Разработка системы использования твердосплавного инструмента для механической обработки деталей типа изношенных колесных пар

Железные дороги являются одними из основных потребителей металла и металлорежущего инструмента в стране. В последнее десятилетие из-за недостаточной замены предельно изношенного подвижного состава и проблем со снабжением запасными частями, трудоемкость и себестоимость ремонта увеличилась более чем в 3,5 раза. Ремонт подвижного состава на предприятиях МПС России приобрел характер крупно серийного производства.

Одна из самых затратных составляющих технологического процесса ремонта подвижного состава — механическая обработка восстанавливаемых деталей. Анализ данных ремонтных предприятий МПС и последних публикаций показал, что за прошедшие десять лет объем механической обработки при восстановлении изношенных деталей увеличился в 1,6 раза, так как в результате различного рода повреждений в эксплуатации они по трудоемкости механической обработки и затратам на режущий инструмент, приравниваются к труднообрабатываемым.

В эксплуатации тяжело нагруженные детали приобретают уникальные свойства обрабатываемости резанием резко отличающиеся от обрабатываемости новых. Поэтому в ремонтном производстве имеет место различное взаимное сочетание переменных параметров механической обработки как при переходе от одной однотипной детали к другой, так и в пределах обработки одной детали. Это обусловливает сложность применения известных в машиностроении методик оптимизации режимов резания и параметров инструмента. По этим причинам производительность механической обработки при ремонте этих деталей в 6−8 раз ниже, а расходы на режущий инструмент в 4 — 6 раз выше, чем в транспортном машиностроении и составляют более 40% себестоимости механической обработки.

Наиболее высокие затраты на механическую обработку при восстановлении изношенного профиля обода колес, наплавленных поверхностей деталей тележки грузового вагона и автосцепного устройства. Ориентировочно в.

России на эти цели расходуется более 90 т дорогостоящего твердого сплава в год.

Цель работы: Снижение расхода твердосплавных пластин на механическую обработку при ремонте колесных пар, бандажей, осей и других тяжелонагруженных деталей подвижного состава.

Научная новизна работы заключается в критерии оценки влияния эксплуатационных дефектов колесных пар (выщербин, выбоин, зон местной закалки переменной твердости и др.) на обрабатываемость их резанием, учитывающего действие различных фактороввыявленных связях между разрушением твердосплавного лезвийного инструмента и процессами его взаимодействия с дефектами колесных пар, вызывающих износ режущих кромоквыявленных связях между конструктивными параметрами инструмента (геометрия, форма передней поверхности лезвия и др.) и стойкостью, уровнем вибрации, ломанием стружкиповышении прочности и износостойкости восстановленных сменных многогранных пластин до уровня новых пластин с износостойкими покрытиями посредством их нагрева и последующей обкаткиорганизации использования восстановленного твердосплавного инструмента для механической обработки при ремонте деталей подвижного состава.

Практическая значимость результатов, полученных в диссертации, заключается в снижении расхода твердого сплава на механическую обработку при ремонте деталей подвижного состава за счет организации инструментального обеспечения, основанной на многократном восстановлении работоспособности многогранных твердосплавных пластинвозможности использования многократно восстановленных сменных многогранных пластин для обработки дефектных деталей подвижного составарекомендациях по разработке технологий и оборудования для многократного восстановления сменных многогранных пластин и их рационального использования в системе инструментального обеспечения ремонта подвижного состава.

Реализация результатов работы. На двух предприятиях Омского отделения Западно-Сибирской железной дороги внедрены в производство технология и оснастка восстановления и упрочнения сменных многогранных пластин сборного твердосплавного инструмента для механической обработки при ремонте деталей подвижного состава. В период 1996;2001 гг. восстановлено более 25 тысяч изношенных пластин для десяти вагонных и локомотивных депо трех железных дорог региона. С 1999 г. на трех Омских ремонтных предприятиях МПС используются сборные инструменты повышенной жесткости и прочности с восстановленными пластинами, отработавшими свой ресурс на колесотокарных и колесофрезерных станках. Этот инструмент успешно используется для обточки осей, расточки бандажей, для фрезерования и строгания деталей тележек и др.

