CC BY
63
ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
УДК 621.9
Сергеев С.В., ШаламовВ.Г., Сергеев Ю.С., Прошунин Д.В.
РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ОТВЕРСТИЙ И ПАЗОВ С ПОМОЩЬЮ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫХ МОДЕЛЕЙ*
Особые затруднения в производственныхусловиях вызывает получение внутренних поверхностей, например, отверстий иузкихглубокихпазов с повышенными требованиями по точности посредством концевыхмно-голезвийных инструментов (КМИ). По заводским данным, например на ОАО «Агрегат» (г. Сим Челябинской области) до 40% обрабатываемых отверстий и пазов точные, и преобладают они в основном в деталях гидрораспределителей и пневморегуляторов аварийноспасательного инструмента и топливорегулирующей аппаратуры авиационного назначения.
На практике заводские технологи, как правило, при проектировании технологических процессов пользуются различными справочниками, данные в которых являются весьма усредненными и не учитывают особенностей конкретной операции. В частности, режимы обработки для того или иного КМИ назначаются исходя из свойств обрабатываемого материала, вида оборудования, геометрии и стойкости инструмента и т.п. Вместе с тем, в этих руководящих материалах отсутствуют какие-либо сведения о вредном влиянии вибраций на точность формообразования отверстий и пазов, хотя ряд российских и зарубежных авторов [1-3] прямо указывают на то, что неотъемлемым свойством резания металлов как технологического процесса является наличие вибраций, вызванных самим ходом процесса или внешними возмущающими факторами. Поэтому при отладке операции возникают трудности, связанные с достижением требуемой точности обработки, а технолог практически вслепую решает эту задачу на интуитивном уровне либо прибегает к помощи эксперта.
* Работа выполнялась в рамкахприортетныхнаправлений научно-исследовательской работы Высшей школы, разработанных Министерством образования и науки Российской Федерации по темам: «Технология переработки промышленных и бытовых отходов» и « Проведение научныхисспедований коллективами научно-образовательных центров в области станкостроения» при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2011-2013 гг. (госконгракт№ 14.740.11.1123) и Российского фонда фундаменгальныхисследований - РФФИ (проекты: «Исследование поведения вращающихсяпроникателей при движении в твердых средах и формирование принципов моделирования процессов проникания» № 07-01-96052-р_урал_ана2007-2008 гг.; « Фундаментальные исследования колебательных процессов при формообразовании поверхностей в твердых средах вращающимися инструментами и разработка принципов управленияэтими процессами» № 08-08-00517-а на 2008-2009 гг.); «Разработка научных основ вибрационныхтехнологий и создание нового класса оборудования для переработки и утилизации твердых отходов» № 10-08-96040-р_урал_а) на 2010-2012 гг.
В связи с этим возникает необходимость создания методики проектирования операций с учетом погрешностей обработки отверстий и пазов, возникающих из-за вибраций инструментов.
Такие данные можно получить на основе проведения компьютерныхи натурныхэкспериментов, для чего необждимы математические модели расчета точности формообразования отверстий и пазов КМИ, учитывающие динамические факторы, но для этого сначала нужно понять механизм образования погрешностей.
Как уже неоднократно было показано [4-8], к главным причинам образования погрешностей обработки отверстий и пазов можно отнести то, что вращение стандартного КМИ в частности сверл, зенкеров, разверток и концевых фрез, даже с геометрически симметрично заточенными режущими лезвиями неизбежно сопровождается поступательными поперечными квазикруговыми автоколебаниями с частотой ю и амплитудой А по поверхности резания относительно каждого его зуба. При этом кинематические углы резания, а значит, и режущие свойства на зубьях КМИ будут различны из-за разнонаправленное™ скоростей вращения и перемещения центра КМИ. А это является главной причиной, по крайней мере, увеличения размера (разбивки) отверстий и пазов.
Другим важнейшим фактором, способствующим образованию погрешностей обработки отверстий, являются осевые и крутильно-осевые колебания ®о режущей части КМИ. Поскольку КМИ зачастую имеет пониженную жесткость в наладке и, вместе с тем, склонность к повышенному возбуждению вибраций, которые могут самовозбу ждаться [5, 6] и при этом синхронизироваться и рассинхронизироваться [7, 8], поэтому амлитудно-фазочастотные характеристики могут иметь нестабильный характер.
