на метод торцевого фрезерования [1-4 и др.]. Однако несовершенство существовавшего в то время технологического станочного оборудования и простейшего твердосплавного режущего инструмента существенно ограничило возможность промышленного внедрения данного метода обработки. В связи с тем, что полностью использовать возможности метода торцевого фрезерования на всей длине восстанавливаемого профиля катания конструктивно не удалось, была предложена комбинированная обработка – гребень и часть профиля колеса обрабатывалась токарными резцами, а для фрезерования других частей профиля использовался комплект 3-4 торцовых фрез с собственными приводами, что требовало перемещать инструментальные суппорта в несколько установов и приводило к значительному увеличению трудоемкости операции восстановления.
В настоящее время, использование современного станочного оборудования с ЧПУ и режущего инструмента со сменными твердосплавными пластинами позволяет существенно упростить данную схему обработки, путем применения формообразования профиля поверхности катания колесных пар методом торцового фрезерования ем по принципу копировальной обработки.
Конструкция режущего инструмента
Предлагается использовать в качестве режущего инструмента насадную торцевую фрезу со сменными твердосплавными режущими пластинами круглой формы с большими задними углами типа RPUX, RPGX или RDMX (рис. 1).
Форма, размеры, отклонения размеров и шероховатость обработки профиля поверхности катания колесных пар железнодорожного подвижного состава жестко регламентированы [5-7], что накладывает определенные ограничения на конструкцию используемой торцовой фрезы.
Первым ограничением является диаметр режущей пластины, который должен быть не более радиуса при угле наклона наружной части гребня, чтобы кинематически обеспечить в процессе обработки получение нужного радиуса при переходе от поверхности катания к гребню. Так исходя из [5-7], диаметр твердосплавных пластин для обработки ряда профилей локомотивов не должен превышать 27,0 мм., а для обработки профилей вагонов и мотор-вагонного подвижного состава – 30 мм. Из-за обрабатываемого профиля рабочий диаметр фрезы тоже должен быть ограничен.
Третьим ограничением является шероховатость обработанной поверхности профиля, так согласно [5-7], при обработке с выкаткой шероховатость обработанной поверхности бандажей локомотивов не должна превышать RZ40 мкм. для скоростей движения до 120 км/ч (и RZ10 мкм. для скоростей движения от 120 до 200 км/ч), а для колесных пар грузовых и пассажирских вагонов шероховатость должна быть не более RZ80 мкм.
Рис. 1. Торцевая фреза с режущими
пластинами круглой формы
Fig. 1. End mill with round cutting inserts
Технология обработки
Анализ предлагаемой кинематической схемы обработки показал, что она относится к методу фрезоточения, который в настоящее время находит все большее распространение при обработке крупногабаритных цилиндрических деталей в современном высокопроизводительном машиностроении. Данный метод заключается в том, что точение цилиндрической заготовки осуществляется вращающейся фрезой. По сравнению с традиционным точением рассматриваемый метод имеет ряд преимуществ, заключающихся в более высокой производительности и отсутствии сливного стружкообразования [8]. В работе [9] проанализированы различные кинематические схемы, реализующие операцию фрезоточения.
В случае фрезоточения профиля колес колесной пары, рассматривается обработка инструментом с осью, перпендикулярной оси вращения колеса (рис. 2). При использовании фрезоточения главным движением является вращение торцевой фрезы «И» вокруг своей оси Z1, а движением подачи – вращательное движение обрабатываемого колеса «Д» вокруг своей оси X и поступательное движение фрезы вдоль осей Х1 и Z1.
Рис. 2. Кинематическая схема обработки колеса колесной пары
Fig. 2. Kinematic scheme of wheel pair processing
Изучение особенностей торцевого фрезерования поверхностей катания проводилось имитационным моделированием с помощью пакета программ SolidWorks.
