CC BY
14
Оригинальная статья / Original article УДК 621.98.042
DOI: http://dx.d0i.0rg/l0.21285/1814-3520-2018-10-29-37
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВНУТРЕННИХ СИЛОВЫХ ФАКТОРОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ УПРОЧНЕНИИ ПОДКРЕПЛЕННЫХ РЕБРАМИ ДЕТАЛЕЙ
© А.А. Макарук1, А.А. Пашков2, А.М. Хамаганов3, О.В. Самойленко4
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Детали силового каркаса летательных аппаратов, изготавливаемые из алюминиевых сплавов, в целях повышения жесткости, как правило, имеют продольно-поперечное оребрение. В результате поперечное сечение таких деталей представляет сложную комплексную форму в виде тавра, швеллера, двутавра и т.д. с прямыми и наклонными полками. При изготовлении деталей в процессе как фрезерования, так и последующего упрочнения ударными методами возникает нежелательная деформация (поводки), выражающаяся в отклонении от плоскостности и саблевидности. После фрезерования поводки могут быть устранены методами местного пластического деформирования, такими как раскатка роликами, или прессовой обработкой, а после упрочнения механическая обработка, в том числе правка методами МПД, не регламентирована отраслевой нормативной технической документацией в связи с возможным внесением неопределенного напряженно-деформированного состояния в упрочненный поверхностный слой и появлением разупрочненных зон в поверхностном слое обрабатываемой детали. Расширение технологических возможностей изготовления маложестких деталей с применением технологии превентивного деформирования - внесения предыскажения формы детали для компенсации поводок, возникающих на последующих упрочняющих операциях методами поверхностного пластического деформирования. МЕТОДЫ. Моделирование с использованием нелинейного конечно-элементного анализа для определения общей из-гибной деформации детали, возникающей при поверхностном упрочнении дробью малых фракций, исследование кривизны образцов при помощи индикаторных устройств для определения силовых факторов процесса упрочнения на основе известных закономерностей теории упругости. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Получены результаты экспериментального исследования по обработке имитаторов конструктивных элементов подкрепленной ребрами детали. Обоснована необходимость использования моделирования для определения деформаций деталей, подвергаемых упрочнению ударными методами.
Ключевые слова: маложесткие детали, превентивное деформирование, раскатка роликами, упрочнение ударными методами, моделирование.
Информация о статье. Дата поступления 29 августа 2018 г.; дата принятия к печати 28 сентября 2018 г.; дата онлайн-размещения 31 октября 2018 г.
Формат цитирования. Макарук А.А., Пашков А.А., Хамаганов А.М., Самойленко О.В. Определение внутренних силовых факторов, возникающих при упрочнении подкрепленных ребрами деталей // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 10. С. 29-37. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-10-29-37
0
1Макарук Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, e-mail: makaruk_aa@mail.ru
Alexander A. Makaruk, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Technology and Equipment of Machine-Building Productions, e-mail: makaruk_aa@mail.ru
2Пашков Александр Андреевич, младший научный сотрудник, аспирант кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, e-mail: pashk0ff@mail.nj
Alexander A. Pashkov, Junior Researcher, Postgraduate of the Department of Technology and Equipment of MachineBuilding Productions, e-mail: pashk0ff@mail.ru
3Хамаганов Анатолий Маратович, научный сотрудник, e-mail: am_chamaganov@mail.ru. Anatoly M. Khamaganov, Researcher, e-mail: am_chamaganov@mail.ru.
