CC BY
40
УДК 621.454.3:628
Е.О. Трофимов, Л.П. Шингель
Пермский государственный технический университет
МОДЕЛИРОВАНИЕ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗИНОВЫХ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
Предложен подход, позволяющий получить в первом приближении грубую модель абразивной обработки резинового покрытия, которая может быть использована при определении факторов, влияющих на процесс резания.
Абразивная обработка резины и резиновых покрытий имеет свою специфику, что обуславливается существенными отличиями характеристик обрабатываемого материала и режущего инструмента. Модуль упругости для резины принимается Е = 50 МПа, коэффициент Пуассона ц = 0,46, для электрокорунда модуль упругости Е = 35 ГПа и коэффициент Пуассона ц = 0,3. При абразивной обработке резиновых покрытий в качестве рабочего инструмента может использоваться абразивный круг из электрокорунда. Рассмотрим случай применения круга ПШ80х20*3216А50НСТ1БУ30 м/с ГОСТ 13837, что соответствует размерам зерен 0,63-0,5 мм.
Модель обработки резины резанием основывается на следующих предположениях и допущениях:
- резина разрушается (разрывается) при достижении значения условной прочности при растяжении 4 МПа. Это значение получено при испытании резины и резиновых покрытий на растяжение;
- процесс резания при скорости вращения абразивного круга, равной 480 об/мин, является статическим.
Для моделирования процесса обработки резины резанием решалась двухмерная контактная задача. В программном пакете ANSYS свойства резины заданы гиперэластичным элементом типа plane 183, контактные пары образованы элементами типа targe 169 и conta 172. Зерно абразивного материала аппроксимировалось равносторонним треугольником со стороной 0,05 мм, имеющим скругленную режущую кромку. Такая аппроксимация представляется обоснованной для оценки, поскольку углы в рассматриваемом треугольнике для реального зерна могут иметь различные значения. Слой резины задан прямоугольником, абразивное зерно показано треугольником со скругленной вершиной.
Расчетная схема, использованная в данной работе, представлена на рис. 1.
Рис. І. Расчетная схема при шероховке резины
Перемещения основания слоя резины по осям X и Y исключены (обозначено треугольниками). Перемещение зерна по оси X показано треугольниками на заданных линиях. К верхней кромке зерна приложена прижимающая распределенная сила, показанная стрелкой. Значение прижимающей силы 50 Н соответствует распределенной нагрузке 1
МПа, действующей на линии верхней границы абразивного зерна. Под действием этой силы абразивное зерно внедряется в резину. Далее за счет вращения абразивного круга происходит смещение рассматриваемого
зерна в горизонтальном направлении. Последовательно находим решение для контактной задачи при возрастающих горизонтальных смещениях режущего зерна.
При этом используется процедура рестарта, предусмотренная ANSYS для
Multiframe Restart. В этом случае на каждом шаге значения, полученные на предыдущем этапе, используются в качестве исходных данных для последующего шага.
Моделирование процесса резания осуществляется с помощью процедуры «рождение» - «смерть» элементов, существующей в программном пакете ANSYS. Для конечных элементов, в которых первое главное напряжение а = 4 МПа или больше, применяется процедура «смерти», т.е. «уничтожения» элемента, что соответствует его разрыву. Для такого элемента предусмотрено уменьшение модуля упругости более чем в 1 000 000 раз, что позволяет практически пренебречь его влиянием. Последовательно применяя эту процедуру, находим линию разрыва материала резины.
Для получения достаточно мелкой конечно-элементной сетки, удовлетворительно воспроизводящей концентрацию напряжений вблизи режущего зерна, многократно разбиваем элементы на более мелкие (Refine Elements).
На рис. 2 показаны разрушенные элементы, подвергнутые процедуре «рождение» - «смерть» на раннем этапе расчета. Указанные элементы закрашены черным цветом. В верхней части рис. 2 видна часть режущего зерна. Взаимное положение слоя резины и режущего зерна соответствует моменту начала расчета.
На рис. 3 показано распределение первых главных напряжений в момент, соответствующий раннему этапу расчета. Видно, что зерно начало внедряться в резину и смещаться влево, что задается вращением абразивного круга.
