CC BY
72
УДК 621.357.7
А. В. Титов, С. В. Мозговой, А. Я. Качан
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА АЛМАЗНОГО ВЫГЛАЖИВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ
ANSYS
Выполнено моделирование упругопластического процесса алмазного выглаживания с использованием системы CAD/CAE ANSYS. На основе созданной модели проанализировано напряженно-деформированное процесса и распределение остаточных напряжений.
Повышение надежности и ресурса изделий является важнейшей задачей современного машиностроения. Эти эксплуатационные характеристики определяют в целом эффективность таких изделий машиностроения, как авиационные летательные аппараты и двигатели, автомобили, сельскохозяйственная техника, комплектующие изделий машиностроения (втулок, вкладышей, цилиндров) и других изделий. Работо-способность и надежность машин, их эксплуатационные качества в значительной степени зависят от качества поверхностей деталей [1 ], которое достигается на финишных операциях изготовления.
Одной из наиболее широко применяемых финишных операций обработки деталей ГТД, реализующей метод поверхностного пластического деформирования, является алмазное выглаживание. В результате правильного использования этого процесса снижается шероховатость поверхности, повышается ее микротвердость и износостойкость, формируются сжимающие остаточные напряжения в приповерхностном слое, т.е. обеспечивается необходимое качество поверхности деталей.
Формирование поверхностного слоя при алмазном выглаживании происходит вследствие пластической деформации обрабатываемой поверхности. Под действием радиальной силы, действующей на поверхность контакта инструмента с деталью, возникают контактные давления (рис. 1). Под их действием возникает пластическая деформация тонких поверхностных слоев. Наряду с нормальными деформациями, которые определяют изменение размеров детали, возникают дополнительные сдвиговые деформации, величина которых может исчисляться сотнями процентов. Деформации, которые возникают в зоне контакта деформирующего инструмента с обрабатываемым металлом, формируют поверхностный слой, который определяет качество обрабатываемой поверхности (шероховатость, упрочнение, остаточные напряжения, износостойкость, обрабатываемость и т.д.). При пластической деформации поверхностный слой приобретает специфическое волокнистое строение (текстуру), исходная кристаллическая решетка искажается, зерна дробятся.
© А. В. Титов, С. В. Мозговой, А. Я. Качан 2006 г.
Рис. 1. Схема процесса алмазного выглаживания: Ру - усилие вдавливания инструмента, V - скорость движения инструмента, Rz - величина исходной шероховатости, Н - глубина вдавливания индентора, Аупр -глубина упрочненного слоя
При значительных деформациях могут возникнуть нарушения сплошности, надрывы, разрушения и другие явления, нежелательные с точки зрения прочности и износостойкости деталей. В связи с этим важно иметь сведения о влиянии различных режимов деформирующего воздействия выглаживания на качество поверхностного слоя обработанных деталей.
Анализ напряженно-деформированного состояния ( НДС) деформируемого металла в процессе выглаживания выполнен с использованием CAD/ CAE системы ANSYS, который является универсальным, так называемым "тяжелым", конечноэле-ментным пакетом. Аналитические возможности программного комплекса позволяют решать эти задачи, используя при этом как трехмерную постановку задачи, так и плоскую, до которых можно упростить задачу в силу симметричности или других допущений.
Для моделирования процесса алмазного выглаживания в системе ANSYS было сделано ряд допущений:
1. В ходе конечно-элементного анализа деталь рассматривалась как бесконечная пластина, т.е. её размеры были другого порядка малости по срав-
нению с размерами инструмента;
2. В качестве инструмента использован сферический индентор, который считался абсолютно твердым;
3. В силу симметрии рассматривалась плоская осесимметричная задача;
4. Процесс алмазного выглаживания является динамическим, а поэтому при моделировании для упрощения постановки решалась квазидинамическая задача, т.е. в статической постановке инструменту задавалась не скорость, а перемещение.
В расчете пластине задавались свойства стали Х12НМБФШ (модуль упругости Е = 2105 МПа, коэффициент Пуассона ц = 0,3, СТ02 = 512,2 МПа, аь = 826,83 МПа), которая используется для изготовления валов ГТД.