Сами по себе осевые и крутильно-осевые автоколебания КМИ еще не нарушают симметрии его режущей части, но в сочетании с поперечными автоколебаниями могут приводить к нарушениям точности обработки, таким как погрешности поперечной и продольной формы отверстий в различных их проявлениях [9]. Полученные математические модели [8, 10-12], отражающие динамику процесса формообразования отверстий и пазов КМИ, имеют научную ценность в силу объяснения их механизмов. Однако применить их напрямую в инженерных расчетах весьма затруднительно.
Развитие теории резания и разрушения [13], а также численных методов решения задач и компьютерной техники позволяет реализовать компьютерные модели процесса резания с минимальным количеством допущений. Математическое моделирование процесса резания позволяет исследовать непосредственно процесс без проведения дорогостоящих натурных экспериментов. А это, в свою очередь, существенно снизит затраты на освоение новых технологий. Однако существующие методики исследования дают значительные расхождения с экспериментом по силе резания, по величине усадки стружки, температуре в зоне резания, длине контакта стружки с инструментом и другим показателям.
В настоящее время, из известных методик моделирования динамики процесса резания материала с вибрациями, по мнению специалистов [14] в области информационных технологий в математическом мо-делировании, наиболее достоверное исследование упомянутых процессов возможно лишь при использовании метода конечных элементов, который является основой программного комплекса Ansys.
Ansys позволяет решать как статические, так и динамические задачи. Для начала был проведен статический расчет с использованием модуля Static Structural в Ansys Workbench, функционал которого позволяет производить прочностной анализ, расчеты линейной прочности, нелинейностей (деформации, упругости, пластичности, текучести, расчеты элементов на растяжение-сжатие и др.).
Рис. 1. Сетка конечных элементов
Рис. 2. Поле распределения деформаций
Для уменьшения объема вычислений и получения универсальных проектных зависимостей, адекватно отражающих реальные физические процессы резания, целесообразно использовать указанный вычислительный аппарат для расчета пластических деформаций и разрушения в зоне резания материала с вибрацией инструмента.
С целью реализации поставленной задачи была разработана следующая структура моделирования процесса резания вращающимся КМИ при обработке отверстий и пазов [15]:
- разработка геометрической модели режущего инструмента и заготовки;
- разбивка геометрической модели на конечные элементы;
- формирование краевых условий модели (частоты вращения, радиальных и осевых колебаний инструмента);
- задание уравнения состояния материала.
В результате расчета получаем динамический процесс формообразования поверхности (формирование ее геометрии) и при этом рассчитываем:
- поле пластической деформации исследуемого материала;
- силы резания;
- траекторию движения инструмента.
В частности, на основе моделирования в рамках задачи были получены деформации КМИ, например сверла и перемещения его режущих кромок.
Программный комплекс Апзуз позволяет произ-
Рис. 4. Первая форма колебаний
водить расчеты задач как в 2Б, так ив 3Б постановке. Очевидным является тот факт, что расчет погрешностей обработки отверстий при сверлении целесообразно производить в 3Б постановке.
Моделирование процесса сверления отверстия производится в 3 этапа: препроцессирование, процессирование и постпроцессирование.
На этапе препроцессирования осуществляется описание исходных данных для задачи, степеней свободы и формирование набора допущений. Этот этап подразумевает:
- построение геометрической модели инструмента;
- задание механических свойств материалов и при-
Рис. 5. Пятая форма колебаний
1. Ввод данных из файла
2. Вывод данных \ из файла для визуального ) контроля на дисплей у
f 10.Сохранение/ / Вывод результата \
( данных в 1 V памяти CPU V на дисплей J
своение ихэлементам геометрической модели;
- задание параметров разбиения и собственно разбиение модели на конечные элементы;
- задание контактных площадок или областей закрепления;
- задание усилий и моментов;
- задание рассчитываемых переменных
На этапе процессирования производится расчет описанной задачи и расчет заданных переменных На этом этапе никаких действий от расчетчика не требуется.
Этап постпроцессирования заключается в получении рассчитанных данных и последующем их анализе.
Рассмотрим этап препроцессирования более подробно.
Построение геометрической модели можно осуществлять как при помощи самого Ansys (модуль Design Modeller), так и с использованием сторонних CAD систем. Для удобства нами была использована система Autodesk Inventor и с помощью формата sat импортирована в Ansys.
Затем были заданы механические свойства материала сверла, которые были присвоены элементам геометрической модели.
Разбиение модели на конечные элементы было произведено автоматически с использованием метода Tetrahedrons с алгоритмом Patch conforming - модель разбивается на тетраэдры. Результат разбиения представлен в соответствии с рис. 1.
