基于RecurDyn的數(shù)控不落輪車床踏面車刀沖擊載荷的仿真研究

摘 要：踏面車刀是數(shù)控不落輪車床車削加工輪對(duì)踏面的工具，由于地鐵車輛的輪對(duì)表面在高速運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)擦傷、裂紋、剝離等情況，所以在修復(fù)踏面時(shí)車刀切入過程的崩刃現(xiàn)象非常突出。鑒于此，基于多體動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)RecurDyn，在車刀刀刃處取觀測(cè)點(diǎn)，模擬車刀的實(shí)際切削狀態(tài)，以獲得觀測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變與應(yīng)力曲線，分析不同切削速度、進(jìn)給量下觀測(cè)點(diǎn)所受最大應(yīng)變和應(yīng)力的影響。

關(guān)鍵詞：RecurDyn;合金車刀;沖擊載荷;動(dòng)力學(xué)仿真

0 引言

在電客車高速運(yùn)行過程中，制動(dòng)力過強(qiáng)，輪對(duì)被閘瓦抱死，輪對(duì)在鋼軌上滑行會(huì)產(chǎn)生踏面剝離和擦傷等缺陷。輪對(duì)鏇修時(shí)，缺陷的存在會(huì)產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)，導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀片崩刃現(xiàn)象的發(fā)生。

本文采用多體動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)RecurDyn，在刀刃處取觀測(cè)點(diǎn)，分析不同切削速度和進(jìn)給量時(shí)觀測(cè)點(diǎn)所受最大應(yīng)變和應(yīng)力的影響，仿真結(jié)果為在輪對(duì)踏面缺陷處切削時(shí)選擇合理的切削速度和進(jìn)給量提供了理論參考。

1 模型的建立

1.1? ? 接觸力算法

在Hertz接觸問題中，由于接觸區(qū)附近變形受周圍介質(zhì)約束，因而各點(diǎn)處于三向應(yīng)力狀態(tài)，隨離接觸面距離的增加而迅速衰減。此外，接觸應(yīng)力與外加壓力呈非線性關(guān)系，并與材料的彈性模量和泊松比有關(guān)。

Hertz接觸理論得到的應(yīng)力滿足橢圓分布規(guī)律，即正應(yīng)力σz如下：

式中：pm為接觸面的平均應(yīng)力。

但現(xiàn)實(shí)中很多接觸問題并不滿足Hertz理論條件，RecurDyn中接觸力的計(jì)算是基于Hertz接觸理論的，但在Hertz理論上進(jìn)行了優(yōu)化，其接觸力的法向力fn計(jì)算如下[1]：

式中：k為接觸剛度系數(shù);c為阻尼系數(shù);δ為接觸穿透深度;δ′為接觸穿透深度的導(dǎo)數(shù);m1為剛度指數(shù);m2為阻尼指數(shù);m3為凹痕指數(shù)。

這些參數(shù)取決于所選用材料的類型、尺寸等因素。

1.2? ? 仿真模型的建立

為了獲得與實(shí)際情況盡可能相符的分析結(jié)果，輪對(duì)踏面缺陷模擬采用實(shí)心鋼球，主要原因有兩個(gè)：一是曲面跟平面接觸，應(yīng)力變化情況較為復(fù)條，各接觸點(diǎn)的工作角度不一致，與實(shí)際情況更加貼近;二是曲面、平面從接觸到撞擊的過程是一個(gè)由點(diǎn)到面的發(fā)展過程，這樣的沖擊力也與實(shí)際情況更加貼近。

RecurDyn中的節(jié)點(diǎn)柔性體（FFlex）以柔性體節(jié)點(diǎn)的相對(duì)變形來描述其變形量，適用于接觸及大變形等非線性力學(xué)問題方面，而本文中的踏面刀片，工作時(shí)主要與輪對(duì)踏面接觸，且只有進(jìn)給方向的位移，因此對(duì)刀片和模擬踏面缺陷的鋼球劃分網(wǎng)格均采用RecurDyn自帶的網(wǎng)格劃分工具。

接著在踏面刀片和大地之間添加平移副，在鋼球上定義初始速度，在鋼球和踏面刀片之間添加接觸，以刀刃邊緣節(jié)點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn)，并給此觀測(cè)點(diǎn)添加云圖數(shù)據(jù)軌跡。

車刀背刀量取值2 mm，車刀和鋼球的建模及仿真參數(shù)如表1和表2所示[2-3]。

最終，沖擊系統(tǒng)的仿真模型如圖1所示。

2 沖擊斷裂仿真分析

切削參數(shù)和仿真結(jié)果如表3所示。

當(dāng)切削速度從40～120 m/min，進(jìn)給量從0.1～0.6 mm/r變化時(shí)，最大應(yīng)變?chǔ)舲從0.024 9 mm增加到0.047 2 mm，增幅為89.6%;最大應(yīng)力σz從6 559.33 N/mm2增加到9 337.42 N/mm2，增幅為42.4%。

