CC BY
75
Савицкий В.Я., Белых А.В., Павленко М.Д., Метальникова О.К.
МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ МЕТОДОМ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ В СРЕДЕ SOLIDWORKS
Савицкий Владимир Яковлевич, Военный учебно-научный центр Сухопутных войск «Общевойсковая академия ВС РФ», (филиал, г. Пенза), кафедра Математики и физики, профессор, Пенза-5.
Белых Артем Владимирович, Военный учебно-научный центр Сухопутных войск «Общевойсковая академия ВС РФ», (филиал, г. Пенза), курсант, Пенза-5. Павленко Михаил Дмитриевич, Пензенский государственный университет, кафедра «Транспортные машины», магистрант, Красная-40, 8(8412)368204, pnz-transmash @yandex. ru.
Метальникова Ольга Константиновна, Пензенский государственный университет, кафедра «Транспортные машины», доцент, Красная-40, 8(8412)368204, pnz-transmash @yandex. ru.
Аннотация
Существующие технологические процессы изготовления тонкостенных подшипников скольжения характеризуются низкой эффективностью. Решение проблемы видится в применении прогрессивных способов изготовления и автоматизированного инженерного анализа режимов обработки. На примере тонкостенных подшипников скольжения предлагается методика моделирования технологических операций поверхностного пластического деформирования в среде SolidWorks.
Ключевые слова:
методика, технологические операции, поверхностное пластическое деформирование, тонкостенные подшипники скольжения, SolidWorks.
1
Savitsky V. YA., Belykh A.V., Pavlenko M. D, Metalnikova O. K.
TECHNIQUE OF MODELLING OF THE TECHNOLOGICAL OPERATIONS OF MANUFACTURING THE THIN-WALLED FRICTION BEARINGS BY THE METHOD OF THE SUPERFICIAL PLASTIC DEFORMATIONS IN SOLIDWORKS ENVIRONMENT
Annotation
The existing technological processes of manufacturing of thin-walled friction bearings are characterised by low efficiency. The problem decision sees in application of progressive ways of manufacturing and the automated engineering analysis of processing modes. On an example of thin-walled friction bearings the technique of modelling of technological operations of superficial plastic deformation in the SolidWorks environment is offered.
Keywords:
Technique, technological operations, superficial plastic deformation, thin-walled friction bearings, SolidWorks.
Актуальной задачей современного машиностроения является обеспечение долговечности деталей машин, которая в существенной мере определяется качественным состоянием поверхностного слоя. Именно от качества обработки во многом зависят важнейшие показатели машин и их элементов - работоспособность, надежность, металлоемкость, себестоимость и другие. Разработан ряд методов, обеспечивающих улучшение состояния поверхностного слоя, к числу которых относится метод поверхностного пластического деформирования (ППД). Суть метода заключается в обработке деталей давлением, при которой пластически деформируется только их поверхностный слой. Для реализации данного метода применяется инструмент, деформирующие элементы которого (шарики, ролики и другие инденторы) взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью по схемам качения, скольжения или внедрения. При ППД в результате деформационного упрочнения поверхностного слоя возникают сжимающие остаточные напряжения, сглаживаются микронеровности, формируется заданный профиль, повышается износостойкость. Метод находит применение при восстановлении первоначальных свойств изношенных рубашек поршней, подшипников скольжения и других трибоэлементов из сплавов на основе меди, применяемых в конструкциях буксируемых и самоходных артиллерийских орудий (АО).
Существующая практика освоения новых технологических методов во многом носит эмпирический характер, что приводит к затягиванию сроков их внедрения в серийное производство, неоправданным материальным и финансовым затратам на освоение производства, отсутствию научно обоснованной информации о поведении конструкционных материалов в ходе механической обработки, невозможности автоматизированного создания баз данных, хранения и
2
обмена информацией между заинтересованными участниками стадий жизненного цикла изделий. Цель данной работы состояла в создании методики компьютерного моделирования и инженерного анализа в среде SolidWorks физических процессов, протекающих в ходе технологических операций изготовления тонкостенных подшипников скольжения (ТПС) из латунной ленты марки ЛАЖМц 57-3-2-1Ц с применением ППД.
Толщина латунной ленты-заготовки составляла 2 мм, ширина - 30 мм.
Первый этап виртуального технологического процесса включает создание эскиза, а затем 3D модели ленты и ролика (рис. 1). После формирования твердотельных моделей назначается материал, соответствующий требуемым физико-механическим характеристикам. Для выбора материала деталей можно либо воспользоваться стандартной библиотекой материалов (в том случае, если имеющийся материал соответствует тому, из которого изготавливается деталь), либо ввести оригинальные характеристики. Следует отметить, что при дальнейшей работе с деталями, созданными в среде SolidWorks, имеется возможность изменить материал на любой стадии проектирования.
Рис. 1. Эскиз и твердотельная модель ленты и ролика
Для создания необходимого материала, осуществляется копирование любого из материалов SolidWorks в папку «Настроенный пользователем материал», и после этого открывается доступ к редактированию как названия материала, так и его свойств. Чтобы выбрать материал детали, в дереве конструирования (Feature Manager) нужно открыть подменю «Материал», указать «Редактировать материал» и в открывшемся окне материалов SolidWorks выбрать необходимый материал. Например, для пластины это будет - Латунь ЛАЖМц 66-32Ц (рис. 2).
3
Рис. 2. Редактирование материала детали
Аналогичным образом проектируются остальные детали, входящие в состав сборки. После этого для каждой из созданных деталей применяется соответствующий материал.
Затем из имеющихся деталей собирается 3D сборка. Для этого необходимо создать новый документ «Сборка», и в появившемся окне менеджера свойств (Property Manager) выбрать компоненты (детали), созданные ранее для образования сборки. При этом первая деталь, занесённая в сборку автоматически, становится зафиксированной, т.е. её невозможно будет перемещать.