Расчетная схема моделируемого процесса приведена на рис. 2.
Было принято, что процесс алмазного выглажи-
вания состоит из двух этапов:
- внедрение сферического индентора на глубину h (рис. 2, б);
- движение (перемещение) его вдоль поверхности детали (рис. 2, в).
При моделировании движение реализуется посредством задания сферическому индентору перемещения Ux. Трение в зоне контакта задаётся коэффициентом трения ц^.
Для увеличения точности расчета напряжений в приповерхностном слое и уменьшения времени расчета разбивка пластины на КЭ проводилась таким образом, что их наименьшая величина была на поверхностном слое в зоне контакта (рис. 3). Для конечно-элементного анализа был выбран следующий конечный элемент для пластины - плоский восьмиузловой VISCO108-2-D 8-Node Large Strain Solid (рис. 4), имеющий три степени свободы и обладающий хорошей пластичностью, сверхупругостью и выдерживающий большие степени деформаций, а контактная поверхность между пластиной и инструментом состоит из контактных элементов второго порядка TARGE169 (Target Surface Element) и CONTA172, представленных в системе ANSYS [2]. Коэффициент трения между поверхностями принят рав-н ы м = 0,05.
а
б
Рис. 3. Конечно-элементная модель пластины и инструмен-_га_
в
Рис. 2. Расчетная схема моделируемого процесса: а - до внедрения алмазного индентора в поверхность
детали; б - внедрение на глубину h; в - движение Рис. 4. Плоский восьмиузловой конечный
алмазного наконечника вдоль поверхности заготовки элемен^^С0108 - 2-D 8-Node Large Strain Solid
Следующим этапом являлось задание граничных условий. Ограничения по степеням свободы задаем в соответствии с принятой расчетной схемой (см. рис. 2). Для всех узлов нижней поверхности пластины задаем ограничение по всем степеням свободы, что соответствует консольному закреплению. Поскольку моделируемый процесс состоит из двух этапов: внедрение сферического индентора в поверхность пластины и последующее движение его вдоль поверхности, то первым шагом нагружения назначается перемещение индентора на глубину Н = 0,008 мм. После внедрения индентора производят деформирование поверхностного слоя пластины за счет суммированного перемещения их. В соответствии с допущением об абсолютной жесткости сферы, задаем одинаковые перемещения всем узлам, которые принадлежат ей. После прохождения индентора в сечении материла заготовки рассчитывалась разгрузка для определения остаточных напряжений.
Анализ распределения напряжений и деформаций производился как при активном действии силы, так и при снятии нагрузки.
На рис. 5 представлено распределение изолиний интенсивности деформаций и напряжений для первого этапа решения задачи - расчета процесса вдавливания сферического индентора в полуплоскость (заготовку) в приповерхностном слое толщиной 1 мм.
На рис. 6 и 7 представлены графики распределения соответственно действующих и остаточных напряжений в приповерхностном слое толщиной 1 мм.
Это решение позволило сопоставить полученные ранее результаты с результатами, опубликованными другими авторами [3, 4].
Сравнение результатов качественно подтверждает характер распределения компонент интенсивности напряжений и деформаций под нагрузкой и после разгрузки, а также количественно по величине напряжений и относительной глубине распространения деформаций в зависимости от глубины внедрения жесткого сферического индентора.
Рис. 5. Распределение изолиний интенсивности напряжений и деформаций на первом этапе решения задачи - вдавливание сферического индентора в полуплоскость: а, б - напряжений; в, г - деформаций; а, в - под нагрузкой; б, г -
остаточные после разгрузки
Рис. 6. Распределение действующих напряжений (оу, о1Л о_,
-1.Ч.Ж.
Рис. 7. Распределение остаточных напряжений (а а а а )
Количественную оценку аналитического расчета внедрения алмазного сферического наконечника в полуплоскость провели для материала Х12НМБФШ для экспериментальных и расчетных данных работы [4].