Подготовлен проект технической инструкции по использованию и обращению твердого сплава в системе МПС России.

Материалы исследований используются в педагогической практике Омского государственного университета путей сообщения и Омского государственного технического университета.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Для дальнейшего повышения экономических и эксплуатационных показателей работы железных дорог необходимо повышать надежность подвижного состава и сокращать расходы на поддержание его в работоспособном состоянии. В процессе эксплуатации подвижного состава происходят естественный износ и старение, а также различного рода повреждения и поломки отдельных деталей и узлов.

С целью восстановления работоспособности подвижного состава, обеспечения безаварийной работы и качества перевозок производятся его техническое обслуживание и ремонт. Основным видом ремонта по сети железных дорог является деповской, периодичность которого для каждого типа подвижного состава регламентируется соответствующими руководящими документами МПС России. В среднем для большинства типов подвижного состава он производился ежегодно [159, 160], но эта система ремонта в настоящее время заменена на обслуживание по гарантированному пробегу. По этой причине трудоемкость ремонта вагонов возросла в 1,5−2 раза, так как большинство ответственных тяжелонагруженных деталей подвижного состава поступающего в ремонт предельно изношены.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. На основе анализа промышленного опыта и обработки статистических данных установлено, что одной из основных причин повышенного расхода твердого сплава является низкая обрабатываемость колесных пар, бан-дажеи, осей и других тяжелонагруженных деталей, имеющих дефекты, приобретенные в эксплуатации, такие как отдельные зоны термомеханических повреждений высокой твердости, выбоины, выщербины и др., что в 4 — 6 раз увеличивает потребность в твердосплавном инструменте по сравнению с нормами, принятыми в машиностроении.

2. Вследствие многообразия действующих факторов автором показано, что обрабатываемость колесных пар целесообразно описывать через аддитивные критерии, учитывающие суммарное влияние многочисленных, разноразмерных и противоречивых факторов. На этой основе получены количественные характеристики обрабатываемости резанием колесных пар, учитывающие образующиеся макропогрешности геометрической формы, поверхностные дефекты обода, наклеп и наличие зон повышенной твердости, дефекты термомеханического взаимодействия колеса, тормозной колодки и рельса.

3. Установленные закономерности изнашивания и разрушения режущей части твердосплавных инструментов в результате взаимодействия их с органическими дефектами по обрабатываемости проявляются в виде сколов на кромках глубиной порядка 0,05 — 2 мм, которым предшествуют изнашивание и деформация отдельных участков лезвиятаким образом, образование сколов является основным видом разрушения лезвия (более 90% инструмента).

4. В результате экспериментальных исследований выявлены следующие особенности построения конструкций сборных твердосплавных инструментов со сменными многогранными пластинами, эффективных в ремонтном производстве при соответствующих свойствах по обрабатываемости деталей: для жестких технологических систем оптимальным для токарной обработки является инструмент с отрицательной фаской и положительным передним угломпри низкой жесткости системы целесообразно работать с нулевым передним углом, а для фрез количество зубьев должно быть таким, при котором обеспечивается пауза между врезанием лезвий достаточной для затухания вибрации.

5. Математическое моделирование напряженно-дсформированного состояния лезвия сменной многогранной пластины с использованием принципа суперпозиции напряжений для построения линий равных касательных напряжений (изохром) при взаимодействии его с дефектом, вызывающим катастрофическую нагрузку, показало, что по мере притупления лезвия и с увеличением заднего угла пластины изохромы максимальных напряжений смещаются к режущей кромке и вероятность сколов увеличиваетсяуменьшение толщины пластины на 25% существенно не изменяет картину расположения изохром, что подтверждает практически проверенную возможность многократного восстановления сменных многогранных пластин.

6. Экспериментально доказана возможность создания технологии восстановления ресурса стойкости сменных многогранных пластин путем сочетания алмазной абразивной обработки по передним и задним поверхностям так, чтобы сохранялась возможность установки и закрепления пластин в инструменте без корректировки размеров гнезда, что позволяет в определенных пределах не менять конструкцию корпуса для крепления восстановленных пластин.