Чтобы выбрать условия соединения деталей в сборку, на панели инструментов выбирается функция «Условия сопряжения», и в появившемся окне указываем по одной необходимой грани на каждой из двух деталей, сопряжение которых необходимо указать. После выбора граней следует указание типа их сопряжения, что отражено на рис. 3,а. При указании сопряжений цилиндрических граней добавляется условие концентричности (совпадение центров цилиндрических граней).
а б
Рис. 3. Формирование 3D сборки: а - указание типа сопряжений деталей; б - активация Simulation и выбор исследования
После создания сборки необходимо перейти к исследованию конструкции - определению напряженно-деформированного состояния (НДС) обрабатывае-
4
мой ленты. Для этого активизируется приложение Simulation с помощью команд «Инструменты-Добавления-Simulation». На вкладке «Менеджер свойств (Property Manager)» выбирается «Статический анализ (Static)» для исследования напряжений, перемещений, нагрузок и запаса прочности деталей (рис. 3,б).
Для выбора зафиксированных граней деталей на вкладке «Крепление» активируется «Зафиксированная геометрия» и указываются грани, которые при расчете будут считаться неподвижными (рис. 4,а). Зафиксированные грани маркируются характерными зелёными стрелками.
Для ввода нагрузок необходимо открыть всплывающее окно «Внешние нагрузки» и поочерёдно указать необходимые силы, давления, температуры, действующие на определённые грани деталей. Применительно к рассматриваемому примеру указывался крутящий момент, действующий на ролик, и продольное перемещение вдоль ленты (рис. 4,б). Для обеспечения условий ППД давление ролика на латунную ленту-заготовку превышало 1350 МПа.
а б
Рис. 4. Моделирование ППД: а - выбор крепления; б - ввод нагрузок на ролик и ленту
Далее указывается тип решающей программы - «Автоматическая» для совместного учёта всех заданных нагрузок. Для указания типа решающей программы нажатием правой кнопкой мыши по вызывается контекстное меню, в котором выбирается раздел «Свойства», и флажок устанавливается напротив соответствующей программы.
Перед запуском решающей программы назначается плотность сетки. В зависимости от условий задачи приходиться выбирать компромиссное решение, т. к. чем выше плотность сетки, тем точнее результат, но при этом на расчёт потребуется большее времени. Пластина и ролик, размеченные сеткой конечных элементов, изображены на рис. 5.
Рис.5. Сетка конечных элементов
5
Для просмотра результатов расчета открывается папка «Результаты» в области исследования (напряжение, перемещение, деформация). При этом зоны деталей, подвергшиеся соответствующему изменению, будут окрашены в цвет, по которому визуально можно определить изменения выбранного параметра, сравнив его с индикаторной шкалой (рис. 6). Кроме этого, для более точного определения параметров можно воспользоваться функцией «Зондирование», выбрав ее в меню «Инструменты эпюры». После этого нужно указать интересующие точки на детали, рядом с которыми появится числовое значение измеряемого параметра. Для определения контактного давления на поверхностях деталей необходимо открыть двойным щелчком параметр «Напряжение» (рис. 6,а) в папке результатов и в открывшемся окне выбрать «Контактное давление». Подобным образом определяется параметр «Перемещение» (рис. 6,б) и «Деформация» (рис. 6,в).
Рис. 6. Оценка НДС ленты в модуле COSMOSXpress: а-напряжения; б-деформации; в-перемещения
Профиль и размер образованных канавок показаны на рис. 7. Для обеспечения выбранного ротапринтного метода смазывания проектируемого узла трения (по условию задачи) сформированные канавки заполняются твердосмазывающим материалом, после полимеризации которого лентообразная заготовка будет навиваться на цилиндрическую оправку, диаметр которой соответствует внутреннему диаметру подшипника скольжения de.
6
Рис. 7. Параметры профиля пластины после нагрузок
При производственной реализации рассматриваемого технологического процесса один конец ленты будет закрепляться (под определенным углом навивки) на оправке, а второй - в специальном натяжителе суппорта токарного станка. При этом лента поверхностью с канавками смазки прижимается к поверхности оправки. Далее, с шагом l, равным диаметру вала de=l=30 мм, навивается цилиндрическая заготовка для получения определенного количества ТПС (рис. 8,а). Для фиксации полученного тонкостенного лентообразного цилиндра, не снимая с оправки, на него напрессовывается тонкостенная стальная, дюралюминиевая или из другого материала трубка (марка материала зависит от размеров, функционального назначения и других эксплуатационных характеристик проектируемого узла трения).
Следующим этапом является моделирование эксплуатационных режимов работы ТПС. Для этого в рамках программы «SolidWorks» производится установ ТПС в окне «Крепление» (рис. 8,б).
б
Рис. 8. Моделирование навивки ленты: а - задание траектории навивки ленты; б - окно крепления
7
В качестве примера был рассмотрен подшипник сателлита межосевого дифференциала раздаточной коробки заднего моста автомобиля УРАЛ-4320 (рис. 9).
Рис. 9. 3D модель сборки сателлита с ТПС
В соответствии с предложенной методикой автоматизированного инженерного анализа были получены параметры НДС ТПС при взаимодействии сателлита с крестовиной дифференциала (рис. 10).
а б
в г
Рис. 10. Результаты моделирования НДС ТПС: а - определение параметров закрепления; б - приложение нагрузок; в - формирование конечно-элементной сетки; г - результаты расчета
8
Приведенный алгоритм реализации автоматизированной системы инженерного анализа в рамках пакета SolidWork может быть использован при оптимизации режимов технологических операций изготовления ТПС и их запрессовке в узлы трения различного функционального назначения.
9
