Для отправки ваших публикаций, пожалуйста, зарегистрируйтесь.

Если Вы уже зарегистрированы, то авторизуйтесь на сайте.


  1. Вход или регистрация
  1. Подписка

Применение численного компьютерного моделирования для исследования зависимости остаточных напряжений от режимов резания
13 июля 2020             

А.Д. ЖАРГАЛОВА, ст. преподаватель Р.В. ЗУЕВ, студент (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва) Жаргалова А.Д. – 105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, e-mail: azhargalova@bmstu.ru
 

Введение

В настоящее время существует множество исследований, рассматривающих вопрос прогнозирования остаточных деформаций детали. Этот вопрос является актуальным, так как требования к конструкциям, производимым на авиационных предприятиях, сводятся к обеспечению надежности, долговечности, безопасности и ресурса. Одной из самых эффективных разработок в области авиастроения оказалось внедрение в производство вафельных конструкций обечайки (ВКО). Вафельная конструкция обечайки — это тонкостенная оболочка с продольными и поперечными ребрами, обеспечивающими оболочке повышенную жесткость.
 
Величина остаточных напряжений связана с технологическими условиями обработки тонкостенных конструкций, а их распространение в поверхностном слое во многом зависит от геометрии и материала обрабатываемого элемента.
 
В работе представлена зависимость между технологическими условиями обработки и значениями остаточных напряжений. На основе анализа представленных данных можно сделать вывод, что целесообразно управление остаточными деформациями путем изменения режимов резания. Управление режимами резания не усложняет подготовку технологического процесса изготовления. Одним из перспективных методов подготовки технологического процесса является использование «мягких» режимов резания. Управление остаточными деформациями на этапе подготовки технологического процесса является перспективным направлением исследований, так как позволяет снизить время и себестоимость производственного процесса путем исключения процессов обработки остаточных напряжений после обработки.
 
Среди существующих методов изучения остаточных напряжений выделяются теоретические, теоретико-экспериментальные и экспериментальные. Все эти методы не учитывают ряд определенных факторов, одним из которых является сложность геометрии конструкции ВКО.
 
Цель работы – исследовать зависимость изменения геометрических размеров (деформаций) от режимов резания при условии наличия остаточных напряжений.
 
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
  • проанализировать существующие методики расчёта и оценки напряжённо-деформированного состояния элемента ВКО после механической обработки;
  • разработать численную модель процесса обработки стенки вафельной конструкции обечайки фрезерованием, учитывающую свойства материала вафельной конструкции и режущего инструмента;
  • разработать методику моделирования остаточных напряжений в поверхностном слое ВКО;
  • произвести оценку возникающих деформаций стенок после их механической обработки с заданными технологическими условиями.
 

Методика исследований

Для проведения исследования зависимости остаточных напряжений и деформаций от технологических условий обработки детали путем компьютерного моделирования процесса резания необходимо определить аналитические зависимости между управляемыми и управляющими параметрами. Управляемым параметром является сила резания, а управляющим режимы резания, а именно значение величины подачи.
 
Так как моделирование проводится в программном комплексе ANSYS, то необходимо учесть условия моделирования в данной среде. Параметром, с помощью которого задаются характер резания фрезой заготовки, является момент резания. Поэтому в условиях рассматриваемого эксперимента управляемым параметром становится момент резания. Необходимо определить зависимость между величиной силы резания и моментом резания при фрезеровании.
 
 
Согласно момент резания определяется следующим образом:
 
alt
 
 
 
 
где Pz– тангенциальная составляющая силы резания; D – диаметр фрезы.
 
Теперь для управления силой резания необходимо определить зависимость этого параметра от управляющего, то есть от величины подачи. Основное воздействие на стенки при обработке оказывает тангенциальная составляющая силы резания. Ее зависимость от подачи определяется следующим соотношением:
 
Применение численного компьютерного моделирования для исследования зависимости остаточных напряжений от режимов резания
 
где C – коэффициент; t – глубина резания, мм; Sz – подача на зуб, мм/зуб; B – ширина фрезы, мм; x, y, z, q – показатели степени.
 