4Самойленко Олег Викторович, младший научный сотрудник, студент, e-mail: olegsamoylenko1@gmail.com Oleg V. Samoilenko, Junior Researcher, Student, e-mail: olegsamoylenko1@gmail.com
о
DETERMINATION OF INTERNAL FORCE FACTORS UNDER RIBBED PART HARDENING
A.A. Makaruk, A.A. Pashkov, A.M. Khamaganov, O.V. Samoilenko
Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation
ABSTRACT. PURPOSE. As a rule the parts of aircraft primary structures made of aluminum alloys have longitudinal-transverse ribs in order to increase rigidity. As a result, the cross-section of such parts has a complex shape in the form of a T, a channel, double T, etc. with straight and tilted shelves. The manufacture of these parts involving the processes of milling and subsequent hardening by impact methods is accompanied by the unwanted deformation (buckling) which is represented by the deviation from flatness and blade shape. The buckling can be eliminated after milling by the methods of local plastic deformation including roller burnishing, or pressing. Mechanical processing after hardening including the straightening by the magnetic particle method is not regimented by the industry normative technical documentation due to the possibility of introduction of an undetermined stress-strain state in the hardened surface layer and occurrence of weakened zones in the surface layer of the part. Enhancement of technological capabilities for low rigid part production with the use of the preventive deformation technology implies the introduction of part shape distortion in order to compensate the buckling that arises in subsequent hardening operations performed by the methods of surface plastic deformation. METHODS. The study employs the modeling using nonlinear finite element analysis to determine the general bending strain of a part resulting from surface hardening of small fractions by shot peening, study of the sample curvature with the help of indicating devices to determine the force factors of the hardening process on the basis of the known laws of the theory of elasticity. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The results of an experimental study on machining of simulators of structural elements reinforced by ribbed parts are obtained. The need for using modeling to determine the deformations of parts subjected to hardening by impact methods is substantiated.
Keywords: low-rigid parts, preventive deformation, roller burnishing, hardening by impact methods, modeling
Information about the article. Received August 29, 2018; accepted for publication September 28, 2018; available online October 31, 2018.
For citation. Makaruk A.A., Pashkov, A.A. Khamaganov A.M., Samoilenko O.V. Determination of internal force factors under ribbed part hardening. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018, vol. 22, no. 10, pp. 29-37. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-10-29-37. (In Russian)
Введение
В основу конструкции силового каркаса самолета МС-21 входят детали типа «обод шпангоута», показанные на рис. 1. Такие детали изготавливают фрезерованием из термически упрочненных алюминиевых сплавов. После механообработки в результате перераспределения остаточных напряжений на них возникают отклонения формы величиной до нескольких миллиметров, существенно превышающие допустимые значения: ±0,15 мм - от теоретического контура; 0,4 мм - от плоскостности. Для достижения допустимых отклонений теоретического контура детали используется правка деталей методами местного пластического деформирования (МПД), такими как раскатка роликами. В работах [1-3] описана технология правки маложестких деталей раскаткой с использованием отечественного раскатного оборудования. Среди зару-
бежных авторов также известен ряд работ [4, 5], посвященных формообразованию и правке маложестких деталей раскаткой роликами.
Для повышения эксплуатационного ресурса деталей на последующих операциях производится их упрочнение ударными методами [6, 7], что также способствует возникновению недопустимых отклонений под действием внутренних остаточных напряжений. Применение после упрочнения традиционных методов правки: прессовой обработки, раскатки роликами и т.п. ограничено существующей отраслевой нормативно-технологической документацией, а правка дробью хоть и допускается после дробеметного упрочнения, вместе с тем является очень трудоемким процессом и не всегда позволяет добиться требуемого результата в полной мере.
Ш
Рис. 1. Обод шпангоута Fig. 1. Bulkhead rim
Ввиду этого актуальной задачей представляется разработка методики определения возможных поводок контура детали
после дробеметного упрочения на основании конечно-элементного анализа.
Методика расчета внутренних силовых факторов дробеметного упрочнения
Минимизация возникающих после упрочнения отклонений возможна при использовании превентивного деформирования на операциях правки после механообработки. При этом величина деформирования может быть определена по результатам упрочнения конструктивно-подобных образцов деталей или моделирования в системах инженерного анализа.
