CC BY
29
Оригинальная статья / Original article УДК 621.982.5
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-4-39-46
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СТОЯНИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ ПОВЫШЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ БОЙКОВЫМ ИНСТРУМЕНТОМ
© А.А. Макарук1, А.М. Хамаганов2, А.А. Пашков3, О.В. Самойленко4
Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬЮ является исследование напряженного стояния при обработке деталей повышенной жесткости бойковым инструментом. МЕТОДЫ. Использовалось моделирование процесса обработки заготовки бойковым инструментом с помощью системы нелинейного конечно-элементного анализа Ansys LS-Dyna; проводилось экспериментальное исследование глубины отпечатка бойка в зависимости от величины технологической нагрузки при помощи измерения на оптическом профилометре. РЕЗУЛЬТАТЫ. Выявлено распределение остаточных напряжений и пластической деформации на основании данных моделирования единичного внедрения бойка в заготовку при различных величинах технологической нагрузки, определена величина глубины отпечатка по результатам экспериментальных исследований. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Предложен метод обработки бойковым инструментом для правки деталей повышенной жесткости.
Ключевые слова: правка, бойковый инструмент, внутренние силовые факторы, растягивающая сила, остаточные напряжения.
Формат цитирования: Макарук А.А., Хамаганов А.М., Пашков А.А., Самойленко О.В. Исследование напряженного стояния при обработке деталей повышенной жесткости бойковым инструментом // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 4. С. 39-46. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-4-39-46
STUDYING STRESS STATE UNDER HIGH RIGIDITY PARTS PEEN PROCESSING A.A. Makaruk, A.M. Khamaganov, A.A. Pashkov, O.V. Samoilenko
Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the paper is to study a stressed state when peening parts of high rigidity. METHODS. The workpiece peening process has been simulated with the use of a nonlinear finite element analysis system Ansys LS-Dyna. The dependence of the peen indent depth on the pressure value has been studied experimentally by means of optical profilometer measurements. RESULTS. The distribution of residual stresses and plastic deformation have been determined on the basis of simulation data of a unit peen indentation of the workpiece at various pressures. The indent depth has been determined by the results of experimental studies. CONCLUSION. The method of peen processing is proposed for flattening of high rigidity parts.
Keywords: flattening, peen, internal stress factors, tensile force, residual stresses
For citation: Makaruk A.A, Khamaganov A.M., Pashkov A.A, Samoilenko O.V. Studying stress state under high rigidity parts peen processing. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 4, pp. 39-46. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-4-39-46
Введение
Правка деталей повышенной жесткости представляет собой трудоемкую операцию, требующую разработки специаль-
ного оборудования и технологии. Типовыми деталями гражданской авиационной промышленности, при изготовлении которых
1
Макарук Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected] Aleksandr A. Makaruk, Candidate of technical sciences, Associate Professor; e-mail: [email protected]
2Хамаганов Анатолий Маратович, научный сотрудник. Anatoliy M. Khamaganov, Researcher.
3Пашков Александр Андреевич, аспирант, младший научный сотрудник, e-mail: pash k0ff@ mail.ru Aleksandr A. Pashkov, Postgraduate student, Junior Researcher, e-mail: [email protected]
4Самойленко Олег Викторович, студент, [email protected] Oleg V. Samoilenko, Student, [email protected]
возможны поводки контура, являются элементы, предназначенные для остекления кабины пилота типа рамы фонаря (рис. 1).
Подобные детали представляют собой конструкции, состоящие из вертикальных стоек и горизонтальных полок комплексного поперечного сечения. Кроме этого, показанные на рис. 1 элементы имеют кривизну в продольном направлении и закручены относительно друг друга в соответствующей плоскости. Наличие продольных и поперечных ребер способствует образованию карманов на деталях, которые создают дополнительные препятствия к применению инструментов для правки деталей. Поводки таких деталей возникают преимущественно после механической обработки. Отклонения от теоритического
контура могут достигать в отдельных случаях 2 мм.
Существующие технологии формообразования и правки подкрепленных деталей, представленные в трудах [1], [2], не могут быть применены в данном случае ввиду сложной формы таких деталей и их высокой жесткости. В связи с этим предложен метод правки таких деталей бойковым инструментом. Кроме того, энергия единичного удара бойковым инструментом значительно превышает энергию удара традиционных методов правки, таких как дробе-ударная обработка.
