CC BY
17
МАШИНОСТРОЕНИЕ
Научная статья УДК 004.94:621.9
Моделирование процесса сверления композиционного материала методом конечных элементов
Кирилл Сергеевич Савельев
Аспирант кафедры «Инновационные технологии в машиностроении», Ульяновский государственный технический университет (г. Ульяновск, Россия).
KirillSavelev<kirillsavelev 73@gmail. com
Аннотация. Представлены результаты конечно-элементного моделирования процесса сверления композиционного материала, выполненного с помощью программного продукта ABAQUS. В качестве выходных данных получен расчётный файл, содержащий процесс симуляции, который визуально отражает процесс сверления заготовки из полимерного композиционного материала (ПКМ). Расчёт максимально приближен к реальным условиям обработки. Однако для полной верификации полученных результатов расчёта методом конечных элементов (МКЭ) необходимо осуществить дополнительную экспериментальную проверку и внести необходимую коррекцию в расчётные данные.
Ключевые слова: метод конечных элементов, сверление, композиционные материалы, обработка резанием.
MACHINE-BUILDING Scientific article
Analysis of the process drilling of composite materials by the finite element method Kirill S. Savelev
Postgraduate student of Chair «Innovative technologies in mechanical engineering», Ulyanovsk State Technical University (Ulyanovsk, Russia). KirillSavelev<kirillsavelev73@gmail.com
Abstract. The results of finite element modeling of the process of drilling a composite material, performed using the ABAQUS software product, are presented. As output data, a calculation file was obtained containing the simulation process, which visually reflects the process of drilling a workpiece from a polymer composite material. The calculation is as close as possible to real processing conditions. However, for complete verification of the obtained results of calculation by the finite element method, it is necessary to carry out an experimental verification and introduce the necessary correction into the calculated data. Keywords: finite element method, drilling, composite materials, cutting.
Полимерные композиционные материалы широко используются в авиационной и аэрокосмической отраслях промышленности [1], [2], [3]. Уникальное сочетание высокой прочности и малого веса таких материалов способствует уменьшению веса конструкции при сохранении или улучшении механических характеристик. При механической обработке композиционных материалов возникают серьёзные проблемы,
© Савельев К. С., 2022
которые напрямую связаны с физико-механическими характеристиками таких материалов: высокая твёрдость материала наполнителя; склонность к расслоению в процессе обработки из-за их слоистости; структурная неоднородность; низкая пластичность связующего материала.
При обработке отверстий в ПКМ возможны дефекты, которые могут возникнуть на входе и выходе сверла в отверстие. Повреждения можно объяснить особенностями силового воздействия режущего инструмента (РИ) на тело заготовки
(рис. 1). На входе в тело заготовки возможно появление таких дефектов, как расслоение и разрыв материала, а на выходе - расслоение и не-прорезание волокон. Одни повреждения, например, деламинацию, можно объяснить высокой осевой силой резания, непрорезанные волокна возникают в большинстве случаев по причине износа сверла. В связи с тем, что отверстия являются концентраторами напряжений, такие дефекты способствуют снижению усталостной и статической прочности конструкций [4].
В большинстве случаев повреждения, возникающие на операциях сверления, обусловлены неправильным выбором элементов режима резания. Один из подходов, который применяется для изучения параметров процесса сверления, основан на МКЭ. Такой метод позволяет существенно сократить затраты на дорогостоящие и
а)
длительные эксперименты, которые позволили бы выбрать рациональный режим резания.
В настоящей работе представлена экспериментальная конечно-элементная модель, разработанная с помощью программного комплекса ABAQUS.Исходная модель процесса сверления ПКМ изображена на рис. 2.
Задача решалась методом Лагранжа. В процессе моделирования и экспериментальных исследований в качестве композиционного материала использовался углепластик ВКУ-39; в качестве инструмента - твёрдосплавное сверло SER 108M Drill 4,7 мм DIN 6539 Ti-NAMITE-C COATED фирмы SGS, рекомендуемые производителем для сверления заготовок из титановых и алюминиевых сплавов, а также неметаллических материалов. На рис. 3 представлена конечно-элементная модель в процессе сверления.