Рис. 2. Конечно-элементная сеть и элементы, подвергнутые разрушению
Рис. 3. Распределение первых главных напряжений в материале резины
Как видно из рис. 3, в конце линии разрыва существует концентратор напряжений. Дальнейшее направление разрыва, точнее последующие элементы, подвергаемые процедуре «рождение» - «смерть», определяются в результате анализа первых главных напряжений. В качестве таких элементов выбираются предпоследние элементы, подвергнутые вышеупомянутой процедуре и имеющие наибольшие значения первых главных напряжений, но не менее
4 МПа. На рисунке видно, что края разрыва, лежащие ближе к поверхности резины, расходятся тем больше, чем больше удаление от концентратора напряжений (конца линии разрыва). Представление о границах разрыва дает область, где первые главные напряжения минимальны.
На рис. 4 представлена конечно-элементная сеть и элементы, подвергнутые разрушению на промежуточном этапе расчета.
Рис. 4. Конечно-элементная сеть и элементы, подвергнутые разрушению (процедура «рождение» - «смерть») на промежуточном этапе расчета
На рис. 5 представлено распределение первых главных напряжений в материале резины на промежуточном этапе расчета.
Рис. 5. Распределение первых главных напряжений в материале резины на промежуточном этапе расчета
При дальнейшем разрушении элементов и продвижении линии разрушения вглубь слоя резины начинает увеличиваться расстояние от зоны концентрации напряжений в этих элементах до режущего зерна, и соответственно, снижается уровень деформаций. С другой стороны, при удалении режущего зерна за счет вращения абразивного круга от зоны концентрации напряжений деформации элементов возрастают, поскольку проскальзывание между зерном и резиной меньше, чем перемещение зерна. Сочетание этих противоположных факторов - перемещения зерна и разрушения элементов, может привести к тому, что распределение первых главных напряжений изменяется таким образом, что сначала линия разрыва меняет направление, а затем рассчитываемые элементы получают искажение формы. На рис. 6 показано распределение первых главных напряжений для случая, когда «рождение» - «смерть» последующего элемента в цепочке разрывов элементов, образующих линию разрыва, приводит к недопустимым искажениям формы других элементов.
Рис. 6. Распределение первых главных напряжений в материале резины на окончательном этапе расчета
На рис. 7 показано распределение первых главных напряжений в слое резины, но в другом масштабе. При таком представлении более наглядно прослеживаются деформации границ резины по линии разрыва для элементов.
Рис. 7. Распределение первых главных напряжений в материале резины на окончательном этапе расчета в увеличенном масштабе
ЛШ
■•••■и Ш Л И *
■ :
■ -т ВЩ:: ш Л[У- ’
я ■ '■ ::-;£
■тшп
Ш
::::: ■ 1 1 ■ !■: ■;
£ 7ГГ* Ж,' ‘ Ом <М^1
■ ; !; ■ 1-1 . .
з з . ■1:11! •- • к=
ш 1!Ж1 й!' Р :
; !.г"Г Л Ш: щ
Рис. 8. Конечно-элементная сеть и элементы, подвергнутые разрушению (процедура «рождение» - «смерть») на окончательном этапе расчета
На рис. 9 приведена микрофотография фрагмента стружки резины при абразивной обработке, сделанная с использованием микроскопа.
Рис. 9. Микрофотография стружки резины при абразивной обработке
Для фотографии был выбран фрагмент стружки, наиболее часто встречающейся формы и размера. На снимке приведена масштабная метка, позволяющая судить о размере этого фрагмента. Из сравнения рисунков рис. 8 и рис. 9 видно, что размеры и форма фактической стружки (приблизительно 10-13 мкм) удовлетворительно соответствуют размерам и форме стружки, полученной расчетным путем (приблизительно 16-18 мкм).
Следует отметить, что завершить расчет и получить полный разрыв между областью, на которую воздействует режущее зерно, и слоем резины не удается. Это обусловлено тем, что, когда длина линии разрыва достигает определенного значения, вырываемая область значительно деформируется. Искажения формы конечных элементов начинают превышать допустимые пределы, и процедура расчета прерывается. Однако практика показывает, что фактически рассматриваемый разрыв происходит полностью, это подтверждают фотографии фрагментов стружки. Поэтому при расчете полученная линия разрыва продляется до ее завершения, как показано пунктиром на рис. 8.
Таким образом, можно утверждать, что предложенный подход позволяет получить в первом приближении грубую модель абразивной обработки резинового покрытия, которая может быть использована при определении факторов, влияющих на процесс резания.
Получено 13.09.2010
