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踏面的工具，由于地鐵車輛的輪對表面在高速運行過程中會出現(xiàn)擦傷、裂紋、剝離等情況，所以在修復(fù)踏面時車刀切入過程的崩刃現(xiàn)象非常突出。鑒于此，基于多體動力學(xué)仿真平臺RecurDyn，在車刀刀刃處取觀測點，模擬車刀的實際切削狀態(tài)，以獲得觀測點的應(yīng)變與應(yīng)力曲線，分析不同切削速度、進給量下觀測點所受最大應(yīng)變和應(yīng)力的影響。

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

0 引言

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

本文采用多體動力學(xué)仿真平臺RecurDyn，在刀刃處取觀測點，分析不同切削速度和進給量時觀測點所受最大應(yīng)變和應(yīng)力的影響，仿真結(jié)果為在輪對踏面缺陷處切削時選擇合理的切削速度和進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)實中很多接觸問題并不滿足Hertz理論條件，RecurDyn中接觸力的計算是基于Hertz接觸理論的，但在Hertz理論上進行了優(yōu)化，其接觸力的法向力fn計算如下[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

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

RecurDyn中的節(jié)點柔性體（FFlex）以柔性體節(jié)點的相對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，工作時主要與輪對踏面接觸，且只有進給方向的位移，因此對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)點為觀測點，并給此觀測點添加云圖數(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。

當切削速度從40～120 m/min，進給量從0.1～0.6 mm/r變化時，最大應(yīng)變εz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%。

當切削速度為40 m/min，進給量從0.1～0.6 mm/r變化時，最大應(yīng)變εz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%。

當切削速度為80 m/min，進給量從0.1～0.6 mm/r變化時，最大應(yīng)變εz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%。

當切削速度為120 m/min，進給量從0.1～0.6 mm/r變化時，最大應(yīng)變εz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)增大進給量，踏面缺陷對刀片的沖擊影響并不明顯;當進給量達到一定值時，踏面缺陷對刀片的沖擊所產(chǎn)生的最大應(yīng)變和應(yīng)力有下降的趨勢，說明此時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，這與實際切削情況相吻合。

3 結(jié)論

數(shù)控不落輪車床切削輪對踏面時，車刀崩刃現(xiàn)象突出。本文借助虛擬仿真平臺RecurDyn，對車刀刀片所受到的沖擊載荷進行了仿真，以降低生產(chǎn)成本為目的，具有較強的理論和實際指導(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)，切削速度對刀片的碰撞載荷影響最大，當切削速度不斷增大時，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，進給量對刀片的碰撞載荷影響較小，當進給量不斷增大時，刀片所受的應(yīng)變和應(yīng)力變化不大，且有減小的趨勢，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）在實際加工過程中，當?shù)镀M入踏面缺陷區(qū)域，應(yīng)將切削速度（輪對轉(zhuǎn)速）調(diào)整到最小值。如果輪對表面質(zhì)量很差，黑皮層很厚，一刀粗車不能切掉踏面多個缺陷，且背刀量過大容易出現(xiàn)退刀和悶車現(xiàn)象，另外輪對軸向竄動和徑向跳動較大，這時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)險值，以最慢切削速度和盡可能小的進給量車削，隨時觀察刀片的破損情況。第二刀粗車以最慢的切削速度進行切削，適當加大車刀進給量，這時刀片將會加快離開缺陷區(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減小。當粗車完畢，機床測量后開始精車時，將切削速度設(shè)置為40 m/min左右，進給速度設(shè)置為50～60 m/min，加工后輪對的表面光潔度將會達到最優(yōu)。

[參考文獻]

[1] 劉義.RecurDyn多體動力學(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).機械加工工藝簡明速查手冊[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：機械CAD/CAE/CAM。