На сегодняшний день сформирован ряд предпосылок и методик для проведения расчетов данного типа5. Поскольку моделирование обработки дробью как процесса контактного взаимодействия большого количества дробинок с обрабатываемой крупногабаритной деталью затруднено ввиду неприемлемо большой продолжительности расчетов и высокой трудоемкостью подготовки расчетной модели, применим метод нагружения деталей распределенными силами, приложенными к поверхности детали и вызывающими удлинение и растяжение поверхностного слоя. Однако стоит отме-
тить, известен ряд методик моделирования процесса дробеметного упрочнения, использующих технику генерации большого объема дробинок малого диаметра для симуляции упрочнения небольших деталей или их локальных участков6 [8-13].
Таким образом, входными параметрами моделирования являются величины возникающих при упрочнении внутренних силовых факторов на различных конструктивных элементах деталей. С этой целью были разработаны имитаторы типовых элементов обода:криволинейного продольного ребра, имеющего изменяющийся угол наклона, и кармана, состоящего из участков полотна, двух продольных и двух поперечных ребер. На имитаторы (с помощью специальных прижимов) производилось крепление образцов - пластин, размерами 3x30x250 мм, изготовленных из материала детали - алюминиевого сплава 1933Т2. Схемы крепления образцов на имитаторы показаны на рис. 2, 3.
5Дияк А.Ю. Система автоматизированной подготовки управляющих программ формообразования листовых деталей на контактных дробеметных установках с ЧПУ: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.08. Иркутск, 2005. 19 с. / Diyak A.Yu. The automated preparation system of the programs controlling sheet part shaping on contact shot peening machines with numerical control: Candidate's dissertation in technical sciences: 05.02.08. Irkutsk, 2005. 19 p.
6Скосоренко К.Н. Формообразование длинномерных панелей двойной кривизны методом раскатки ребер жесткости и дробеударной обработки в авиастроении: дис. ... канд. техн. наук: 05.07.04. М., 1990. 16 с. / Skosorenko K.N. Shaping of long panels of double curvature by the method of rib rolling and shot peening in aircraft building: Candidate's dissertation in technical sciences: 05.07.04. M., 1990. 16 p.
Ш
Рис. 2. Схема закрепления образцов на имитаторе «Ребро» Fig. 2. Diagram of sample fixation on the simulator "Rib"
Рис. 3. Схема закрепления образцов на имитаторе «карман» Fig. 3. Diagram of sample fixation on the simulator "pocket"
На угловом профиле имитатора «ребро» образцы крепятся с двух сторон. После каждого цикла обработки предусмотрен поворот профиля по часовой стрелке на определенный шаг. На имитаторе «карман» закрепление образцов производится на каждом ребре с двух сторон и шести образцов на полотне. Обработка осуществляется в 2 цикла:
1) 8 образцов крепятся на ребрах (1-8), на полотне - 3 образца (11-13), ориентированные горизонтально;
2) на полотне крепятся 3 образца (14-16), ориентированные вертикально.
Обработка имитаторов с образцами производилась на установке для дробе-ударного упрочнения УДП-2-2,5 на типовых
режимах дробеметного упрочнения ободов, представленных в табл. 1.
Измерение стрел прогибов образцов до и после обработки производилось с помощью индикаторной планки, показанной на рис. 4.
По измеренным прогибам определяли удельное (на единицу ширины) растягивающее усилие, действующее после обработки, используя следующее в выражение:
3 Е/Н3
Р — _
П 4
(1)
где Е - модуль упругости 1-го рода; 1 -стрела прогиба образца, полученная при об-
Ш
Таблица 1
Режимы дробеметного упрочнения образцов на установке УДП-2-2,5
Table 1
_Modes of shot peening hardening of samples at UDP - 2-2.5_
Параметры Установ 1 Установ 2
Количество проходов 4 2
Частота вращения дробеметов 1-4, об./мин 420 420
Частота вращения дробеметов 5-8, об./мин 470 470
Подача, м./мин 3 1
Положение заслонок 1 (открыты на 50%) 3 (полностью открыты)
Рис. 4. Измерение прогиба пластины Fig. 4. Plate deflection measurement
работке; а - база измерения стрелы прогиба; Н - толщина образца; гс - расстояние от точки приложения растягивающей силы до обработанной поверхности (с учетом малых величин гс при упрочнении ударными методами - максимальные сжимающие остаточные напряжения (ОН) близки к поверхности - в расчете ими можно пренебречь).