Следовательно, можно сделать вывод о том, что при увеличении значения подачи увеличивается величина силы резания, а соответственно и величина момента резания. Остаточные напряжения в поверхностном слое деталей при лезвийной обработке возникают от действия сил резания. Остаточные напряжения от действия силового фактора удобно определять по зависимостям, подробно описанным в работе. По представленным формулам определяются напряжения от действия силового фактора по передней поверхности инструмента:
 
Применение численного компьютерного моделирования для исследования зависимости остаточных напряжений от режимов резания
 
А по следующим формулам определяются напряжения от действия силового фактора по задней поверхности инструмента:
 
Применение численного компьютерного моделирования для исследования зависимости остаточных напряжений от режимов резания
 
Данные зависимости позволяют построить напряжения в поверхностном слое детали от передней и от задней поверхности отдельно. Суммарные напряжения от сил резания определятся алгебраическим сложением напряжений от передней и от задней поверхностей.
 
alt
 
 
 
 
 
 
 
 
Остаточные напряжение от силового воздействия определяются в соответствии с теоремой Генки о разгрузке:
 
Применение численного компьютерного моделирования для исследования зависимости остаточных напряжений от режимов резания
 
 
Можно сделать вывод о том, что величина остаточных напряжений возрастает с увеличением режущих сил. Как следствие, при увеличении величины подачи величина остаточных напряжений будет также увеличиваться. При моделировании для изучения зависимости будет варьироваться величина момента резания.
 
Процесс моделирования рассматриваемого процесса начинается с определения геометрических параметров системы «инструмент-заготовка». Далее необходимо задать параметры рассматриваемых материалов. Как было сказано выше для заготовки выбирается алюминиево-литиевый сплав В-1469, а для модели инструмента – инструментальная сталь. Важным моментом подготовки процесса моделирования рассматриваемой задачи является задание контактной пары между взаимодействующими поверхностями. В качестве «контактной» поверхности выбирается - фреза, а в качестве «целевой» - заготовка. Выбирается вид контакта, предполагающий наличие трения между инструментом и заготовкой. Далее приступаем к основной части процесса подготовки – разбиению модели на конечные элементы. Выбираем позицию Contact Sizing, которая позволяет генерировать сетку с одинаковой плотностью на контактирующих поверхностях. Тип производимого расчета Static Structural. В первом опыте проводим моделирование процесса фрезерования. Для этого задаются граничные условия, повторяющие закрепление заготовки. А также крутящий момент для описания характера движения фрезы.
 
Полученное при первом расчете напряженное состояние становится начальным условием для проведения второго расчета. Для этого необходимо загрузить в решатель результаты первого эксперимента.
 
Для моделирования остаточных напряжений необходимо снять внешнюю нагрузку, поэтому фреза из расчета исключается посредством команды кода APDL.
 

Результаты и их обсуждение

 
Сначала необходимо провести моделирование самого процесса фрезерования для получения начальных условий рассмотрения возникновения остаточных напряжений. В результате моделирования получаем распределение эквивалентных напряжений и деформаций для каждого рассматриваемого случая. Распределение эквивалентных напряжений и максимальные напряжения для каждого из случаев представлены на рисунке 1.
 
 
Применение численного компьютерного моделирования для исследования зависимости остаточных напряжений от режимов резания
Рис. 1. Распределение эквивалентных напряжений (Sz = 0,04; 0,06; 0,08; 0,1 мм/зуб)
 
 
Распределение деформаций после обработки представлено на рисунке 2.
 
 
Применение численного компьютерного моделирования для исследования зависимости остаточных напряжений от режимов резания
Рис. 2. Распределение деформаций (Sz = 0,04; 0,06; 0,08; 0,1 мм/зуб)
 
 
Далее, по полученным в предыдущем эксперименте результатам проводится исследование распределения остаточных напряжений. В итоге получены следующие распределения остаточных напряжений (рис. 3).
 
 
Применение численного компьютерного моделирования для исследования зависимости остаточных напряжений от режимов резания
Рис. 3. Распределение эквивалентных напряжений (Sz = 0,04; 0,06; 0,08; 0,1 мм/зуб)
 
 
Для исследования зависимости распределения остаточных напряжений в обработанной детали от подачи выгружаются значения координат узлов и соответствующие им напряжения. Полученные данные используются для построения графиков распределения остаточных напряжений по глубине (рисунок 4).
 
 
Применение численного компьютерного моделирования для исследования зависимости остаточных напряжений от режимов резания
Рис. 4. Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое
 
 

Выводы

В работе была рассмотрена зависимость деформации от режимов резания при условии наличия остаточных напряжений. В процессе работы были проанализированы существующие методики расчета и оценки напряженно-деформированного состояния элемента ВКО после механической обработки, в том числе с использованием средств компьютерного моделирования.
 
Как показывает расчет, при увеличении подачи увеличивается глубина залегания остаточных напряжений, что объясняется увлечением глубины σост, МПа залегания деформаций h и  h1 и силовых остаточных напряжений.
 
Полученные данные в дальнейшем планируется использовать для разработки алгоритма и методики определения технологических условий фрезерования вафельных конструкций обечайки.
 