После разбиения на конечные элементы область хвостовика сверла была закреплена. В качестве сил резания были заданы осевая и радиальные составляющие, которые приложены к режущим кромкам. Рассчитываемыми величинами были деформация сверла и сдвиг. Результаты расчета указанных величин представлены в соответствии с рис. 2 и 3.
Для анализа собственных колебаний сверла был произведен его модальный анализ в рамках той же сетки конечных элементов.
Рис. 6. Блок-схема расчета Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2011. № 3.
Рис. 7. Визуализация сформированной поверхности
Модальный анализ позволяет определить собственные частоты и формы колебаний. Кроме того, он используется как исждный для других, более подробных динамических расчетов, таких как нестационарный динамический анализ или отклик системы на гармоническое воздействие.
В программе Ansys модальный анализ является линейной процедурой. Любые нелинейности вроде пластичности или элементов зазора-контакга игнорируются, даже если они и заданы. Доступны четыре метода выявления собственных форм колебаний, в том числе и с учетом демпфирования.
Модальный анализ может проводиться для предварительно напряженных конструкций. Еще одной полезной особенностью является учет модальной циклической симметрии, что дает возможность свести анализ всей конструкции к анализу ее части.
Нелинейные конечные элементы, если таковые используются в модели, трактуются как линейные. Например, жесткость элементов контакта рассчитывается исждя из их начального положения и затем не изменяется.
При выполнении модального анализа задаются модуль Юнга и плотность материала, который предполагается линейным, изотропным или ортотропным, со свойствами, зависящими или не зависящими от температуры.
При определении собственных форм колебаний можно использовать четыре метода: сокращенный, подпространственный, несимметричный (для задач с несимметричной матрицей, например при взаимодействии жидкости с конструкцией) и декрементный (когда нельзя пренебречь трением, например при анализе движения по опорной поверхности).
Для анализа было выделено 6 форм (мод) собственных колебаний.
Результаты расчета представлены в соответствии с рис. 4, 5.
Блок-схема (рис. 6) полного расчета динамики процесса формообразования внутренних поверхностей включает:
- учет сдвига срезаемого слоя материала каждым лезвием КМИ;
- определение центров мгновенного качения КМИ на лезвии с максимальным усилием сдвига [6, 7];
- расчет траектории поворота геометрического центра КМИ вокруг нового центра вращения, а также величины осевой подачи в конкретный момент времени через заданный временной шаг расчета, например через каждые 0,001 с.
Причем, в процессе расчета, когда сумма возвращающих сил (сил сопротивления изгибу и скручиванию) достигнет величины, достаточной для сдвига слоя металла на подвижном лезвии, происходит возврат центра вращения КМИ в «исждное положение», то есть процесс резания как бы начинается двумя лезвиями с одновременной релаксацией стержня инстру-мента к его равновесному состоянию.
При этом на каждом этапе итеративного исчисления в программе происходит «сохранение» поверхно-
сти, образуемой лезвиями КМИ для расчета срезаемых слоев с учетом осевых колебаний инструмента.
В конце расчета получаем геометрические параметры сформированной поверхности с визуализацией ее на дисплее (рис. 7).
Полученные результаты расчета для операций сверления, зенкерования и развертывания отверстий, а также для фрезерования узких глубоких пазов концевыми фрезами были сопоставлены с результатами натурных экспериментов. В итоге, была установлена достаточно высокая сждимость результатов.
На практике данная модель и результаты расчета могут быть использованы для оптимизации режимов резания с точки зрения получения наивыгоднейшего соотношения частот самопроизвольных осевых и радиальных колебаний КМИ, при котором обеспечивается наилучшая точность получаемых поверхностей (а.с. 122088, 1537398 СССР).
Список литературы
1. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. М.: Машиностроение, 1970. 350 с.
2. КумабэД. Вибрационное резание / пер. сяп. С.Л. Масленникова; под ред. И.И. Портнова, В.В. Белова. М.: Машиностроение, 1985. 424 с.
3. Тверской М.М. Автоматическое управлениережимами обработки деталей на станках. М.: Машиностроение, 1982. 208 с.
4. СергеевС.В. Повышение эффективности вибрационных процессов при механической обработке различных материалов: монография. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. 262 с.
5. СергеевС.В. Анализ механизмов возникновения погрешностей обработки при формообразовании отверстий концевым многолезвийным инуструментом // Технология машиностроения. М.: Издательский центр «Технология машиностроения», 2010. № 2. С. 14-18.