7. Разработаны технология и оборудование для термомеханической обработки твердосплавных многогранников, сочетающая высокотемпературный нагрев и поверхностную пластическую деформацию пластин, она восстанавливает ресурс стойкости инструментов, утрачиваемый в результате срезания слоя износостойких покрытий новых пластин при алмазном шлифовании. Методом электронной фрактографии и рентгеновскими исследованиями установлено, что термомеханическая обработка приводит к измельчению крупных карбидов твердого сплава и более равномерному распределению твердости в объеме лезвия, что и повышает износостойкость пластин твердого сплава до двух раз.

8. Разработана ресурсосберегающая система инструментального обеспечения механической обработки при ремонте колесных пар и других труднообрабатываемых деталей, обеспечивающая возможность многократно восстанавливать ресурс режущих инструментов, при обработке разнообразной номенклатуры деталей подвижного состава — от наиболее труднообрабатываемых до более простых. Разработаны и обоснованы структурная и математическая модели системы инструментального обеспечения ремонта деталей подвижного состава, которые могут быть использованы для поиска путей снижения затрат на инструмент и снижения расхода твердого сплава.

9. Результаты исследований нашли свое практическое использование в технологии и оборудовании для алмазного шлифования твердосплавных многогранников на ремонтных предприятиях Западно-Сибирской и Восточно-Сибирской железных дорог. Экономическая эффективность к концу 2001 г. составила 4 млн р. Существуют перспективы дальнейшего расширения использования технологийзапатентованном методе термомеханической обработки твердосплавных сменных многогранных пластин, внедренном на Омском отделении Западно-Сибирской железной дорогисистеме ресурсосберегающего инструментального обеспечения ремонта деталей ухудшенной обрабатываемости, принятой к полному или частичному использованию рядом предприятий МПС России (в трех вагоноремонтных и двух локомотивных депо г. Омска, в вагонных депо г. Красноярска, Иланска, Тайшета, Иркутска) — материалы исследований используются в педагогической практике Омского государственного университета путей сообщения и Омского государственного технического университета и содержатся в курсах лекций, лабораторных работах и в дипломном проектировании.

Заключение

.

Низкая эффективность механической обработки при ремонте подвижного состава объясняется не только ухудшенной обрабатываемостью резанием поступающих в ремонт деталей, но и отсутствием системы инструментального обеспечения ремонтного производства. Поэтому имеет место дефицит дешевого, качественного и высокопроизводительного инструмента. Применяемый инструмент используется не рационально. Это приводит к повышенному расходу дорого стоящего твердого сплава при низкой производительности и высокой себестоимости восстановления деталей.

Основным типом металлорежущего оборудования на ремонтных предприятиях МПС являются токарные станки, доля их составляет 72%. На эти станки приходится до 87% расходуемого металлорежущего инструмента, 95% которого является твердосплавным.

От 30 до 45% себестоимости механической обработки при ремонте и изготовлении деталей подвижного состава приходится на приобретение и эксплуатацию твердосплавного инструмента. Эффективность его использования в ремонтном производстве в 4−6 раз ниже, чем в машиностроении. Более 70% твердосплавного инструмента выходит из строя по изломам и выкрашиванию. Основной причиной этого является то, что проблеме механической обработки и, в частности, инструментальному обеспечению на железнодорожном транспорте не уделяется должного внимания.

Основным потребителем твердосплавного инструмента являются колесные цехи, колесо ремонтные мастерские и участки. Анализ затрат на ремонт колесных пар в депо показал, что: более 30% себестоимости ремонта со сменой старогодних элементов и 56% себестоимости ремонта без смены элементов составляют затраты на механическую обработкуот 42 до 44% затрат на обточку связаны с расходами на режущий инструмент, что больше даже накладных расходов, которые составляют 38%- установлена устойчивая тенденция роста цен на качественные СМП. За период 1995;2000 г. стоимость основного типа пластин для обточки колесLNMX 301 940 возросла с 24 до 500 р., т. е. более чем в 20 раз. На мировом рынке стоимость этих пластин — 50−60 долл. США. Таким образом цены на эти изделия приближаются к мировым, а затраты связанные с инструментом будут возрастать.