Ó)
Рис. 1. Деламинация слоёв ПКМ, вызванная недопустимой (в данном случае высокой) осевой подачей (а) и фрагменты волокон на внутренней поверхности отверстия, появившиеся в результате износа сверла
и некорректного назначения режима резания (б)
Рис. 2. Конечно-элементная модель сверления ПКМ
Рис. 3. Конечно-элементная модель в процессе сверления
Таблица 1
Режимы резания, используемые при экспериментальном сверлении ПКМ
Элемент режима резания Величина
Скорость резания Ус , м/мин 15 30 45 60 75 90 105
Частота вращения шпинделя об/мин 1016 2032 3048 4064 5079 6095 7111
Минутная подача /, мм/мин 20,32 40,64 60,95 81,27 101,59 121,91 142,22
Рис. 4. Зависимость осевой силы резания Po от скорости резания Vc
Для проверки адекватности модели были проведены эксперименты на металлорежущем оборудовании по определению влияния скорости резания на осевую силу Р0, которая существенно влияет на возникновение деламинации в ПКМ. В таблице 1 представлены режимы резания, которые применялись во время проведения численных и натурных экспериментов.
На рис. 4 показаны значения осевой силы резания при сверлении ПКМ, полученные в ходе экспериментов на металлорежущем оборудовании и расчёта методом конечных элементов.
Анализ полученных данных показал, что МКЭ позволяет адекватно заменить длительные и дорогостоящие экспериментальные исследования. Результаты расчёта показывают, что осевая сила резания Р0 увеличивалась с уменьшением скорости резания Ус, что отражает результаты экспериментов на металлорежущем оборудовании. Разработанная модель после проведения дополнительных экспериментов позволит выбирать рациональный режим резания, необходимый для изготовления отверстий в композиционных материалах.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Мартовский С. В., Ощепков М. Ю. Кто поднимет композиты в небо // Композит 21 век. 2011. №2. С. 22-31.
2. Молчанов Б. И., Гудимов М. М. Свойства углепластиков и области их применения // Авиационная промышленность. 1997. №4.
3. Ghobadi A. Common Type of Damages in Composites and Their Inspections /A. Ghobadi // World Journal of Mechanics. 2017. №2. рр. 24-33.
4. Раскутин А. Е., Хрульков А. В., Гирш Р. И. Технологические особенности механообработки композиционных материалов при изготовлении деталей конструкций (обзор) // Труды ВИАМ. 2016. №9(45). С. 12. - DOI 10.18577/2307-60462016-0-9-12-12.
REFERENCES
1. Martovskij S. V., Oshchepkov M. Yu. Kto podnimet kompozity v nebo Who will lift composites into the sky. Kompozit 21 vek [Composite 21st century], 2011, No. 2, рр. 22-31.
2. Molchanov B. I., Gudimov M. M. Svojstva ugleplastikovi oblasti ih primeneniya [Properties of carbon fiber plastics and their applications]. Aviacionnaya promyshlennost' [Aviation industry], 1997, No. 4.
3. Ghobadi A. Common Type of Damages in Composites and Their Inspections. World Journal of Mechanics. 2017, No. 2, pp. 24-33.
4. Raskutin, A. E., Hrulkov A. V., Girsh R. I. Tekhnologicheskie osobennosti mekhanoobrabotki kompozicionnyh materialov pri izgotovlenii detalej konstrukcij (obzor) [Technological features of me-
chanical processing of composite materials in the manufacture of structural parts (review)]. Trudy VIAM [Proceedings of VIAM], 2016, No. 9(45, p. 12. - DOI 10.18577/2307-6046-2016-0-9-12-12.
Статья поступила в редакцию 22.01.2022; одобрена после рецензирования 25.01.2022; принята к публикации 04.02.2022. The article was submitted 22.01.2022; approved after reviewing 25.01.2022; accepted for publication 04.02.2022.
