CC BY
17
УДК 621.9
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ РЕЗЬБЫ
РАСКАТЫВАНИЕМ Новиков Александр Дмитриевич, аспирант (e-mail: sasha.waw@mail.ru) Тарапанов Александр Сергеевич, д.т.н., профессор (e-mail: tarapanov@rambler.ru) Селеменев Михаил Федорович, к.т.н., доцент (e-mail: Selemenev2007@yandex.ru) Орловский государственный университет имени И. С. Тургенева,
г. Орел, Россия
В статье приводится методика определения напряженного состояния и температуры в зоне формообразования резьбы раскатыванием. Проведен анализ напряженного состояния металла при резьбовыдавливании. Для определения особенностей течения материала, его деформированного состояния, использовалась система моделирования технологических процессов DEFORM-3D. Установлено, что значения контактных напряжений при накатывании резьбы значительно превышают напряжения при резь-бонарезании. Технология эпиламирования способствует снижению температуры в зоне резания.
Ключевые слова: резьбонакатывание, зона деформации, напряжения, температура, эпиламирование.
Выдавливание внутренней резьбы раскатниками — это метод пластического деформирования металла, при котором в отверстие заготовки, имеющее диаметр, равный примерно среднему диаметру образуемой резьбы, ввинчивается инструмент с профилем резьбовой поверхности, соответствующим профилю требуемой резьбы. Под действием крутящего момента Мкр вершины витков конической заборной части раскатника внедряются в поверхность отверстия заготовки, образуя на ней впадины резьбы, а вытесняемый металл, перемещаясь в радиальном направлении (в зону между витками инструмента), постепенно увеличивает высоту резьбового профиля заготовки.
После внедрения в металл заготовки первой вершины на глубину
р
а = - tan ф происходит увеличение высоты профиля формируемой резьбы
на некоторую величину h'. Для второй вершины суммарная глубина внедрения составит 2a + h', для третьей За + h" и т. д. Так как в поперечном сечении раскатник имеет затылованную форму, а не круглую, то в каждый момент времени резьбовой виток выдавливается не по всей окружности, а лишь на определенной ее части. Следовательно, в зоне деформации нагрузки воздействуют на металл циклически, с частотой, зависящей от числа граней инструмента и частоты его вращения. Действующие и сосредо-
точенные в зонах контакта вершин витков метчика с обрабатываемым материалом силы вызывают циклические напряжения, приводящие к пластическим деформациям.
Возникающую в зоне контакта нормальную нагрузку Рп действующую на заготовку по нормали к дуге контакта (рисунок 1), можно разложить на радиальную Рг, вызывающую радиальное течение металла к оси резьбового отверстия, и тангенциальную Р0, вызывающую течение металла в направлении вращения инструмента. В материале заготовки под влиянием нагрузки Рп появляются тангенциальные оо и радиальные ог напряжения, а в направлении, противоположном вращению метчика, появляется сила трения Бтр. Радиальные напряжения ог, являются напряжениями сжатия как во впадине, так и на вершине образуемой резьбы. Наличие свободных торцовых поверхностей на гайке и влияние подачи способствуют течению металла и в осевом направлении. Осевые о2 и окружные ое напряжения также являются напряжениями сжатия. Напряженное состояние металла гайки, соответствующее при резьбовыдавливании всестороннему сжатию, позволяет осуществлять формоизменение со значительными степенями дефор-
материалом заготовки
Степень нагруженности рабочего витка заборной части зависит от объема вытесняемого металла данным витком. Общий объем металла, вытесняемого всеми рабочими витками
V = 2nH¡ tan - (— + ?A + 2nh1H1 tan - (dc + H±) (1)
2 V 2 3 / 2
где Н1 — высота рабочей части 1-го калибрующего витка;
h1 — превышение по вершине витка от линии наружного диаметра до теоретической высоты профиля резьбы;
Сравнение размеров резьбы раскатников и величины dc показывает, что в любом случае размер dc более чем в 15 раз больше величины H¡. Поэтому с достаточной для практических целей точностью допускаем, что величи-
витков рабочей части.
