Проблема
Износ профилей колесных пар и переменные условия резания приводят к повышенному расходу СМП и нестабильности качества обработанной поверхности.
Инженерное технологическое решение
Технология фрезерной обработки профилей катания колесных пар
С применением сборной дисковой фрезы со сменными многогранными пластинами для повышения стойкости инструмента, стабильности обработки и качества поверхности.
О проекте
От научной разработки к промышленной апробации
Проект формирует комплексное технологическое решение: конструкция сборного режущего инструмента, выбор типа СМП, рекомендации по режимам резания, эксплуатации и оценка эффективности применения в ЖД отрасли.
Проект реализован при поддержке Фонда содействия инновациям в рамках программы «Студенческий стартап» мероприятия «Платформа университетского технологического предпринимательства» федерального проекта «Технологии».
Решение
Использование разработанной сборной дисковой фрезы со сменными многогранными пластинами (СМП).
Результат
Повышение стойкости режущих элементов, сокращение простоев и получение требуемой геометрии профиля.
Статус
Технология предназначена для адаптации под конкретный станок, профиль, материал и производственные условия.
Технология и инструмент
Как работает технологическое решение
1
Диагностика
Оценка износа, дефектов, припуска и фактической твердости поверхности.
2
Выбор профиля
Определение требуемой геометрии и допусков восстановленной поверхности.
3
Подбор инструмента
Выбор диаметра фрезы, числа зубьев, типа и положения СМП.
4
Назначение режима резания
Расчет скорости резания, частоты вращения, подачи и глубины резания.
5
Обработка и контроль
Пробный проход, корректировка параметров и контроль профиля и шероховатости.
Состав решения
- сборная дисковая фреза;
- сменные многогранные пластины и крепежные элементы;
- алгоритм расчета геометрических и режимных параметров;
- рекомендации по настройке, эксплуатации и контролю;
- адаптация управляющей программы под оборудование заказчика.
Ключевые конструктивные параметры
- Диаметр фрезы
- подбирается под станок и профиль
- Число зубьев
- подбирается по диаметру фрезы и условиям обработки
- Тип пластин
- тангенциальные или радиальные СМП
- Ремонтопригодность
- замена отдельных изношенных СМП
Режимы резания
Расчетные данные фрезерования
Раздел содержит исходные данные, использованные при определении режимов фрезерования и оценке машинного времени обработки.
Исходные данные расчета
- Диаметр фрезы D
- 135 мм
- Число зубьев z
- 10 шт.
- Продольная подача
- 0,9 мм/зуб
- Периферийная подача
- 0,35 мм/зуб
- Диаметр заготовки
- 957 мм
- Ширина колеса
- 130 мм
- Глубина фрезерования
- 1–5 мм
- Материал
- колесная сталь 2
- Предел прочности σв
- 910 МПа
Определение машинного времени
Основное время фрезерования определяется по суммарной длине перемещения инструмента вдоль профиля и величине продольной минутной подачи.
Tм = (L1 + L2) / Sм.прод.
L1 = 113 мм — длина резания до вершины гребня; L2 = 17 мм — длина резания от вершины гребня.
Итоговые расчетные режимы
Режимные ориентиры для дисковой фрезы D = 135 мм, z = 10
По результатам расчетов для рассматриваемой технологической схемы определены два базовых уровня скорости резания. Эти значения использовались как ориентиры при последующей экспериментальной отработке процесса.
Расчетная серия выполнена для глубины резания t = 1–2 мм; полученные режимы использованы для оценки работоспособности технологической схемы и последующего выбора экспериментальных параметров.
Экспериментальные режимы
Опытная обработка на станке с ЧПУ
Проведено шесть серий фрезерования заготовок из сталей 40Х и 35ХГСН с применением тангенциальных пластин LNHU 1306 и радиальных пластин ADKT 1505. Параметры резания подбирались индивидуально для каждого случая с учетом материала заготовки и типа установленных СМП.
Опытная обработка
Фрезерование профиля катания в лабораторных условиях
Опытные обработки выполнялись на трехкоординатном фрезерном станке с ЧПУ в условиях, максимально приближенных к практике восстановления профиля катания колесных пар. На видео показана установка инструмента и заготовки в процессе эксперимента.
- единая схема закрепления для всех опытов;
- обработка одной и той же дисковой фрезой с СМП;
- контроль нагрузок и устойчивости процесса резания.