Обработка поверхности катания колеса фрезоточением описывается сложным пространственным движением, поэтому для упрощения анализа был использован наиболее распространенный профиль поверхности катания, унифицированный для грузовых и пассажирских вагонов, а также мотор-вагонного подвижного состава [5-7]. На данном профиле были выбраны наиболее характерные опорные точки, которые в последующем, объединены в участки типовой обработки (рис.3). Анализ траектории относительно движения заготовки и инструмента показал, что всю обрабатываемую поверхность катания можно разбить на 7 таких участков:
- участок 1 - точки 13-12. Участок фаски. Sx˃Sz.
- участок 2 - точки 12-11. Прямолинейный участок с уклоном 1:3,5. Sx˃Sz;
- участок 3 - точки 11-10. Прямолинейный участок с уклоном 1:10. Sx˃˃Sz;
- участок 4 - точки 10-8. Прямолинейный участок с уклоном 1:50. Sx˃˃Sz;
- участок 5 - точки 8-5. Радиус скругления под гребнем. Подача Sx больше Sz;
- участок 6 - точки 5-3. Поверхность гребня колеса. Движение подачи вдоль оси Х (Sx) меньше величины подачи вдоль оси Z (Sz);
- участок 7 - точки 3-1. Не изнашиваемая поверхность гребня. Движение подачи изменяет свое направление вдоль оси Z, поступательное движение Х остается положительным. Изменение схемы фрезерования.
Рис. 3. Профиль поверхности катания цельнокатаного колеса
Fig.3. Rolled wheel tread profile
При обработке типовых деталей машин фрезерование может осуществляться двумя методами: встречного фрезерования против подачи, когда направления векторов скорости главного движения и подачи заготовки противоположны и попутного фрезерования по подаче, когда направления векторов совпадают [10].
Встречное фрезерование характеризуется тем, что нагрузка на зуб фрезы плавно увеличивается от min при входе его в обрабатываемую поверхность до максимума при выходе, что способствует повышению стойкости фрезы. В тоже время, в начальный момент врезания возникает эффект затирания режущей кромки из-за близких к нулю сечениях срезаемого слоя.
При попутном фрезеровании с первого момента зуб начинает работать с наибольшей толщиной среза и сразу подвергается максимальной нагрузке. При этом фреза стремится плотнее прижать обрабатываемую деталь к поверхности стола станка, что значительно облегчает условия резания, повышает точность и улучшает шероховатость обработанной поверхности, а так же обеспечивает формирование улучшенных физико-механических свойств обработанной поверхности [11]. Но при попутном фрезеровании требуется более высокая жесткость технологической системы, чем при встречном, т.к. при наличии зазоров возникают вибрации и даже может произойти заклинивание инструмента [12]. Кроме того, при наличии упрочненного слоя или твердой литейной корки на поверхности заготовки, зуб фрезы ударяется об нее, что существенно снижает стойкость фрезы, поэтому в данных условиях рекомендуется применять встречное фрезерование, где зуб взламывает корку на поверхности заготовки снизу.
Согласно технологическим требованиям приведенных [5-7], обработка профиля колеса всегда начинается с точки 13, поэтому при торцовом фрезеровании профиля поверхности катания колесных пар выбор метода фрезерования должен обеспечиваться в зависимости от конкретных производственных условий. Так при обработке колесных пар с твердыми термомеханическими дефектами на поверхности катания или большим сечением срезаемого слоя (грузовые вагоны, маневровые тепловозы и др.) необходимо использовать встречное фрезерование. При восстановлении профиля колес с малыми глубинами резания (высокоскоростной подвижной состав, пассажирские вагоны, МВПС и др.), а также колесных пар без термомеханических дефектов более эффективно применять попутное фрезерование. Изменение метода фрезерования на одном и том же колесообрабатывающем станке может обеспечиваться за счет реверсирования направления вращения обрабатываемой колесной пары.