Таким образом, целью работы является исследование напряженного стояния при обработке деталей повышенной жесткости бойковым инструментом.
Полки / Racks
Рис. 1. Рама фонаря боковая Fig. 1. Lateral frame of canopy transparency
Методика исследования
Предлагаемая технология заключается в обработке методом поверхностного пластического деформирования детали при помощи пневматического клепального молотка КМП-14 со специальными насадками (сферические, цилиндрические и др.), что приводит к возникновению в поверхностном слое материала напряжений сжатия. Под действием перераспределившихся остаточных напряжений происходит деформация детали. Как и при дробеударной обработке, внутренним силовым фактором (ВСФ) данного процесса, в результате действия которого деталь деформируется, выступает распределенная растягивающая сила Ред, приложенная на расстоянии от поверхности детали zc, которые определяются выражениями [3], [4]:
=
Peg =-1 [°нп hs hm);
днпh (3h2 - 2hs hm + h2m)
3K h +< hm)
(1)
где hпл - глубина распространения пластической деформации; hs - координата слоя с максимальным значением начальных напряжений; оЩ - начальные напряжения в
_н
поверхностном слое; - максимальное значение начальных напряжений; Ред - интегральное значение начальных напряжений, обусловленных единичным внедрением (единичная сила); гс - координата точки приложения силы Ред.
Таким образом, для определения напряженного состояния и ВСФ данного процесса необходимо решить задачу внедрения шарового индентора в упруго-пластическое пространство с использованием универсальных систем инженерного анализа (САЕ). Для выполнения расчетов была применена система нелинейного конечно-элементного анализа Ansys LS-Dyna, специально созданная для моделирования динамических процессов, к которым относится обработка металлов давлением.
Конечно-элементная модель (КЭМ) процесса обработки с применением бойко-вого инструмента приведена на рис. 2.
Данная КЭМ полностью трехмерная и включает в себя:
- заготовку размерами 50х50х30 мм, состоящую из 3,8 млн гексаэдральных элементов, со сгущением их в контактной области взаимодействия бойка и детали;
- индентор (боек), состоящий из 30 000 тетраэдральных элементов, со сгущением их ближе к контактной поверхности, минимальная длинна стороны которых в области сгущения составляет около 0,1 мм.
Для сокращения времени расчета модель бойка была представлена в виде абсолютно жесткого тела с ограничением степеней свободы во всех направлениях, кроме осевого. КЭМ бойка как абсолютно жесткого тела необходима для выявления его инерционных характеристик (массы) и корректного ударного взаимодействия с заготовкой.
В данной работе была использована модель анизотропного упругопластического материала, созданная на основе условия текучести Мизеса - Хилла:
= ^ -аг)г + +в(а2 -ах)2 + И(ах -ау)2 + +2 Ьт2у2 + 2Ыт]х + 2 МтХу = 1.
Упругие деформации и напряжения в данной модели были заданы по линейной зависимости а = еЕ, для области пластических деформаций на основе графиков разрушения образцов была построена кривая нагружения, аппроксимированная совокупностью прямых.
Рис. 2. Моделирование процесса обработки бойковым инструментом: а - КЭМ процесса обработки
с применением бойкового инструмента; b - общий вид бойкового инструмента Fig. 2. Peen processing simulation: a - finite element model of peen processing; b - general view of the peen
Контакт между индентором и заготовкой был задан с помощью специального типа контакта «Entity», разработанного для взаимодействия абсолютно жестких тел с деформируемыми поверхностями.
Технологическая нагрузка характеризуется скоростью бойка V6 в зависимости от давления в пневмосистеме. Скорость
была определена опытным путем с использованием высокоскоростной камеры Phantom v711 с возможностью записи видео с частотой 7530 кадров в секунду. Таким образом, фиксировалось перемещение бойка за единицу времени (рис. 3). Полученные данные приведены в табл. 1.
T Ü? if
» It " t 1 i J,
1 it?