Результаты определения растягивающего усилия, действующего в кармане детали, представлены в табл. 2, на криволи-
нейном ребре в зависимости от угла его наклона - на рис. 5.
Используя рассчитанные значения удельного растягивающего усилия, возникающего на различных конструктивных элементах, с помощью моделирования возможно определение деформации детали при ее упрочнении. Для проведения конечно-элементных расчетов, связанных с определением деформированного состояния маложестких деталей была использована система нелинейного конечно-элементного анализа ЬБТО ЬБ-РУМЛ.
Моделирование в CAE системе дробеметного упрочнения деталей
Подготовка расчетной модели выполнялась с использованием стандартных возможностей препроцессора выбранной среды моделирования следующим образом. Осуществлялась оптимизация геометрии детали (рис. 6) путем осреднения толщины полотна детали при наличии большого числа переходов в рамках одного кармана детали, устранения технологических скруг-лений, галтелей, фасок и прочих элементов,
препятствующих разбиению детали на сетку, состоящую из гексаэдральных (прямоугольных) элементов. Выбор данного типа элементов обусловлен стремлением к обеспечению достаточной точности в совокупности с приемлемым количеством узлов сетки конечных элементов, определяющим «вес» модели и продолжительность расчета.
1
Таблица 2
Значения растягивающего внутреннего усилия в кармане детали
Table 2
Values of t he tensile internal force in the part pocket
Маркировка образца f, м Гуд, Н/м
1 0,00124 30969
2 0,00036 8991
3 0,001 24975
4 0,00035 8741,25
5 0,00063 15734,25
6 0,00037 9240,75
7 0,00039 9740,25
8 0,00085 21228,75
11 0,00143 35714,25
12 0,00154 38461,5
13 0,00124 30969
14 0,00147 36713,25
15 0,00147 36713,25
16 0,00152 37962
Рис. 5. Зависимость растягивающего внутреннего усилия от угла наклона ребра детали Fig. 5. Dependence of the tensile internal force from the tilt angle of the part rib
Нагружение детали осуществлялось растягивающими силами, приложенными к конструктивным элементам детали, действующими по нормали к плоскости приложения с номинальными значениями, показанными на рис. 5.
Результаты моделирования прогнозируемой деформации обода в виде распределения относительных перемещений относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, представленных на рис. 7.
b
а
Рис. 6. Подготовка расчетной модели: а - CAD модель участка детали; b - оптимизированная модель,
разбитая на сетку конечных элементов Fig. 6. Preparation of a calculation model: a - CAD model of the part section; b - optimized model divided into a finite element grid
Z-displacement 1.091 e+01 9.379e+00 7.844e+00 6.310e+00 4.775e+00 3.241 e+00 1.707e+00 1.721e-01 -1.362e+00 -2.897e+00 -4.431 e+00
1
1
Y-displacement 1.484e+01 1.323e+01 1.161 e+01 9.998e+00 8.383e+00 6.767e+00 5.152e+00 3.536e+00 1.921 e+00 3.054e-01 -1.310e+00
1
1
b
Рис. 7. Результаты моделирования в виде распределения перемещений: а - относительно оси OZ; b - относительно оси OY Fig. 7. Simulation results in the form of displacement distribution: а - relative to the OZ axis; b -relative to the OY axis
а
Заключение
1. Превентивное деформирование позволяет минимизировать отклонения маложестких деталей, подвергаемых упрочнению ударными методами.
2. Представленная методика направлена на определение внутренних силовых факторов, возникающих на различных конструктивных элементах при дробеметном упрочнении, с последующим их использова-
нием при моделировании прогнозируемых деформаций подкрепленных ребрами деталей.
3. Моделирование с помощью САЕ-системы позволяет сократить затраты, связанные с изготовлением конструктивно-подобных образцов при определении прогнозируемых деформаций упрочняемых деталей.