В среднем на одно ремонтное предприятие для обработки колесных пар расходуется более 200 кг твердого сплава в год, что на порядок больше, чем в заготовительных и механических участках и отделениях вместе взятых. В целом по России на ремонт подвижного состава расходуется около 90 тонн твердого сплава в год. По ценам внутреннего рынка (6 тыс. р./кг) на приобретение твердосплавного инструмента МПС затрачивает около 500 млн. р. в год.

Доказано, что для обточки колес наиболее надежными являются твердые сплавы группы резания РЗО и Р40, предназначенные для тяжелых условий обработки. Установлено, что лучшие эксплуатационные показатели имеют сплавы с наиболее высоким комплексом свойств по износостойкости, прочности и усталостной прочности. К ним относятся марки зарубежных фирм — SH, AT15S и марки отечественных производителей — ЖС 17, Т5, Т1, МК8. Причем, Российские сплавы Т1 и ММ2 могут конкурировать с лучшими зарубежными марками, если удастся повысить их предел высокотемпературной текучести без снижения пластических свойств.

Использование на ремонтных предприятиях современных качественных инструментов сборной конструкции с механическим креплением сменных, многогранных твердосплавных пластин (СМП) ограничивается высокой их стоимостью, а также повышенным расходом дорогостоящих твердосплавных пластин на обработку дефектных и наплавленных поверхностей ремонтируемых деталей. Высокий расход СМП объясняется также нерациональной их эксплуатацией, при которой исключается их восстановление и повторное использование. Отсутствует специальный, производительный режущий инструмент, спроектированный под конкретные операции механической обработки восстанавливаемых деталей.

Установлено, что при обработке колесных пар около 86% пластин снимают с эксплуатации с износом по задней поверхности в пределах 0,29−0,65 мм и только 6% отработавших пластин имели износ более 0,65 мм. При этом потеря массы у них в среднем составила около 0,05 г. (0,07%). Несмотря на это изношенные пластины подлежат утилизации, так как не обеспечивают заданного качества обработки. Около 90% отработавших СМП имели сколы не более 1,0−1,5 мм и могут быть восстановлены глубокой заточкой по передней поверхности алмазным абразивным инструментом.

Разработана рациональная схема эксплуатации основных типов СМП сборного инструмента колесообрабатывающих станков, которая основана на многократном, полноценном восстановлении режущей способности этих пластин и повторное их использование для обработки колесных пар и других деталей подвижного состава в специально созданном твердосплавном инструменте сборной конструкции.

Разработана блок схема алгоритма системы рациональной эксплуатации СМП для условий ремонтного депо и математическая модель оптимизации этой системы по суммарному ресурсу пластин. Анализ этой модели показал, что обеспечить максимальный ресурс СМП возможно при оптимальных условиях их эксплуатации, исключающих поломку за период, соответствующий оптимальной экономической стойкости инструмента. Это достигается только при достаточно высоком качестве восстановления изношенных пластин на каждом цикле их повторного использования.

На основе алгоритма новой системы эксплуатации СМП разработана структура ресурсосберегающей системы инструментального обеспечения ремонта подвижного состава (СИО), которая основывается на организации производства качественных, дешевых СМТП различных типоразмеров и корпусов специального твердосплавного инструмента сборной конструкции под различные операции механической обработки деталей вагонов и локомотивов. Заготовками для этих СМТП являются изношенные пластины, отработавшие ресурс при обточке колесных пар.