Деформации и силы, возникающие в процессе накатывания, существенно отличаются от деформаций резания. Поскольку при формировании резьбы раскатником процесс стружкообразования не происходит, основной причиной тепловыделения является трение. Возникающее между инструментом и заготовкой трение усложняет процесс деформации. Оно приводит к повышению усилия деформирования.
Контактное трение формирует очаг деформации. Усилие трения и вызываемые им на контактных поверхностях касательные напряжения зависят от прочностных показателей металла, нормального к контактной поверхности напряжения, шероховатости инструмента, вязкости смазочной среды, скорости скольжения в зоне контакта, толщины смазочной прослойки и других факторов. При нормальном давлении, вызывающем пластическую деформацию в поверхностном слое и приконтактном слоях, происходят явления качественно отличные от упругого контакта. При увеличении деформирующей силы фактическая контактная поверхность растет в результате того, что в соприкосновение с инструментом происходят все новые и новые клиновидные неровности деформируемого тела. Это приводит к увеличению касательных напряжений. В процессе пластического смятия клиновидных выступов на поверхности контакта наблюдается асимптотическое приближение шероховатости контактной поверхности деформируемого тела к шероховатости поверхности инструмента. В процессе накатывания может быть любой режим трения: сухой, полужидкий и гидродинамический. Данные режимы могут присутствовать как каждый в отдельности, так и одновременно в одном технологическом процессе.
В настоящее время существует множество способов для расчета деформаций и измерения температур в зоне накатывания. К ним относятся: математическое моделирование, физическое измерение, компьютерное моделирование обработки и т.д. [2], [3]. Наиболее производительным и современным способом является создание компьютерной модели операции механической обработки, поскольку он позволяет значительно сократить время и затраты на расчет.
DEFORM-3D - мощная САЕ-система моделирования технологических процессов, разработанная компанией Scientific Forming Technologies Corp. (США), предназначена для анализа трехмерного (3D) поведения металла при различных процессах обработки. Она дает возможность моделировать значительные объемные пластические деформации и обладает современным, интуитивно понятным графическим интерфейсом.
DEFORM-3D предоставляет важную информацию о течении материала и распределении температур во время процесса деформирования. DEFORM-3D основан на методе конечных элементов, одном из самых известных, надежных и применяемых в настоящее время расчетных методов.
(dc + Н1) остаются практически постоянными для всех
Метод конечных элементов является сеточным методом, предназначенным для решения задач микроуровня, для которого модель объекта задается системой дифференциальных уравнений в частных производных с заданными краевыми условиями [4].
Для определения контактных взаимодействий инструмента и заготовки устанавливается величина коэффициента трения. Стандартное значение коэффициента трения при механической обработке равно 0,9. Одним из наиболее эффективных способов снижения трения, путем удержания в зоне резания смазывающей среды, является нанесение на рабочую поверхность инструмента фторированных ПАВ из растворов эпиламов. Сформированное тонкопленочное покрытие понижает поверхностную энергию твердых тел (для металлов до 2...4 МДж/м2), предотвращая при этом растекание практически любых смазочных масел из зоны трения, обеспечивая тем самым снижение коэффициента трения. Покрытие хорошо удерживается на поверхности различных материалов благодаря высокой адсорбционной способности, не смываемо при многократных промывках различными стандартными промывочными жидкостями, выдерживает давление до 3500 Н/м2, термостабильно до 450 °С [5]. Таким образом, для анализа влияния технологии эпиламирования на возникающие деформации и температуры коэффициент трения понижается до 0,6 [6].
Скорость резьбовыдавливания выбирается с учетом физико-механических свойств материала заготовки и инструмента, состава смазы-вающе-охлаждающей жидкости и др. Рекомендуемые скорости для накатывания в данных условиях и = 7 - 15 м/с.
В системе DEFORM скорость резания регулируется назначением частоты вращения инструмента. Для более глубокого анализа возникающих температур и деформаций в зоне резания, моделирование накатывания резьбы с частотами n = 100; 150; 250 об/мин. Данные значения n лежат в пределах рекомендуемых скоростей.
Контактные напряжения - напряжения, которые возникают при механических взаимодействиях твёрдых деформируемых тел на площадках их соприкасания и вблизи этих площадок. В системе DEFORM-3D напряжения, возникающие на рабочей поверхности, отображаются в виде очагов различной величины и площади (рисунок 2).