Библиографический список
1. Макарук А.А., Минаев Н.В. Технология формообразования и правки маложестких деталей методами местного пластического деформирования // Высокоэффективные технологии проектирования, конструк-торско-технологической подготовки и изготовления самолетов: материалы Всерос. (с междунар. участием) науч.-практ. семинара (г. Иркутск, 09-11 ноября 2011 г.). Иркутск, 2011. С. 117-121.
2. Макарук А.А., Минаев Н.В. Технология формообразования и правки маложестких деталей раскаткой роликами // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15. № 6 (2). С. 404-408.
3. Pashkov A.Ye., Makaruk A.A., Minaev N.V. Automation methods for forming and rectifying stiffened parts with roll-ing machines // International Journal of Engineering and Technology. 2015. Vol. 7. No. 6. 2030 р.
4. Беляков В.И., Мовшович А.Я., Кочергин Ю.А. Изготовление листовых деталей методом раскатки // Си-стеми обробки шформацп. 2010. Випуск 9 (90).
5. Пашков А.Е., Дияк А.Ю. Внутренние силовые факторы процесса дробеметной обработки листовых деталей // Сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф. Иркутск: ИРГТУ, 2005. С. 171-177.
6. Пашков А.Е., Викулова С.В., Вяткин А.С., Макарук А.А. К вопросу обеспечения точности определения интенсивности поверхностного упрочнения // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. № 1(25). С. 102-107.
7. Fubin Tu. A sequential DEM-FEM coupling method for shot peening simulation. June 2017. Vol. 319. P. 200212.
8. Murugaratnam K., Utilia S., Petrinic N. A combined DEM-FEM numerical method for Shot Peening parameter optimization. January 2015. Vol. 79. P. 13-26.
9. Miao H.Y., Larose S., Perron C., Evesque M. On the potential applications of a 3D random finite element model for the simulation of shot peening. Adv. Eng. Softw. 2009. Vol. 40. P. 1023-1038.
10. Zhuo Chen, Fan Yang Realistic Finite Element Simulations of Arc-Height Development in Shot-Peened Almen Strips // Journal of Engineering Materials and Technology. October 2014. Vol. 136 / 041002-1.
11. Пат. № 2566689, Российская Федерация. Способ правки длинномерной, подкрепленной ребрами детали и устройство для его осуществления (варианты). № 2013156560 / А.А. Макарук, А.Е. Пашков, А.В. Крючкин. № 2013156560; заявл. 20.12.2013; за-рег. 29.09.15.
12. Пат. № 2581693, Российская Федерация. Устройство для обкатывания ребер панелей с регулируемой нагрузкой / А.Е. Пашков, А.А. Макарук. № 2014149583; зарег. 29.03.16.
13. Пашков А.Е., Дияк А.Ю. Определение параметров дробеударного формообразования-упрочнения при помощи CAD/CAM/CAE систем. Иркутск: Изд-во ИРГТУ, 1998. С. 59-62.
References
1. Makaruk A.A., Minaev N.V. Tekhnologiya formoobra-zovaniya i pravki malozhestkih detalej metodami mestnogo plasticheskogo deformirovaniya [Shaping and straightening technology for low rigid parts by the methods of local plastic deformation]. Materialy Vse-rossijskogo (s mezhdunarodnym uchastiem) nauchno-prakticheskogo seminara "Vysokoeffektivnyye tekhnologii proyektirovaniya, konstruktorsko-tekhnolog-icheskoy podgotovki i izgotovleniya samoletov" [Materials of All-Russian (with international participation) scientific and practical seminar "Highly effective technologies of design, technology preparation and production of
planes", Irkutsk, 09-11 November 2011]. Irkutsk, 2011, pp. 117-121. (In Russian)
2. Makaruk A.A., Minaev N.V. Technology of shaping and dressing the low-rigid details by means of roller burnishing. Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra Ros-sijskoj akademii nauk [Izvestiya of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2013, vol. 15, no. 6 (2), pp. 404-408. (In Russian)
3. Pashkov A.Ye., Makaruk A.A., Minaev N.V. Automation methods for forming and rectifying stiffened parts with rolling machines // International Journal of Engineering and Technology. 2015, vol. 7, no. 6, 2030 p.
