Моделирование процесса формирования многоуровневого микрорельефа поверхностным пластическим деформированием Текст научной статьи по специальности «Физика»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

А. П. МОРГУНОВ *В. А. ГЛУШЕЦ Я. М. СТРЕК

Омский государственный технический университет 'Новосибирская государственная академия водного транспорта -Омский филиал

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОУРОВНЕВОГО МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТНЫМ

ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

В статье представлена пространственная динамическая модель установки для вибрационного накатывания, обеспечивающая варьирование параметров режима обработки и создания на поверхностях деталей многоуровневого микрорельефа требуемого вида.

Объектом исследования является эксперимен- Works / Cosmos Motion можно условно разложить

тальная установка (рис.1), предназначенная для надва этапа:

формирования многоуровневого микрорельефа 1) создание пространственной модели объекта

поверхностным пластическим деформированием исследования, непосредственно в программе Solid-

(ППД). Она устанавливается в суппорте токарного Works;

станка и обеспечивает варьирование значений 2) задание степеней свободы подвижных соеди-

параметров режима обработки и создания на нений объекта исследования и постоянных движений

поверхностях оптимального по всем характе- его деталей, обусловленных приложенными к ним

ристикам (высота, форма и расположение неров- внешними усилиями, в надстройке Cosmos Motion, ностей) микрорельефа в зависимости от условий Первый этап можно представить б виде после-

эксплуатации /1 /. довательности действий.

Весь процесс создания динамических моделей 1) создание пространственных моделей дета-

механических систем в программной связке Solid- лей. из которых состоит объект исследования;

Рис. 1. Установка для вибрационного накатывания

Рис. 2. Пространственная модель объекта исследования: 1 - заготовка; 2 - ось; 3 - индентор; 4 - шток; 5 - тяга; 6 - кронштейн

вкладка Cosmos Motion

Рис. 3. Выбор надстройки Cosmos Motion в программе Solid Works

: v В®,

* lefia # lmiiai

ф Motor. Model

v¡ Assembty Coinporwnts V P«tS

- 4j Г-Vtwiq Part'.

4 Krq

Prope»kies y Indude fi SimiidUw»

4, vtul •'-' ф Gioundl

♦ ф St« - X Construits To

♦ Tr« *НМ°«»п

♦ S Соелздвнм*1Э I

Рис. 4. Определение неподвижности кронштейна

- wwna ^агк

-. & Ccinstrdris

- tj) Jants

■'«. t^Rev Protwtw

Ttar V Include In Sanction Coe а Ссгыа

? Coopter, XXCoXb « Motion Г ? Fofcfcs

Ççffïnjï

E*plc<)f

% Demf»ri

Рис. S. Удаление ненужных соединений

2) задание свойств материалов, из которых изготовлены детали;

3) соединение деталей в сборку, адекватную объекту исследования, с использованием соответствующих сопряжений (рис. 2). Необходимо отметить, что первая деталь в сборке всегда будет неподвижной при моделировании динамики объекта исследования в Cosmos Motion, поэтому деталь 2 (ось) помещается в сборку первой.

Для упрощения модели установки для ППД применялся следующий критерий - обеспечение всех относительных взаимных движений индентора и заготовки. При этом удалось снизить количество деталей сборки с 18 у реального объекта исследования до 6 у его пространственной модели, что заметно упростило процесс моделирования и длительность расчета.

На втором этапе создания модели установки для ППД производятся следующие действия в надстройке Cosmos Motion, для этого переходим на соответствующую вкладку (рис. 3):

1) определяются неподвижные, т.е. жестко закрепленные за абсолютную систему координат, детали сборки. В нашем случае такими деталями являются (рис.2): ось 1, на которой закреплена обрабатываемая заготовка и кронштейн 6, являющийся опорой для тяги 5.

При рассмотрении групп Moving Parts (подвижные части) и Ground Parts (неподвижные части) видно, что деталь Sterjen (ось 2) уже расположена в группе Ground Parts, т.е. является неподвижной.

Для определения неподвижности детали 6 (Кге-

pej_2-1) в разделе Moving Parts выбираем строчку

Grounds Part (рис. 4).

2) Определяются степени свободы подвижных соединений деталей сборки и точки их крепления друг за друга:

а) после передачи сборки из SolidWorks в Cosmos Motion (при переходе на вкладку (рис. 3)), программа автоматически определяет типы соединений ("примитивы" — joint primitives), с помощью которых и задаются степени свободы их взаимных перемещений, соответствующие используемым во время сборки механизма сопряжениями. При этом далеко не всегда получаются корректные примитивы /2/.