 
Список литературы
 
1. Еремейкин П.А., Жаргалова А.Д., Гаврюшин С.С. Проблема технологических деформаций при фрезерной обработке тонкостенных заготовок // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 3. – С. 17–27. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.3-17-27.
2. Юрцев Е.С. Высокоскоростная обработка «вафельных» обечаек из алюминиевых сплавов // Технология машиностроения. – 2012. – № 9. – С. 5–8.
3. Учет остаточных напряжений при расчетах прочности элементов замковых соединений. Ч. 2. Влияние остаточных напряжений на напряженно-деформированное состояние хвостовика лопатки турбины / Б.Е. Васильев, И.А. Киселев, Н.А. Жуков, А.Н. Селиванов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2018. – № 12. – С. 58–67. – DOI: 10.18698/0536-1044-2018-12-58-67.
4. Зубков Н.Н., Овчинников А.И., Седов А.В. Реализация метода деформирующего резания ротационными резцами. Определение геометрических параметров зоны обработки // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2012. – № 1. – С. 67–73.
5. Investigation of redistribution mechanism of residual stress during multi-process milling of thin-walled parts / M. Guo [et al.] // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 103. – № 1–4. – P. 1459–1466.
6. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения. – М.: Машиностроение, 2002. – 684 с.
7. Optimization of cutting conditions for minimum residual stress, cutting force and surface roughness in end milling of S50C medium carbon steel / N. Masmiati [et al.] // Measurement. – 2016. – Vol. 86. – P. 253–265.
8. О «мягких» режимах резания для обработки тонкостенных деталей / А.Д. Жаргалова [и др.] // Вестник евразийской науки. – 2016. – Т. 8, № 6 (37). – С. 117.
9. Prediction of surface residual stress after end milling based on cutting force and temperature / Y. Ma [et al.] //Journal of Materials Processing Technology. – 2016. – Vol. 235. – P. 41–48. – DOI:10.1016/j.jmatprotec.2016.04.002.
10. Xu W.F., Yan R., Liu W.W. Surface residual stress of Gamma Titanium Aluminide in milling process // Aeronautical Manufacturing Technology. – 2017. – Vol. 529. – P. 82–85. – DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2017.10.082.
11. Технологическая наследственность в машиностроительном производстве / A.M. Дальский, Б.М. Базров, А.С. Васильев [и др.] ; под ред. A.M. Дальского. – М.: Изд-во МАИ, 2000. – 364 с.
12. Расчет режимов резания. Курсовое и дипломное проектирование по технологии машиностроения : учеб. пособие / В.В. Марков, А.В. Сметанников, П.И. Кискеев, Л.И. Лебедева, Д.А. Ветчинников. – Орёл: ОрелГТУ, 2010. – 112 с.
13. Александров А.А. Моделирование термических остаточных напряжений при производстве маложестких деталей: дис. … канд. техн. наук : 05.13.18. – Иркутск, 2016. – 165 с.
14. Zuev R.V., Zhargalova A.D. The Research of Processing Methods of Thin-Walled Waffle Constructions Taking into Account Technological Deformations // Materials Science Forum. – 2020. – Vol. 977. – P. 157–162. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.977.157.
15. Hybrid modeling with finite element and statistical methods for residual stress prediction in peripheral milling of titanium alloy Ti-6Al-4V / D. Yang [et al.] // International Journal of Mechanical Sciences. – 2016. – Vol. 108. – P. 29–38. – DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2016.01.027.
 
Актуальные проблемы в машиностроении. Том 7. № 1-2. 2020 ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
 

Обсудить статью на Форуме Машиностроителей






Комментариев пока нет
{c_navigation}

Написать комментарий

Другие публикации по теме





Автоматизация промышленных предприятий Автоматизация промышленных предприятий
Диспетчеризация производства, идентификация и прослеживаемость, управление КПЭ (KPI)...
(495) 662-43-70
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси). Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Промышленное оборудование и инструмент
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Chicago Pneumatic (Чикаго Пневматик), Fuji (Фуджи), Desoutter, Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси), Korloy (Корлой), Seco tools, SGS tools, Onsrud, Fette, Guhring и пр. Оборудование для маркировки. Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Фаскосниматели (фаскорезы, кромкорезы), ручные фрезеры по металлу. Пневмодвигатели (пневматические двигатели, пневмомоторы).
(495) 668-13-58
ИРОК-2М. Купить. Инструкция.
Инструмент ИРОК-2М от производителя. Купить. Скачать инструкцию и другие документы. Прочий электромонтажный инструмент и электрокомпоненты.
(495) 668-13-58 доб. 4
Реклама на сайте и-Маш Реклама на сайте и-Маш      
pr()i-mash.ru