6. СергеевС.В. Особенности моделей динамических процессовсверле-ния отверстий // Технология машиностроения. М.: Издательский центр «Технология машиностроения», 2010. № 4. С. 14-19.
7. СергеевС.В. Влияние радиальных автоколебаний сверл на точность формообразования отверстий многолезвийным инструментом // Тех -нология машиностроения. М.: Издательский центр «Технология машиностроения», 2010. № 8. С. 15-20.
8. Сергеев С.В. Влияние вибрационного радиального перемещения фрез при их кинематической диссимметрии на точность формообразования // Вестник машиностроения. М.: Машиностроение, 2010. № 12. С. 43-48.
9. СергеевС.В. Научныеосновы процессов формообразования внутренних повер<ностей вращающимися многоэлементными проникате-лями // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2010. № 2. С. 43-46.
10. СергеевС.В. Моделированиеточносги формирования отверстий при сверлении / СТИН. М., 2010. № 9. С. 33-38.
11. СергеевС.В. Влияние синхронизации автоколебаний сверл на точность формирования отверстий / СТИН. М., 2010. № 10. С. 19-24.
12. СергеевС.В. Влияние синхронизации автоколебаний сверл на точность формирования отверстийпри многоинструментнсй обработке / СТИН. М., 2010. № 11. С. 22-28.
13. Залога В.А., Криворучко Д. В., Хвости<С.Н. О выборе уравнения состояния обрабатываемого материала для моделирования процесса резания методом конечных элементов// Материалы i тех нологм в ма-шинобудува HHÎ. Суми.: ВюникСумДУ, 2006. № 12. С. 101-115.
14. Борзунова Т.Л., Ризниченко Г.Ю. Информационные технологии в математическом моделировании // Математика Компьютер. Образование: сб. трудов XII междунар. конференции. Т. 1. Ижевск: Науч.-издат. центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2005. С. 277-288.
15. СергеевС.В., Прошунин Д.С., СиголаевСА. Исследование динамики процесса формообразования внутренних поверхностей в программной среде Ansys AutoDyn // Математическое моделирование и крае-выезадачи: тр. 7 всерос. науч. конф. с международным участием. Ч. 4.: Информационные технологии в математическом моделировании. Самара: СамГТУ, 2010. С. 177-179.
Bibliography
1. Poduraev V.N. Machining with vibrations. Moscow: Mashinostroenie, 1970. 350.
2. Kumabe D. Vibration Cutting / trans. with Jap. S.L Maslennikov; ed. I.I Portnov, V. Belov. M.: Mashinostroenie, 1985. 424 p.
3. Tverskoy M.M. Automatic mode control processing parts on the machines. Moscow: Mashinostroenie, 1982. 2G8 p.
4. Sergeev S.V. Improving the efficiency of vibration processes for machining of various materials: monograph. Chelyabinsk: Izd SUSU, 2GG4. 262 p.
Б. Sergeev S.V. Analysis of the mechanisms of error handling in shaping holes terminal mutiblade inustrumentom // Mechanical Engineering Technology. Moscow: Publishing Center «Mechancal Engineering», 2G1G. № 2. P. 14-18.
6. Sergeev S.V. Features of models of dynamic processes drilling // Mechanical Engineering Technology. Moscow: Publishing Center «Mechanical Engineering», 2G1G. № 4. P. 14-19.
7. Sergeev S.V. Effect of radial oscillations of drills on the accuracy of forming holes multiblade tool // Mechanical Engineering Technology. Moscow: Publishing Center «Mechanical Engineering», 2G1G. № 8. P. 15-2G.
8. Sergeev S.V. Effect of vibration of the radial displacement mills in their kinematic asymmetry in the Accuracy of shaping // Vestn engineering. Moscow: Mashinostroenie Publishing, 2G1G. № 12. P. 43-48.
9. Sergeev S.V. Scientific bases of forming the internal surface of a rotating multielement pronikatelyami // Vestnik MSTU. them. G.I. Nosov. Magnitogorsk: MGTU them. G.I. Nosov, 2G1G. № 2. P. 43-46.
1G. Sergeev S.V. Simulation accuracy of forming holes for drilling // STIN. M.,
2010. № 9. P. 33-38.
11. Sergeev S.V. Effect of synchronization of self-drills on the accuracy of the formation of holes // STIN. M., 2010. № 10. P. 19-24.