4. Belyakov V.l., Movshovich A.Ya., Kochergin Yu.A. Production of sheet parts by the rolling method. Sistemi obrobki informacii [Information processing systems], 2010, Vipusk 9 (90). (In Russian)
5. Pashkov A.E., Diyak A.Yu. Vnutrennie silovye faktory processa drobemetnojobrabotkilistovyh detalej [Internal force factors of sheet part shot peening]. Sbornik materi-alov Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [Proceedings of the International scientific and practical conference]. Irkutsk: IRGTU Publ., 2005, pp. 171-177. (In Russian)
6. Pashkov A.E., Vikulova S.V., Vyatkin A.S., Makaruk A.A. To the problem of ensuring the accuracy of surface hardening intensity determination. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyj analiz. Modelirovanie [Modern technologies. System analysis. Modeling], 2010, no. 1(25), pp. 102-107. (In Russian)
7. Fubin Tu. A sequential DEM-FEM coupling method for shot peening simulation. June 2017, vol. 319, pp. 200-212.
8. Murugaratnam K., Utilia S., Petrinic N. A combined DEM-FEM numerical method for Shot Peening parameter optimization. January 2015, vol. 79, pp. 13-26.
9. Miao H.Y., Larose S., Perron C., Evesque M. On the potential applications of a 3D random finite element model for the simulation of shot peening. Adv. Eng. Softw. 2009, vol. 40, pp. 1023-1038.
10. Zhuo Chen, Fan Yang Realistic Finite Element Simulations of Arc-Height Development in Shot-Peened Almen Strips. Journal of Engineering Materials and Technology. October 2014, vol. 136 / 041002-1.
11. Makaruk A.A., Pashkov A.E., Kryuchkin A.V. Sposob pravki dlinnomernoj, podkreplennoj rebrami detali i ustro-jstvo dlya ego osushchestvleniya (variant) [A method for straightening a long, reinforced rib part and a device for its implementation (variants). No. 2013156560]. Patent RF, no. 2566689, 2013.
12. Pashkov A.E., Makaruk A.A. Ustrojstvo dlya obkatyvaniya reber panelej s reguliruemoj nagruzkoj [A device for rolling the panel edges with adjustable load]. Patent RF, no. 2014149583, 2016.
13. Pashkov A.E., Diyak A.Yu. Opredelenie parametrov drobeudarnogo formoobrazovaniya-uprochneniya pri pomoshchi CAD/CAM/CAE system [Determination of shot-peening shaping-hardening parameters by means of CAD/CAM/CAE systems]. Irkutsk: ISTU Publ., 1998, pp. 59-62. (In Russian)
Критерии авторства
Макарук А.А., Хамаганов А.М. занимались проведением экспериментальных исследований по обработке имитаторов с образцами на установке для дробеударного упрочнения УДП-2-2,5, проанализировали результаты обработки, определили внутренние силовые факторы, возникающие на различных конструктивных элементах при дробеметном упрочнении. Пашков А.А. провел моделирование процесса упрочнения с использованием системы инженерного конечно-элементного анализа. Самойленко О.В. разработал имитаторы и образцы, занимался измерением кривизны до и после обработки. Макарук А.А., Хамаганов А.М., Пашков А.А., Самойленко О.В. имеют равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Authorship criteria
Makaruk A.A., Khamaganov A.M. have conducted experimental studies on simulated sample processing in the apparatus for shot-shock hardening of UDP-2-2,5, analyzed the results of determined internal forces and moments occurring in different structural elements under blast hardening. Pashkov A.A. simulated the hardening process using the system of engineering finite element analysis. Samoilenko O.V. developed simulators and samples, measured the curvature before and after processing. Makaruk A.A., Khamaganov A.M., Pashkov A.A., Samoilenko O.V. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