Поэтому рекомендуется удалить все существующие на данном этапе соединения. Это делается на каждом из соединений при выборе строки Delete в появившемся меню (рис. 5).

б) задается соединение типа "цилиндрическое" для определения перемещения заготовки относительно оси (поступательного вдоль оси и вращательного вокруг ее). Для этого в пункте Joints, выбираем Add Cylindrical Joint (добавить цилиндрическое соединение) (рис. 6).

В появившемся окне (рис.6):

Joint Туре (тип соединения) — Cylindrical;

Select Г1 Component (выберите 1-й компонент). Выбирается деталь

Sterjen-1 (ось);

Select 2nd Component (выберите 2-й компонент) — второй компонент, участвующий в соединении. Выбирается деталь Vtulka-1 (заготовка);

Select Location (выберите место приложения) -место, где будет показана пиктограмма, обозначающая соединение;

Select Direction (выберите направление) — объект, определяющий направление действия связи. Появляется автоматически при осуществлении предыдущих действий.

Для задания постоянной скорости поступательного движения заготовки переходим на вкладку Motion, и для поля Motion On выбираем Translate Z, для поля Motion Туре определяем значение Velocity (скорость). В поле Function устанавливаем Constant и задаем значение скорости в поле Velocity равным 0,12 мм/сек (рис. 7).

Для задания вращения заготовки относительно оси с постоянной скоростью на вкладке Motion для поля Motion On выбираем Rotate Z, для поля Motion Type -Velocity. В поле Function устанавливаем Constant и задаем значение скорости вращения заготовки в поле Angular Velocity равным 75 градус/сек (рис. 8);

в) задается соединение типа "поступательное" для определения перемещения тяги относительно кронштейна. Для этого в пункте Joints выбираем Add Translation Joint (добавить поступательное соединение).

Во вкладке Definition заполняем соотве тствующие поля.

Для задания возвратно-поступательного движения тяги переходим на вкладку Motion (рис. 9), и для поля Motion On выбираем Translate Z, для поля Motion Туре определяем значение Displacement. В поле Function устанавливаем Harmonic и задаем значения:

— Amplitude (амплитуда осцилляций) = 0,5 мм;

— Frequency (частота осцилляций) = 9000 градус/

сек;

— значение в остальных полях оставляем равными нулю;

г) задается соединение типа "фиксированное" для определения совместного движения тяги и штока. Для этого в пункте Joints выбираем Add Fixed Joint (добавитьфиксированное соединение);

д) задается соединение типа "цилиндрическое" для определения перемещения индентора относительно штока. Для этого в пункте Joints выбираем Add Cylindrical Joint.

Для задания свободного движения индентора переходим на вкладку Motion, и для поля Motion On выбираем Translate Z, в поле Motion Туре устанавливаем значение Free;

е) задается поверхностный контакт (3D Contact) в группе контактов (Contact) для задания взаимодействия поверхности индентора с поверхностью заготовки, с взаимным проникновением деталей друг в друга и их трением, с учетом свойств материалов, из которых они изготовлены.

Во вкладке Definition заполняем поле Select Parts that contact each other (выберите детали участвующие в поверхностном контакте) (рис.10):

Для задания взаимного проникновения деталей друг в друга и их триботехнических характеристик, на вкладке Contact выбираем Use Material, причем поля Material 1 и Material 2 заполняются автоматически, используя данные SolidWorks о материалах деталей, определенных в процессе сборки установки ППД.

Также отмечается поле Impact и Friction = Full (сухое и вязкое трение). Значения коэффициентов, характеризующих прочностные свойства контакта и коэффициенты трения, также заполняются автоматически, используя встроенную в программу базу данных (рис. 11);

ж) задается пружинное соединение (Splngs) в группе силовых взаимодействий (Forces), между индентором и плоскостью тяги. Для этого в пункте Springs в появившемся окне заполняем следующие окна:

- COIWlfAnti

VP"" 1

" Alkl НелАде Jant

< I

-f Fee

■V V %l

v-

Jfi Рея

Add Sphencol bint' Add Trfirstottuoil Jwi Add Universal Joint Add Hanar Joint Add fixed Jort Add Scrsw Зогл

Add Parallel Aof JPrim Add Inline JPiim Add InPtow JPttn Add Orii^rrfetfctn Jpfim /■(id Peipend»:Uw IP.lttl

Б

"1ГГ

1)

Добавка соединения Cylindrical Joint

пиктограмма соединения ' —

2)

Рис. 6. Определение параметров соединения ось-заготовка

W» . ft.

if ;| ¿ppfr Oeirsbgr, M««v. j l-jkiiw, i I SA \ h4vwij«s! MotenCix | Mohifi Тум IWcty