Разработана математическая модель оптимизации СИО ремонта подвижного состава по затратам на режущий твердосплавный инструмент. Независимые переменные этой модели являются функциями параметров данной технологической системы механической обработки. Каждый этап эксплуатации и восстановления СМП является подсистемой этой СИО. Поэтому решение данной оптимизационной задачи должно решаться поэтапно для каждой детали из перечня, входящих в СИО. Целевая функция распадается на систему целевых функций, связанных между собой условием обеспечения последующего этапа достаточным количеством годных СМП для выполнения программы ремонта соответствующей детали.

Поставщиком заготовок для производства СМП в разработанной системе инструментального обеспечения является колесный цех. Поэтому на первом этапе СИО разработана математическая модель оптимизации по себестоимости затрат на инструмент при обточке колесных пар. Детально формализовать целевую функцию и систему ограничений этой модели при недостатке информации о влиянии независимых переменных на себестоимость не представляется возможным. Такого рода оптимизационные задачи должны решаться методом последовательных приближений.

Анализ математической модели СИО обточки колесных пар выявил следующие пути снижения затрат на инструмент: исключение поломок СМП за счет обеспечения рациональных условий эксплуатации и повышения их качестваопределение оптимальной величины допустимого износа пластин, при которой обеспечивается максимальное количество периодов их стойкостиувеличение периода стойкости СМП за счет повышения износостойкости и эксплуатационной надежности инструментауменьшение затрат на восстановление пластин за счет разработки мало затратной высоко производительнои технологии алмазной абразивнои обработки.

Внедрение инструментального обеспечения механической обработки деталей подвижного состава на основе восстановления и рациональной эксплуатации только одного типа сменных многогранных пластин сборного инструмента колесообрабатывающих станков снижает затраты на инструмент для обработки колесных пар по сравнению с первоначальными затратами в четыре раза, а для других деталей — более чем в 40 раз.

7. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ НА РЕМОНТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ МПС.

Возможность снижения расхода твердого сплава на ремонтных предприятиях за счет многократного использования сменных многогранных пластин сборного твердосплавного инструмента колесообрабатывающих станков может быть обеспечена, если выполняются следующие требования к технологии и оснастке для восстановления этих пластин: восстанавливается не менее 70−80% изношенных пластинкачество восстановленного инструмента не ниже чем у новогостоимость восстановления не выше 30% от стоимости новой СМПпереточка выполняется на универсальном оборудованиине требует рабочих высокой квалификациитехнология и оснастка отвечает требованиям техники безопасности и производственной санитариипростота реализации в условиях ремонтных предприятий. Технология, отвечающая этим требованиям, отсутствовала. Существующие заводские технологии, как показали результаты многократных попыток их использования, не рентабельнымалоэффективны и не могут быть внедрены в условиях ремонтных предприятий.

Поэтому на кафедре «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» ОмГУПСа, под руководством и непосредственном участии автора, была разработана универсальная технология восстановления алмазной абразивной обработкой всей номенклатуры изношенных СМП сборного твердосплавного инструмента для обточки колесных пар, отвечающая выше приведенным требованиям. В основу этой технологии положены результаты выполненных исследований.

7.1. Технологические процессы восстановления изношенных СМП сборного инструмента для обработки колесных пар

Предполагаемая программа обработки собираемого с сети дорог России вышедшего из строя инструмента, обусловили выбор варианта технологии восстановления методом механической обработки. Определили типажи и количество единиц технологического оборудования, конкретизировали методы и средства метрологического обеспечения, позволив спрогнозировать затраты на всю технологическую цепочку возврата в производство твердосплавного инструмента для обточки колёсных пар.

Исходя из выше изложенного, предлагается следующая маршрутная технология: сортировка пластин по степени разрушения лезвийглубокая заточка передней поверхностивышлифовка канавок для дробления стружкидоводка задних поверхностейзаточка упрочняющей фаски на передней поверхностисортировка по базовым размерамконтроль и упаковка.

7.1.1. Технология восстановления режущей способности затупленных твердосплавных пластин круглой формы инструмента колесообрабаты-вающих станков.