Рисунок 2. Контактные напряжения на рабочей поверхности раскатника а - при коэффициенте трения 0,9; б - при коэффициенте трения 0,6.
На основании анализа рисунка 2 можно сделать вывод, что снижение величины коэффициента трения с 0,9 до 0,6 приводит к уменьшению количества очагов и площадей контактных напряжений. Это обусловлено снижением давления на рабочую поверхность инструмента со стороны заготовки, из-за уменьшения сил трения.. Так, при накатывании, уменьшение площадей полей напряжений достигает 50%.
7000°" МПа 6000
■Коэф. грения 0,9 •Коэф. грения 0,6
1000
I, сек
1,5 г,г г,6 3,2 3,9 4,2 4,7 5 5,4 5,8
Рисунок 3. Изменения максимальных контактных напряжений о по времени обработки ? отверстия раскатником, при скорости резания п = 8,4
м/мин
При одинаковых режимах обработки максимальные контактные напряжения при коэффициенте трения 0,9 превышают напряжения, полученные с коэффициентом трения 0,6 примерно на 20%. В целом, снижение кон-
тактных нагрузок на поверхность инструмента, при внесении поправок, связанных с применением нанопленок эпилама в компьютерную модель, достигает 30 - 40%. (рисунок 3).
Температурный анализ показал, что понижение сил трения позволяет снизить теплообмен в зоне деформации примерно на 40 °С при различных параметрах обработки. В целом максимальные значения температуры с использование технологии эпиламирования не превышают 200 °С При этом, температура тепловой деструкции пленки эпилама составляет 450 °С, что позволяет сделать вывод о целесообразности применения технологии эпиламирования при накатывании резьб. Список литературы
1. Друянов Б. А., Непершин Р.И. Теория технологической пластичности. - М.: Машиностроение, 1990, 272 с.
2. Маленко И.П., Маленко П.И. Исследование температур на дискретных контактах при трении скольжения со смазочным материалом // Вестник машиностроения №1. 2009. С.39 - 43.
3. Нагачева Т.И. Термоэлектрический метод определения температуры в зоне резания и влияние на результаты неоднородностей режущей кромки и поверхности обрабатываемого изделия. Известия Орел ГТУ, серия «Машиностроение. Приборостроение». 2004. №3. С.40-42
4. Новиков А.Д., Селеменев М.Ф., Селеменев К.Ф. Повышение энергоэффективности резьбонарезания при нанопокрытии рабочих поверхностей метчиков // XVI Международная научно-практическая конференция " ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ - XXI ВЕК "). - 2018
5. Киричек А.В., Звягина Е.А. Эпиламирование - нанотехнология для повышения эффективности механической обработки. //Справочник. Инженерный журнал №2. 2007. С.15-18.
6. Новиков А.Д., Селеменев М.Ф., Фроленкова Л.Ю., Тарапанов А.С. Анализ формообразования внутренних профилей с помощью компьютерного моделирования // Материалы международного научного симпозиума технологов-машиностроителей (Ростов-на-Дону, 26-28 сент. 2018). - 2018.- С. 123 - 126.
Novikov Alexander Dmitrievich, Graduate student (e-mail: sasha.waw@mail.ru)
Tarapanov Alexander Sergeevich, Doctor of Technical Sciences, Professor (e-mail: tarapanov@rambler.ru)
Selemenev Mikhail Fedorovich, Candidate of Technical Sciences, Docent (e-mail: Selemenev2007@yandex.ru) Orel State University, Orel, Russia
THE DEFINITION OF CHANGE OF STRESS STATE AND TEMPERATURE IN THE AREA OF FORMING THREAD ROLLING
The article presents a method for determining the stress state and temperature in the area of forming the thread rolling. The analysis of the stress state of the metal during thread extrusion. To determine the characteristics of the material flow, its deformed state, the system of modeling of technological processes DEFORM-3D was used. It is established that the values of contact stresses during thread rolling significantly exceed the voltage during thread cutting. Technology epidemiologia helps reduce temperature in the cutting zone. Keywords: esibonakalayo, deformation, stress, temperature, epidemiologie.