Влияние типа СМП
При тангенциальных пластинах применялась более высокая подача на зуб, вследствие чего фиксировались повышенные силовые и энергетические показатели. Для радиальных пластин использовалась сниженная подача.
Влияние материала
Силовая нагрузка определяется не только твердостью материала, но и типом пластины, геометрией режущей кромки, скоростью и подачей.
Энергетические характеристики
Эксперименты подтвердили необходимость совместного учета силы резания, крутящего момента и мощности при выборе режимов и оценке энергетических характеристик процесса.
Направление фрезерования
Данные получены при встречном фрезеровании. При переходе к попутному фрезерованию силовые нагрузки могут снижаться в среднем на 3–7%.
Эффективность
Результаты экспериментальной оценки
Показатели приведены для исследованных условий и не являются универсальной гарантией для любого оборудования.
Ra 2–5,1 мкмшероховатость после фрезерования
Ra ≈ 9–10 мкмсравниваемая токарная обработка
0,78 ммизнос тангенциальной пластины
до 1,25 ммизнос радиальной пластины
Сравнение выполнено с производственными данными традиционной токарной обработки профиля катания колесных пар.
фактическая стойкость режущего инструмента при фрезеровании против 122,5–177,5 мин при токарной обработке.
колесных пар без поворота СМП против не более 5 при точении; машинное время фрезерования — 32,67 мин.
экономия производственной себестоимости при годовом выпуске 800 колесных пар по сравнению с токарной обработкой.
1,954 млн ₽ для дисковой фрезы против 4,884 млн ₽ для токарного резца в расчете на годовой выпуск.
Анализ шероховатости поверхности
Оценка качества обработанной поверхности
После фрезерования поверхности катания колесной пары была выполнена количественная оценка параметров шероховатости. Измерения проводились на координатно-профилографической системе Optacom VC-10-UL, оснащенной датчиком измерения шероховатости и специализированным программным обеспечением.
Для анализа были выбраны прямолинейные зоны профиля, по которым определяется диаметр колесной пары и которые в основном участвуют в эксплуатации. Измерения выполнялись в поперечном направлении относительно траектории фрезерования.
Конусная 1:3.5Ra = 1.967 мкм
Конусная 1:10Ra = 5.091 мкм
- Ra ≤ 10 мкм — при скорости движения до 200 км/ч;
- Ra ≤ 6.3 мкм — при скорости движения 200 км/ч и выше.
Полученные значения шероховатости не превышают нормативных требований ГОСТ 11018-2011, что подтверждает эффективность применения разработанной технологии фрезерования при обеспечении требуемого качества поверхности катания колесных пар мобильных колесных платформ.
Традиционная токарная обработка
- быстрый износ СМП от повышенного и непрерывного трения и нагрузок;
- длинные завивающиеся стружки в зоне резания;
- при тяжелых условиях возрастает расход пластин.
Разработанная технология фрезерования
- многозубая конструкция распределяет нагрузку между режущими зубьями;
- прерывистое резание облегчает стружкодробление;
- возможна индивидуальная замена режущих элементов;
- конструкция адаптируется под требуемый профиль.
Рекомендации
Порядок подготовки и применения
Подготовка инструмента
- очистить посадочные поверхности и крепежные элементы;
- проверить состояние корпуса фрезы и СМП;
- убедиться в правильной установке и надежном закреплении;
- исключить загрязнения в посадочных местах.
Подготовка колесной пары
- определить вид и величину износа;
- определить материал колеса;
- оценить твердость и припуск;
- обеспечить надежное базирование.
В процессе обработки
- контролировать нагрузку шпинделя;
- следить за вибрациями и стружкой;
- своевременно заменять изношенные СМП.
Рекомендуемая конструкция фрезы
Конструкция, установленная по результатам расчетов и экспериментов
По результатам проведенных расчетов, экспериментальных обработок и анализа состояния режущих элементов рекомендована сборная дисковая фреза с тангенциальным расположением пластин и ремонтопригодной компоновкой режущих узлов.
- равномерное распределение нагрузки между режущими зубьями;
- возможность индивидуальной замены изношенных элементов;
- адаптация конструкции под профиль и условия обработки колесной пары.
Рекомендуемый тип СМП
Тангенциальные пластины LNHU 1306
В экспериментальных условиях они показали более устойчивую работу и меньшую склонность к сколам по сравнению с радиальными пластинами.
Обратная связь
Оставить запрос по технологии
Через форму обратной связи можно направить запрос для получения дополнительной информации о технологии, условиях апробации и возможностях сотрудничества.