По разработанной схеме профилирования передней поверхности лезвия коноидальной формы (рис. 4.7) сконструирована и изготовлена оснастка на универсальный заточной станок. Технология и оснастка предназначены для восстановления работоспособности сменных многогранных твердосплавных пластин RPUX ЗОЮМО, RPUX 27ЮМО, RCGM ЗОЮ 00, RCGM 2710 00, TNGN 301 060 резцов колесотокарных станков и RNGX 1212МО — для сборных фрез станков КЖ-20 (см. рис. 7.1 и 7.2).

Использование технологии и оснастки позволяют восстанавливать более 80%изношенные пластин и сократить расход твердого сплава на обработку колес в 1,5−2,5 раза. Применять восстановленные пластины для обработки других деталей подвижного состава (точение, строгание, фрезерование) если их размер или количество глубоких сколов не позволяет производить обточку колесШ J.

JM.

Jf Jill.

II ' J ~ 4 — 1 Т мььнмйин.

Шжжй, ' - v f" ы и */Г.

— - • V'.-c"' !"","" Л? ПмУ^п. «.

Рис. 7.1. Приспособление к универсальному заточному станку для восстановления изношенных СМП сборного инструмента колесообрабатываюsi: ^ ^^ 1(/ ^ I щих станков.

RPUX 301OMO, RPUX 271OMO RNGX 1212MO.

Рис. 7.2. Пластины, восстановленные на специальном приспособлении.

Технико-экономические характеристики: производительность — до 100−300 штук в сменумаксимальная глубина сколов восстанавливаемых пластин — до 1,5 ммувеличение ресурса пластин в 3−4 раза за счет 2−3-х кратной переточкивозможность использования универсального оборудования, оснастки и стандартного инструмента (станок модели ЗД642, приспособленный для круглого шлифования на базе универсальной заточной головки Ш, алмазные шлифовальные круги) — замкнутая система водяного охлаждения шлифовального круга исключает запыленность и загазованность рабочего местане требуется высокой квалификации заточника. Необходимые навыки рабочий приобретает в течение пяти сменвозможность обеспечить оптимальную форму и геометрию лезвия в зависимости от обрабатываемости деталей и конкретных условий работыколичество обслуживающего персонала — один рабочий. В ОмГУПСе по этой технологии за период 1996;2001 гг. восстановлено более 25 000 круглых пластин для ремонтных депо железных дорог Сибири.

Технология внедрена в ОмГУПСе в 1996 г. и в Омском пассажирском вагонном депо в 1998 году.

7.1.2. Технология восстановления режущей способности затупленных твердосплавных пластин призматической формы инструмента для обточки колесных пар

Назначение: обеспечение восстановления работоспособности твердосплавным пластинам LNUX 301 940, LNUX 191 940, BNMX 201 540 резцов ко-лесотокарных станков (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Пластины призматической формы инструмента для обточки колесных пар, восстановленные алмазной абразивной обработкой.

Устранение большей части износа обеспечивается черновым врезным шлифованием по схеме представленной на рис. 4.7 на установке, изготовленной на станине списанного круглошлифовального станка модели ЗА110, обеспечивающей получение вогнутой коноидальной поверхности. Вогнутость легко регулируется при наладке на операцию в пределах 0,05- 0,3 мм. Последующее чистовое плоское шлифование с выхаживанием обеспечивает отклонение плоскостности не более 5−8 мкм в сторону вогнутости (см. рис. 4.11, б). Высокое качество опорной поверхности повышает стойкость СМП.

По разработанной схеме профилирования канавок эллипсоидной формы (рис. 4.8) сконструирована и изготовлена оснастка для стандартного при.

LNUX 301 940.

BNMX 201 540 способления П 1 универсального заточного станка, использование которой обеспечивает высокое качество и производительность шлифования, не требуя правки круга за весь период его стойкости. В ОмГУПСе организовано серийное производство призматических пластин. Для Восточно-Сибирской железной дороги в 2000;2001 гг восстановлено более 6000 изношенных СМП LNUX 301 940. Производительность разработанной оснастки с переналадкой на каждую операцию составляет в среднем 50−60 пластин в смену. При необходимости она может быть увеличена многократно за счет перехода на многостаночную пооперационную технологию.