IrrtiTvnb-:^' i

•uvirr iCoul«* 71 X V

Veksfy in .Wsec

Рис. 7. Задание поступательного движения заготовки

■К /

*• riev-H

Cdevon Wfi«i |<Vhkt.| ГГА | Рмряьл. i McK«*. Oik

_?J Xj

Aw* I

МСйпГу» i'V^Xiy irtl.nl Ciitirfeiener*

IraMl

fm^wi

VCЬяу

«Р5-

.....3 * -J

Рис. 8. Задание вращательного движения заготовки

wiammsw."

i>

ЫЫьж. Mirt** j Frci, Di&l*l4»)

Mw br. On zl

M<4\Vi Tyft

j

-ivrii Vebi&y

F'JKbUI ~T>

;C 5 ГЧIT

f (fffjrrcy ■'sXfi

]o Ж

fiviift iwi. ¡0

1° t<4

Рис. 9. Задание возвратно-поступательного движения тети

ш"

Ciplmír/jr« J Cvf»!*'. I F Select »aii !i«t cv: ***

ArktiVJamt сопля i

Рис. 10. Задание поверхностного контакта

üth*rv. COíAacl !

W «пк11.

Уи/шН (йлЗаТ^р^ -]

En**«»1- [i 5

Mix l'jíiísfry jjii-jOv'Si urvtrm

Peixb^ikwi: [сГ> 'Л i ¡;чп in - fii ' ГЧчшио N..

v'c»c«v. jSM&'if- 'iC-.'í ttfti/wc

Рис. 11. Задание свойств контакта

i. * i« • Li L k» У i w.. :J/„.T s В «r

Рис. 12. Модель объекта исследования

'-•se Gíon*íiy

Рис. 13. Параметры .моделирования

Force Type (тип взаимодействия) - Linear (пружина растяжения-сжатия);

Select 1st Component - выбирается деталь Kon-takt-2 (индентор);

Select 2ndComponent - деталь Sterjen_2-1 (шток);

Select Point on lsl Component (выберите место закрепления пружины на первой детали) - выбирается на торце индентора;

Select Point on 2nú Component (выберите место закрепления пружины на второй детали) — выбирается на торце штока.

На этой же вкладке задаются параметры пружины:

- Stiffness (жесткость) = ЮОН/мм;

- Length (длина) - заполняется автоматически, используя данные о сборке;

- Coil Diameter (диаметр витка) = 10 мм;

- Number of coils (число витков) = 10 шт;

- Wire Diameter (диаметр проволоки, из которой изготовлена пружина) = 2,5 мм.

Модель объекта исследования (рис. 12) готова к моделированию.

3) Определение параметров моделирования.

Эти параметры определяются, используя пункт

командного меню Motion. В появившемся выпадающем меню выбираем пункт Option.

В окне Cosmos Motion Options:

- вкладка World определяет глобальные свойства моделирования: единицы измерения силы (Force) и времени (Time); параметры гравитации (Gravity Parameters), возможно отключение сил тяжести и изменение значения гравитационной постоянной и ее направления. Параметры установленные в этом окне "по умолчанию" соответствуют нормальным "земным" условиям;

- вкладка Simulation состоит из полей (рис. 13):

а) Simulation parameters (параметры моделирования) :

- Duration (продолжительность моделирования), устанавливается равным 24 секунды, что соответствует 5 полным оборотам заготовки;

- Number of Frames (дискретность расчета) — влияет на точность расчета (чем больше, тем точнее), принимаем = 2000;

- "флажок" Animate during simulation указывает на включение или выключение анимации в процессе моделирования. Выключение этого параметра позволяет увеличить скорость расчета на порядок.

б) Solver parameters (параметры решателя) — устанавливаются системой "по умолчанию", "движок" в нижней части поля регулирует соотношение скорости и точности расчета.

4) Моделирование.

Запуск процесса расчета осуществляется кнопкой JL расположенной в левом нижнем углу окна программы SolidWorks (рис. 14).

5) Результаты расчета.

После завершения процесса расчета, в группе Results можно вывести на экран необходимые результаты расчета.

В нашем случае особый интерес представляет след, который оставляет индентор на поверхности заготовки и микрорельеф "развернутый" по всей протяженности этого следа.

Для отображения следа индентора в пункте Trace Path (трассировка пути) в группе Results выбираем Create Trace Path.