Стружкообразование
При рассмотрении процесса обработки фрезоточением профиля колесной пары, следует отметить, что площадь срезаемого слоя на всех обозначенных ранее участках различна (рис. 4) – на этом рисунке использованы следующие обозначения: а – сечение стружки на участке 1; б – сечение стружки на участке 2; в –сечение стружки на участке 3; г – сечение стружки на участке 4; д – сечение стружки на участке 5; е – сечение стружки на участке 6; ж – сечение стружки на участке 7.
Рис. 4. Сечение стружки (глубина резания 1,5 мм.)
Fig. 4. Chip cross section (cutting depth 1.5 mm.)
На рис. 5 представлены данные имитационного моделирования площади сечения стружки и расчетной шероховатости обработанной поверхности при фрезоточение поверхности колесной пары, начиная с участка 7 и заканчивая 1 участком.
Анализ данных показывает, что наибольшая площадь срезаемого слоя наблюдается на участке 1 - фаске колеса колесной пары. Наименьшая площадь соответствует участку 7 – не изнашиваемой части внутренней поверхности гребня.
Рис. 5 Площадь сечения стружки и расчетной шероховатости обработанной поверхности
Fig. 5.Chip cross-sectional area and calculated surface roughness
Тенденция к уменьшению площади сечения стружки от участка 1 к участку 7 соблюдается не во всех случаях. Так на участке 5, соответствующему радиусу скругления под гребнем, площадь сечения стружки больше, чем на смежных с ним участком, так как поверхность контакта режущих пластин с поверхностью катания колеса на этом участке больше.
Заключение
Полученные результаты проведенного имитационного моделирования показывают большие перспективы использования торцевого фрезерования (фрезоточения) для восстановления поверхностей катания колесных пар подвижного состава. Данную операцию можно проводить за один установ, одним инструментом – торцевой фрезой с круглыми режущими пластинами. По сравнению с традиционной колесотокарной обработкой трудоёмкость операции уменьшается на 20–25%, также уменьшается съем материала, особенно при обработке колесных пар с дефектами термомеханического происхождения, что способствует увеличению ресурса колесных пар в эксплуатации.
1. Nechepurenko NP. Profile restoration of railway wheel pairs by high-performance milling method using end mills [dissertation]. [Rostov-on-Don (RF)]; 1967.
2. Shishkin AA, Shpika NK. Conversion of wheel-turning machines into wheel-milling ones. RostIIT; 1967;58:18-22.
3. Alekhin SV, Sergeeva SV, Sysoev PV. The study of cold working along the wheel profile for the increase of their durability. LIIZhT; 1962;197.
4. Shishkin AA, Nechepurenko NP. Comparative analysis of methods of mechanical machining of railway wheel profiles. Collection of scientific papers: Mechanical machining; RIIZHT; 1974;107:4-8.
5. GOST 11018-2011. Wheel pairs of traction rolling stock of 1520 mm gauge. General technical conditions. Standartinform; 2012.
6. RD VNIIZHT 27.05.01-2017. Guidance document on the repair and maintenance of wheel pairs with axle boxes of mainline railway freight cars of 1520 mm gauge; 2017.
7. Instructions for inspection, repair and formation of wheel pairs of locomotives and motor-car rolling stock with a gauge of 1520 mm. 2016 December 22.
8. Poduraev VN. Cutting of hard-to-process materials. Moscow: Vishay Shkola; 1975.
9. Selivanov AN, Nasad TG. Analysis of milling technological possibilities. SSTU Vestnik. Mechanical Engineering and Mechanical Study. 2020;2(85):66-71.
10. Sandvik Coromant. Textbook on the course technology of metal processing by transformation. Sandviken; 2009.
11. Etin AO. Kinematic analysis of metal machining methods by cutting. Moscow: Mashinostroenie; 1964.
12. Shpur G, Shteferle T, editors. Handbook of materials cutting technology. Moscow: Mashinostroenie;1985.
