Введение к работе
Актуальность темы. Проблема обработки материалов с неоднородной структурой имеет место в различных отраслях машиностроения. В частности, такая проблема возникает при восстановлении поверхности катания колесных пар железнодорожного транспорта.
Постоянный рост грузооборота и скоростей движения поездов определяет необходимость обеспечения эксплуатационной надежности колесных пар. Их безаварийная работа во многом зависит от качества обработки поверхности катания, как при изготовлении, так и в процессе восстановления.
Колесные пары являются наиболее нагруженными элементами подвижного состава, которые в эксплуатации подвержены действию значительных статических и динамических нагрузок, а также тепловому воздействию при торможении. Одновременное действие тепловых и силовых нагрузок на колесную пару приводит к появлению термомеханических повреждений. Повреждения такого рода вызывают изменение структуры материала, и как следствие изменение его механических характеристик.
Как показывает статистика, в последнее время, наблюдается рост именно термомеханических повреждений, возникающих в процессе эксплуатации. Этот вид повреждений вызывает появление неоднородной структуры материала обода колеса. В процессе механической обработки такая структура оказывает значительное влияние на характер нагружения режущего лезвия. К наиболее распространенным в настоящее время способам лезвийной обработки относятся токарная обработка и фасонное фрезерование. Значительным недостатком данных способов и применяемых для них технологических схем является низкая способность инструмента адаптироваться к неоднородной структуре обрабатываемого материала, что приводит к заниженным режимам обработки и к увеличенному износу инструмента. В связи с этим, актуальным направлением является разработка нового способа лезвийной обработки, который позволит учесть специфику обработки колесных пар, имеющих неоднородную структуру материала, и выработать рекомендации для повышения периода стойкости инструмента при обработке поверхности катания обода колесных пар.
Цель работы. Повышение периода стойкости фасонных фрез при обработке поверхности катания с неоднородной микротвердостью в процессе восстановления колесных пар.
Задачи работы.
-
Выполнить кинематический и силовой анализ формообразования методов обработки поверхности катания колесных пар с целью определения наиболее перспективного способа обработки.
-
Установить возможность оценки наличия дефектов типа несплошности поверхности катания колесной пары с использованием ультразвукового дефектоскопа.
-
Установить характер распределения микротвердости поверхности катания профиль колеса после термообработки, определить его численные значения.
-
Разработать адекватный, в статистическом смысле, алгоритм моделирования силы резания при обработке поверхности катания колеса имеющего неоднородную микротвердость.
-
Разработать конструкцию элемента фасонной фрезы, позволяющего самоадаптироваться к условиям обработки поверхности катания с неоднородной микротвердостью.
-
Разработать методику выбора характеристик конструктивных элементов устройства самоадаптации фасонной фрезы при вероятностном нагружении режущих элементов, обусловленных значительным изменением микротвердости.
-
Провести испытания разработанной и рассчитанной конструкции элемента самоадаптации фрезы для определения эффекта повышения периода стойкости инструмента в процессе обработки поверхности колесной пары с неоднородной микротвердостью.
Объектом исследования является процесс восстановления поверхности катания колесной пары с неоднородной микротвердостью, посредством обработки фасонными фрезами.
Предметом исследования являются свойства самоадаптации инструмента в процессе механической обработки материалов с неоднородной микротвердостью и повышение периода стойкости инструмента.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях векторного анализа и дифференциальной геометрии, теории фракталов, теории механических колебаний, положений статистической механики, численных методах математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились с использованием методов ультразвуковой дефектоскопии, методов статистического анализа.
Научная новизна заключается в разработке фрактальной модели поверхности катания колесной пары с неоднородной микротвердостью, позволяющей прогнозировать изменение силы резания при ее обработке. Установлен диапазон стохастического изменения силы резания - 17,65…30,22кН.
Установлено, что при стохастическом характере силы резания величина коэффициента вязкого трения, обеспечивающая условие самоадаптации инструмента к обработке поверхности катания с неоднородной микроствердостью, нелинейно зависит от жесткости упругого элемента устройства самоадаптации Выявлен вид этой зависимости и определены рациональные значения коэффициента жесткости 1,166*103…1,869*103Н/мм.
Автор защищает.
-
Результаты кинематического анализа схем резания для механической обработки поверхности катания колесных пар.
-
Методику выбора характеристик конструктивных элементов устройства самоадаптации.
-
Методику моделирования силы резания при обработке поверхности катания колесных пар с неоднородной микротвердостью на основе применения теории фракталов.
-
Результаты экспериментальных исследований по повышению периода стойкости инструмента за счет его свойств самоадаптации при обработке колесных пар с неоднородной микротвердостью.
Практическая ценность и реализация работы.
-
Разработан новый способ и устройство крепления фрезы для обработки поверхности катания с неоднородной микротвердостью при восстановлении колесных пар железнодорожного транспорта, приоритет которого установлен патентами РФ.
-
Разработана методика расчета конструктивных элементов устройства самоадаптации фрезы, позволяющего повысить период стойкости фасонной фрезы в 2,1 раза при обработке колесных пар железнодорожного транспорта с неоднородной микротвердостью поверхности катания.
-
Результаты работы прошли производственную апробацию в условиях производственного подразделения ОАО «РЖД» - «Пассажирское вагонное депо Орел» (г. Орел).
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 3-ем Международном научно-техническом семинаре «Современные проблемы подготовки производства, обработки и сборки в машиностроении и приборостроении» (г. Свалява, 2003г.), научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения - «Технология-2003» (г. Орел, 2003), заседаниях кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты» в 2004 г, научно-технических конференциях ОрелГТУ в 2008 и 2010 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 5 работ в изданиях рекомендованных ВАК РФ, получено 4 патента РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 117 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 145 страницы, включает 61 рисунок, 14 таблиц и приложения.