В окне Edit Trace Path (рис. 151 заполняем соответствующие поля:

кнопка запуска процесса расчета

I'MciUri I Рмс*.^. \ tftiii iwcflMiif^wrt

3CCCJ пои Pfw On The Tract, PatfCwcono:

Г» <«rt«l'iMi»lc»1J

Srecl Сatrt-^J ___

Рис. 14. Запуск процесса расчета

Рис. 15. Параметры следа индентора

Select Trace Point Component (выберите деталь, путь которой нужно отразить) - выбираем Kontakt-2 (индентор) в группе Moving Parts;

Select Trace Point On The Trace Point Component

(выберите точку на детали, путь которой нужно отразить);

Select Reference Component (выберите контртело) — выбираем поверхность заготовки.

Нажимаем кнопку Apply, при этом на поверхности детали появится след, оставленный инденто-ром на заготовке (рис. 16),

Для отображения микрорельефа, развернутого по всей протяженности следа индентора на вкладке Коп-takl-2 (индентор) в группе Moving Parts выбираем CM Position (положения центра тяжести), и в новом меню выбираем Z (рис, 17).

Появившийся график (рис.18), показывает высотные, по отношению к поверхности заготовки, координаты индентора, т.е. микрорельеф его следа.

Для определения горизонтальных, по отношению к поверхности заготовки, координат индентора на вкладке Kontakt-2 (индбнтор) в группе Moving Parts выбираем CM Position (положения центра тяжести), и в новом меню выбираем X (рис. 19).

Определение влияния параметров процесса обработки деталей, на вид получаемого микрорельефа

Параметрами режима вибронакатывания, определяющими кинематику процесса, являются: частота вращения заготовки (п.), подача деформирующего элемента или заготовки (s), частота осцилляции деформирующего элемента (л ) и амплитуда осцилляции деформирующего элемента (е) /1/.

Отношение частоты осцилляции деформирующего инструмента к частоте вращения заготовки ntlllx/n=i является основным параметром, определяющим характер взаиморасположения выдавливаемых канавок в направлении вращения заготовки. Целая часть численного значения i показывает, сколько раз длина волны укладывается на длине окружности заготовки, а дробная {/} -величину смещения канавок относительно друг друга при каждом последующем ее обороте /1/.

На рисунке 20/1/ графически представлены граничные условия создания регулярных микрорельефов различных групп и видов.

Моделирование процесса формирования микрорельефа производим при следующих исходных данных: диаметр заготовки d^ = 40 мм; е = 1 мм; плпл = = 1500, остальные параметры представлены в табл. 1.

Полученные изображения микрорельефов полностью совпали с видом поверхности детали после реального вибронакатывания.

Заключение.

Представленная модель позволяет:

1) исследовать влияние параметров процесса обработки деталей поверхностным пластическим деформированием на вид получаемого многоуровневого микрорельефа;

У-.

Рис. 16. След, оставленный нндентором на заготовке

Р к 18!

: Aiscfrby OWGCWVS

i Add Affijt Ofclc.t •JftSST..........

ф- 'Vr<i.«v1 f'»f.

• ф Sitr ;

I C*vti3rJ.5

•

■ £

Cvj&ri 'О Met»*! ' Fc«ei ■ \ SCriiigj

• % Sping

«и btfiiptti

Ar^iLir i.-fiL*i.4hVi

A-ijylir »•"•отсуц.ц ':»

Srywvi Агмйк CM irfeiw.VkV.

CM vdnrAy

•ViciJial (fnc>9>

Рчгл'-iilcfi l'Otel KflCWC CfWfCY IrtfiMkiM) lirilk.it i Tr.rnl-itiwiil гг-езд Enfligy rr.wJ.iti'MMJMrirfr/ii' Г' «ftiiif.dil 'TtixKy

Рис. 17. Вывод графика высотного, по отношению к поверхности заготовки, положения индентора (микрорельефа)

г > ' ■ •>; * •!: I/ Л'-1»-' • ) .■ \ \ -.Л"! v. 1 I

Рис. 18. Высотные координаты индентора

Им

Рис. 19. Горизонтальные координаты индентора

20

К: \HQ0K: «еп ■¡¿гее. англ t

Кй 'vj?'. г<йср \ :2 / LI IJ

Y>- С.ё fait.*. у У repi

f

/

г-'Л'Г

Рмс. 20, Граннчные условия образования различных видов регулярного микрорельефа

2

х

?

!/■' У: / '/ Уи//

ШШ л

//• ¡'/! у у',. //

/

/

и

у- . ■ ' /

<

ШУу; У]

-

/Ж/Жуй уЧ

ы

л /

<

1.У/ У У' >

У МУ/

Ж'уЛ У С/у О-у к/ I

г, .-У! ЛИ У; <н 'гУ ИУ ' /Ау / ' Уу/У(/1,*У У)

у' ¡¡У ',ГУ ■ '

Г у/7 гр У

¡у у ¡у "/.У /> У ■ " Ту?!ММ у

<

" ...