12. Sergeev S.V. Effect of synchronization of self-drills on the accuracy of the formation of holes in mnogoinstrumentnoy processing // STIN. M., 2010. № 11. P. 22-28.
13. Zaloga V.A., Krivoruchko D.V., Hvostik S.N. On the choice of equation of state of the material to simulate the cutting process by finite element method // Materialy i tehnologii in mashinobuduva nni. Sumi.: Visnik SumDU, 2006. № 12. P. 101-115.
14. Borzunova T.L., Riznichenko G.Yu. Information technologies in mathematical modeling // Math. Computer. Education. Cb. Proceedings XI International Conference. V.1. Izhevsk: Scientific Publishing Center «Regular and Chaotic Dynamics, 2005. P. 277-288.
15. Sergeyev S.V., Proshunin D.S., Sigolaev S.A. Study of the dynamics of the process of forming the inner surfaces of the software environment Ansys AutoDyn // Mathematical modeling and boundary problems: Proceedings of the Seventh All-Russian Scientific Conference with international participation. Part 4.: Information technology in mathematical modeling. Samara: Samara State T echnical U niversity, 2010 P. 177-179.
УДК 621.81:538.3
Симонова Ю.Э., Пачевский В.М., Ткаченко Ю.С.
ОСОБЕННОСТИ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ЧУГУННЫХ ПАР ТРЕНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ ТИПА НАПРАВЛЯЮЩИЕ СКОЛЬЖЕНИЯ
Среди способов нанесения покрытий напылением наиболее широкое распространение получил метод газотермического напыления самофлюсующимися материалами [1]. Данный метод позволяет получать плотные износостойкие коррозионностойкие покрытия с высокой адгезией.
К достоинствам метода можно отнести:
1. Возможность получения износостойкой структуры, основу которой составляют боридные и карбидные фазы высокой твердости.
2. Обеспечение равномерного покрытия как на большой площади, так и на ограниченных ее участках
3. Возможность использованияразличныхметаллов, сплавов, обеспечивающих получение многослойных покрытий со специальными характеристиками, плавящихся при температуре до 2800°С без разложения.
4. Обеспечение толщины покрытия в пределах от 50 мкм до 10 мм и более за один прожд.
5. Высокая производительность процесса (до 10 кг/ч) и высокий коэффициент использования материала (0,60-0,95).
6. Относительно малое тепловое воздействие на подложку (в пределах 50-150°С), то есть при напылении основа материала мало деформируется и практически структурно не изменяется.
7. Оборудование отличается простотой и лёгкостью управления, процесс напыления обеспечивает высокую производительность.
Для восстановления рабочих поверхности деталей применяют три вида газопламенного напыления: без оплавления, с последующим оплавлением, с одновременным оплавлением.
Напыление без оплавления применяют для восстановления преимущественно стальных деталей. Служит для восстановления деталей с износом до 2,0 мм на
сторону, не испытывающих деформации, искажения или изменения структуры основного металла, не испытывающих в процессе эксплуатации знакопеременных нагрузоки большого нагрева. Покрытия без оплавления наносят при восстановлении наружных и внутренних цилиндрических поверхностей подвижных и непо -движных соединений при невысоких требованиях к прочности соединения с основным материалом.
Последующее оплавление выполняют для деталей типа вал, в том числе из конструкционных сталей, в случае износа до 2,5 мм на сторону. Восстановленные детали устойчивы к коррозии, абразивному изнашиванию, действию высоких температур. Как правило, нанесенное покрытие оплавляют газокислородным пламенем, в индукторе или другим источником тепла для покрытий толщиной 0,5-1,3 мм. Этот вид оплавления покрытий, полученных газопламенным напылением, используют редко из-за требований к применению дополнительного оборудования, которое ведет к удорожанию производства.
Газопламенное напыление с одновременным оплавлением покрытия используют для восстановления деталей как из стали, так и серого чугуна с местным износом до 5 мм, полученные покрытия устойчивы к абразивному изнашиванию.
Рассматривая проблему износа применительно к направляющим скольжения, выполненных из серого чугуна марки СЧ 21, с местным износом до 0,1 мм [2] при правильной эксплуатации станочного оборудования (вследствие протяженности направляющих в процессе эксплуатации происходит неравномерный износ), жестких требований к структуре металла при тепловом воздействии, приводящему к абразивному износу, можно считать газопламенное напыление с одновременным оплавлением покрытия наиболее эф -