Рис. 3. Стоп-кадры высокоскоростной съемки перемещения бойка Fig. 3. High-speed photography stop-frames of peen displacement
Скорость бойка в зависимости от давления в пневмосистеме Peen velocity depending on the pressure in the pneumatic system
Таблица 1
Table 1
Давление, МПа / Pressure, MPa Перемещение, мм / Displacement, mm Время, сек / Time, sec Скорость, м/сек / Velocity, m/sec
0,2 4 0,0015 2,67
0,3 5 0,0015 3,33
0,4 6 0,0014 4,28
0,5 7 0,0012 5,83
0,6 7 0,0011 6,36
Результаты и их обсуждение
С использованием приведенной расчетной модели выполнена симуляция обработки бойковым инструментом при различных величинах технологической нагрузки. Были выбраны граничные значения давления в пневмосистеме, которые составляют 0,2 и 0,6 МПа и соответствующие им скорости бойка. На рис. 4 показаны распределения остаточных деформаций и напряжений.
На основе данных моделирования были получены распределения остаточных
напряжений (рис. 5), параметры напряженного состояния и ВСФ (табл. 2) для случаев внедрения бойка на скорости 2,6 и 6,3 м/с.
Значение глубины отпечатка при обработке подтверждается экспериментально при помощи измерения на оптическом профилометре BRUNKER Contour GT-KT единичного внедрения и полосовой обработки (серия ударов при непрерывном продольном перемещении инструмента), что отражено на рис. 6, а, b.
b
a
Рис. 4. Распределение пластической деформации, мм, при внедрении бойка на скорости 6,3 м/с (a) и компоненты напряжений относительно оси Х, Мпа, после внедрения бойка на скорости 6,3 м/с (b) Fig. 4. Plastic strain distribution, mm, under peen indentation with the velocity of 6.3 m/sec (a) and the stress components about the X-axis, MPa, after peen indentation with the velocity of 6.3 m/sec (b)
Рис. 5. Эпюры остаточных напряжений после внедрения бойка на скорости 2,6 и 6,3 м/с Fig. 5. Residual stress diagrams after peen indentation with the velocity of 2.6 and 6.3 m/s
Таблица 2
Параметры напряженного состояния и ВСФ, обусловленные внедрением бойка в заготовку при разных величинах технологической нагрузки
Table 2
Stress state parameters and an internal stress factor determined by workpiece peen indentation under different pressures
Показатель / Index Обозн. / Symbols Показатели напряж при различной нагр parameters under d енного состояния узке / Stress state ifferent pressures
0,2 Мпа / 0.2 MPa 0,6 Мпа / 0.6 MPa
Скорость бойка, м/с / Peen velocity, m/sec V6 -2,6 -6,3
Диаметр отпечатка, мм / Indent diameter, mm do 12,81 22,23
Глубина отпечатка, мм / Indent depth, mm ho 0,003 0,011
Диаметр пластической зоны, мм / Plastic zone diameter, mm dпл 7,18 17,22
Глубина залегания пластической зоны, мм / Plastic zone depth, mm hпл 2,49 6,72
Глубина залегания упругой зоны, мм / Elastic zone depth, mm hynp 4,98 14,8
Расстояние до подслойного максимума, мм / Distance from the surface to the subsurface maximum stress, mm hs 1,59 2,49
Остаточные поверхностные напряжения, МПа / Residual surface stresses, MPa &П 0,26 13
Остаточные максимальные напряжения, Мпа / Residual maximum stresses, MPa -4,9 -58,8
Компонента растят напряжений эпюры ОН, Мпа / Diagram tensile stress component OH, MPa & 2,3 6,8
Растягивающие поверхностные напряжения, Мпа / Tensile surface stresses, MPa „упр &П 3,2 16,7
Начальные поверхностные напряжения, Мпа / Initial surface stresses, MPa &П 0,1 -3,7
Начальные максимальные напряжения, Мпа / Initial maximum stresses, MPa -6,3 -73,4
Единичная растягивающая сила, Н / Unit tensile force, Н Ред 10,78 601,19
Глубина залегания силы от поверхности, мм / Depth of tensile force occurrence, mm zc 1,18 1,49
©
Рис. 6. Трехмерное изображение результатов отпечатков сканирования на оптическом профилометре: а - единичное внедрение; b - полосовая обработка Fig. 6. 3D profile of peen indents measured by the optical profilometer: a - unit indentation; b - strip processing
Заключение
Таким образом, использование обработки бойковым инструментом в качестве метода правки позволяет получить большие по сравнению с традиционными методами значения единичной растягивающей силы (Ред = 601,2 Н, залегающей на глубине гс «1,5 мм), при этом глубина единичного отпечатка не превышает 0,02 мм
при обработке с давлением в пневмоси-стеме 0,6 МПа, что говорит об изменении качества обрабатываемой поверхности в допустимых пределах [5], [6] и, как следствие, возможности применения при правке после механической обработки метода местного пластического деформирования.