Рис. 21. Микрорельеф, в зависимости от режимов обработки (номер изображения соответствует номеру режима из таблицы 1)

'.-/'Л- '7

''С/1 И Л У'?

/7 ,

С/';'/; у)

'' -У У'! У ■•:

/' у'> У! ¿<7 /,;' ' /V /

- / / -'УУ/'У /у) 7'.

< " 1ЮЮИ у

.у / '/у.. /,-, у; ■77'¡У ¡у ■ /

и ,7 И / ' -

/6 ''уУ^у у} у)

У/ У У :,

■ ■-•'/ ''/Л"У .'/'/</' ¿у / / -. .■•/ П.ПУ-, /• ¿• -' 'у 7- 7\7

<

:,-'■/■■/"¡у}

"' /у .КJl.fiу ;

иишшЛ,, ,

/¿Я 1ГЯ У,'

'-'/ "УУУТУ1/'1

'У -''У.

>

У-Му

/ .

у 7 у /■-

¿УРу'РуР'И У)

/ . - . у]

уу1У''у1У'.¡У'у

/ / и

,-й'у' /

/, -'/V/-" х-;?

у '7/

<

■У

91

<

91 10]

Рис. 22. Микрорельеф, в зависимости от режимов обработки (номер изображения соответствует номеру режима из таблицы 1)

Таблица 1

Параметры режимов вибронакатывания

№ режима п„мин 1 п„ градус/сек S, мм/оо s, мм/сек s/e i

1 12,500 75,000 0,6 0,125 0,6 120,0

2 12,490 74,93В 0,6 0,125 0,6 120,1

3 12.479 74.875 0,6 0,125 0.6 120,2

4 12,469 74,813 0,6 0,125 0,6 120,3

5 12,458 74,751 0,6 0,125 0.6 120,4

6 12,448 74,689 0,6 0.124 0,6 120,5

.7 12,479 74,875 0,4 0,083 0,4 120,2

8 12,479 74,875 0,8 0,166 0,8 120,2

9 12,479 74.875 1,2 0,250 1.2 120.2

10 12,479 74,875 1,6 0,333 1,6 120,2

2) определять параметры процесса обработки детали поверхностным пластическим деформированием для формирования требуемого вида микрорельефа;

3) определять высотные отметки получаемого микрорельефа, при заданных параметрах обработки.

Библиографический список

1. Шнейдер, Ю.Г. Технология финишной обработки давлением [текст] / Ю.Г. Шнейдер, - СПб.: Политехника, 1998. -441 с.

2. Алямовский, А. А. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике [текст] / A.A. Алямовский,

A.A. Собачкпн, Е.В. Одинцов, А.И. Харитонович, Н.Б. Пономарев - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.

МОРГУНОВ Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология машиностроения». ГЛУШЕЦ Виталий Алексеевич, кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Специальные технические дисциплины».

СТРЕК Ярослав Михайлович, аспирант кафедры «Технология машиностроения».

Дата поступления статьи в редакцию: 26.05.06 г. ©Моргунов А.П., Глушец В.А., Стрек Я.М.

УДК 531.43:539.3 Л. А. МЕРЗЛЯКОВ

Омский государственный технический университет

ТЕРМОУПРУГАЯ ЗАДАЧА ТРИБОСИСТЕМЫ ТИПА КОМБИНИРОВАННОЕ УПЛОТНЕНИЕ-ВАЛ

В приближении термоупругой трибосистемы комбинированное уплотнение-вал аналитически получены выражения для температуры трения и контактного давления. Результаты работы позволяют определить потери мощности на трение, оценить износ сопряженных трущихся поверхностей и подобрать рациональную конструкцию трибосистемы на этапе проектирования.

К настоящему времени наблюдается тенденция вытеснения традиционных материалов (резина, металл) уплотнительных устройств на современные полимерные или различные композиционные материалы на основе полимеров. Эластичные материалы на основе резины обладают хорошими герметизирующими свойствами, но уступают значительно полимерным и композиционным материалам с точки зрения износа трущихся поверхностей и

потерь мощности на трение. Вместе с тем полимерные или композиционные материалы проигрывают эластичным материалам в герметичности.

При проектировании различных узлов трения, включающих уплотнительные устройства на основе традиционных материалов, используется богатый опыт, накопленный в результате длительного периода эксплуатации таких узлов. Однако прямое использование этого опыта для конструкций уплот-