當(dāng)切削速度為40 m/min，進(jìn)給量從0.1～0.6 mm/r變化時(shí)，最大應(yīng)變?chǔ)舲從0.025 7 mm下降到0.024 9 mm，降幅為3.11%;最大應(yīng)力σz從6 884.17 N/mm2下降到6 559.33 N/mm2，降幅為4.72%。

當(dāng)切削速度為80 m/min，進(jìn)給量從0.1～0.6 mm/r變化時(shí)，最大應(yīng)變?chǔ)舲從0.038 1 mm下降到0.037 5 mm，降幅為1.57%;最大應(yīng)力σz從7 737.68 N/mm2下降到7 404.25 N/mm2，降幅為4.31%。

當(dāng)切削速度為120 m/min，進(jìn)給量從0.1～0.6 mm/r變化時(shí)，最大應(yīng)變?chǔ)舲從0.047 2 mm下降到0.046 1 mm，降幅為2.33%;最大應(yīng)力σz從9 337.42 N/mm2下降到8 768.63 N/mm2，降幅為6.09%。

由表3可以得出，切削速度越大，刀片發(fā)生沖擊斷裂的可能性越高，在一定的范圍內(nèi)增大進(jìn)給量，踏面缺陷對(duì)刀片的沖擊影響并不明顯;當(dāng)進(jìn)給量達(dá)到一定值時(shí)，踏面缺陷對(duì)刀片的沖擊所產(chǎn)生的最大應(yīng)變和應(yīng)力有下降的趨勢(shì)，說明此時(shí)刀片和踏面缺陷的正面撞擊變?yōu)榱诵比敕较颍徊糠帜芰繐p失，即最大應(yīng)變和應(yīng)力下降，這與實(shí)際切削情況相吻合。

3 結(jié)論

數(shù)控不落輪車床切削輪對(duì)踏面時(shí)，車刀崩刃現(xiàn)象突出。本文借助虛擬仿真平臺(tái)RecurDyn，對(duì)車刀刀片所受到的沖擊載荷進(jìn)行了仿真，以降低生產(chǎn)成本為目的，具有較強(qiáng)的理論和實(shí)際指導(dǎo)意義。

本文通過研究，得出以下結(jié)論：

（1）通過仿真發(fā)現(xiàn)，切削速度對(duì)刀片的碰撞載荷影響最大，當(dāng)切削速度不斷增大時(shí)，刀片所受的應(yīng)變和應(yīng)力急劇增大。

（2）在相同切削速度的情況下，進(jìn)給量對(duì)刀片的碰撞載荷影響較小，當(dāng)進(jìn)給量不斷增大時(shí)，刀片所受的應(yīng)變和應(yīng)力變化不大，且有減小的趨勢(shì)，即刀片和踏面缺陷的正面撞擊變?yōu)榱诵比敕较蚨芰繐p失，使得刀片所受的應(yīng)變和應(yīng)力減小。

（3）在最小的切削速度、大進(jìn)給量的情況下，刀片所受的沖擊載荷較小，刀片所受應(yīng)變和應(yīng)力也較小，且踏面缺陷對(duì)刀片的沖擊次數(shù)減少，這將大大減小刀片發(fā)生斷裂失效的概率。

（4）在實(shí)際加工過程中，當(dāng)?shù)镀M(jìn)入踏面缺陷區(qū)域，應(yīng)將切削速度（輪對(duì)轉(zhuǎn)速）調(diào)整到最小值。如果輪對(duì)表面質(zhì)量很差，黑皮層很厚，一刀粗車不能切掉踏面多個(gè)缺陷，且背刀量過大容易出現(xiàn)退刀和悶車現(xiàn)象，另外輪對(duì)軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)較大，這時(shí)需將加工工藝分為兩刀粗車和一刀精車。第一刀粗車盡量將背刀量設(shè)為大值，且低于悶車和退刀風(fēng)險(xiǎn)值，以最慢切削速度和盡可能小的進(jìn)給量車削，隨時(shí)觀察刀片的破損情況。第二刀粗車以最慢的切削速度進(jìn)行切削，適當(dāng)加大車刀進(jìn)給量，這時(shí)刀片將會(huì)加快離開缺陷區(qū)域，沖擊載荷減小，沖擊次數(shù)減少，刀片斷裂失效的概率將會(huì)減小。當(dāng)粗車完畢，機(jī)床測(cè)量后開始精車時(shí)，將切削速度設(shè)置為40 m/min左右，進(jìn)給速度設(shè)置為50～60 m/min，加工后輪對(duì)的表面光潔度將會(huì)達(dá)到最優(yōu)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 劉義.RecurDyn多體動(dòng)力學(xué)仿真基礎(chǔ)應(yīng)用與提高[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2] 尹成湖，周湛學(xué).機(jī)械加工工藝簡明速查手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.

[3] Hegenscheidt-MFD GmbH&Co.KG.U2000-400 Underfloor Wheelset Lathe User's Manual[Z].

收稿日期：2021-01-18

作者簡介：孫德鵬（1978—），男，陜西銅川人，碩士研究生，工程師，研究方向：機(jī)械CAD/CAE/CAM。