Библиографический список
1. Макарук А.А., Гридасова Е.В. Создание комбинированной технологии правки-упрочнения деталей типа подкрепленных ободов и стенок // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. Иркутск, 2016. № 1. С. 75-79.
2. Макарук А.А. Правка подкрепленных деталей раскаткой роликами // Высокоэффективные технологии производства летательных аппаратов: сб. докл. науч.-практ. конф. (Иркутск, 24 декабря 2012). Иркутск, 2012. С. 53-59.
3. Пашков А.Е., Дияк А.Ю. Внутренние силовые факторы процесса дробеметной обработки листовых деталей // Современный университет: образование, наука, культура: сб. материалов международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Иркутск, 15 июня 2015). Иркутск, 2005. С. 171-177.
4. Стародубцева Д.А. Револьверная головка для зачистки панелей и обшивок после дробеударного формообразования лепестковыми кругами // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. Иркутск, 2015. Т. 48. № 4. С. 34-37.
5. Стародубцева Д.А. Качество поверхности деталей из алюминиевых сплавов, зачищенных лепестковым кругом // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сб. статей VII Всероссийской научно-практической конференции. 2016. С. 387-390.
6. Чапышев А.П., Иванова А.В. Технологические возможности процессов механизированной финишной обработки деталей с применением автоматических стационарных установок // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16. № 1 (5). С. 1627-1634.
References
1. Makaruk A.A., Gridasova E.V. Cozdanie kom-binirovannoi tekhnologii pravki-uprochneniya detalei tipa podkreplennykh obodov i stenok [Development of combined shaping-hardening technology for ribbed rims
and webs]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie [Modern technologies. System analysis. Modeling]. Irkutsk, 2016, no. 1, pp. 75-79.
2. Makaruk A.A. Pravka podkreplennykh detalei raskatkoi rolikami [Shaping technology for ribbed parts using rolling machines]. Sbornik dokladov nauchno-prakticheskoi konferentsii " Vysokoeffektivnye tekhnologii proizvodstva letatel'nykh apparatov" [Proceedings of the scientific and practical conference "Highly effective technologies of aircraft parts manufacturing"]. Irkutsk, 2012, pp. 53-59.
3. Pashkov A.E., Diyak A.Yu. Vnutrennie silovye faktory protsessa drobemetnoi obrabotki listovykh detalei [Internal stress factors of the sheet part peen forming process]. Sbornik materialov mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii studentov, aspiran-tov i molodykh uchenykh "Sovremennyi universitet: obrazovanie, nauka, kul'tura" [Proceedings of the international scientific and practical conference of students, postgraduates and young scientists "Modern university: education, science, culture"]. Irkutsk, 2005, pp. 171-177.
4. Starodubtseva D.A. Revol'vernaya golovka dlya zachistki panelei i obshivok posle drobeudarnogo formoobrazovaniya lepestkovymi krugami [A turret for grinding of panels and covers by flap wheel after shot
Критерии авторства
Макарук А.А., Хамаганов А.М., Пашков А.А., Самой-ленко О.В. имеют равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 17.03.2017 г.
peen forming]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie [Modern technologies. System analysis. Modeling]. Irkutsk, 2015, vol. 48, no. 4, pp. 34-37.
5. Starodubtseva D.A. Kachestvo poverkhnosti detalei iz alyuminievykh splavov, zachi-shchennykh lep-estkovym krugom [Surface quality of aluminum alloy parts polished with a flap wheel]. Sbornik statei VII Vse-rossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii "Aviamashinostroenie i transport Sibiri" [Proceedings of VII All-Russia scientific and practical conference "Aircraft mechanical engineering and transport of Siberia"]. 2016, pp. 387-390.
6. Chapyshev A.P., Ivanova A.V. Tekhnologicheskie vozmozhnosti protsessov mekhanizi-rovannoi finishnoi obrabotki detalei s primeneniem avtomaticheskikh statsionarnykh ustanovok [Technological capabilities of mechanized finishing processing of parts with the use of automatic stationary units]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk [Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. 2014, vol. 16, no. 1 (5), pp. 1627-1634.
Authorship criteria
Makaruk A.A., Khamaganov A.M., Pashkov A.A., Samoilenko O.V. have equal authors' 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.
The article was received 17 March 2017