Взаимную погрешность вычислений можно объяснить погрешностями аппроксимации диаграммы упрочнения материала и возможностями конеч-ноэлементной разбивки деформируемой области. В системе ЛЫБУБ использована реальная диаграмма упрочнения, заданная таблично. Поэтому можно предположить, что она уточняет расчет по кривой 2, поскольку в нем принята аппроксимированная диаграмма упрочнения, имеющая свою погрешность аппроксимации [5].
При этом взаимная погрешность вычислений в области малых и больших глубин внедрения инструмента не превышает 15-18 %, а в области рабочих глубин внедрения наконечника при алмазном выглаживании по существующей технологии - не превышает 10-12 %.
Анализ поля распределения деформаций (см. рис. 5) также показал, что глубина распространения деформаций для рассматриваемых методов практически совпадает. При этом расчет ЛЫБУБ
дает значения так же как и МКЭ [4] близкие к верхнему пределу области значений, полученных аналитически.
Это позволяет сделать заключение о достоверности расчетных данных и корректности поставленной задачи в системе ЛЫБУБ, а также предположить, что последующие результаты расчета второго этапа тоже достоверны.
На рис. 8-9 представлены результаты расчета процесса в квазидинамической постановке и показаны изолинии распределения компонент тензора активных напряжений (ах, ау, а2, аХу) и эквивалентного напряжения аэкв в процессе нагружения.
Анализ распределения эквивалентных напряжений под нагрузкой показывает, что при движении ин-дентора вдоль поверхности заготовки ось симметрии эпюры распределения напряжений поворачивается на некоторый угол р по отношению к оси для статического вдавливания сферического индентора (рис. 8). Поворот оси осуществляется в направлении движения заготовки. Это, по-видимому, объясняется изменением формы площадки контакта ин-дентора с заготовкой.
Рис. 8. Распределение напряжений а в образце под нагрузкой
Рис. 9. Изолинии компонент напряжений в процессе нагружения при выглаживании:
а - а б - а в - а г - т
X' ^у ° ху
Обращают внимание высокая величина сдвиговых напряжений тху в направлении движения инструмента, которые создают сдвиг в приповерхностном слое до 0,3-0,4 мм. Напряжения сдвига тху в зоне контакта меняют знак под индентором на противоположный перед индентором. Их вели-
чина зависит от коэффициента трения между заготовкой и инструментом.
На рис. 10 и рис. 11 соответственно показаны изолинии распределения компонент тензора остаточных напряжений (ах, ау, а2, аху) и эквивалентного напряжения аэкв.
Рис. 10. Изолинии компонент остаточных напряжений после разгрузки при выглаживании:
а - а б - а в - а г - т
X' ^у ° ху
Рис. 11. Распределение напряжений а в образце после разгрузки
Остаточные напряжения распределены вдоль обработанной поверхности заготовки. Установле -но, что остаточные напряжения ах, а2 в приповерхностном слое толщиной до 0,4 мм являются сжи-
мающими. Максимальная величина сжимающих напряжений составляет 500-600 МПа и расположена на глубине 0,075......0,15 мм от поверхности
заготовки (рис. 14).
Рис. 13. Распределение остаточных напряжений (о о о )
Выводы
Разработана и обоснована уточненная модель расчета с использованием системы CAD/CAE ANSYS, позволяет определяющая все компоненты тензора действующих и остаточных напряжений.
Использование разработанной модели расчета позволяет прогнозировать свойства поверхностного слоя обработанных материалов и технологические параметры различных процессов выглаживания деталей.
6.
Список литературы
1. Богуслаев В.А., Яценко В.К., Притченко В.Ф. Технологическое обеспечение и прогнозирование несущей способности деталей ГТД. - К.: Манускрипт, 1993. - 333 с.
2. ANSYS Analysis Guide. Structural Analysis Guide. Chapter 8. Nonlinear structural analysis. 001087. 4th Edition. SAS IP©.
3. Дрозд М.С., Матлин М.М., Сидякин Ю.И. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации. - М.: Машиностроение, 1986.
Виконано моделювання упругопластичного процесу алмазного вигладжування з вико-ристанням системи CAD/CAE ANSYS. На основ1 отримано! модел1 проанал1зовано напру-жено-деформований стан процесу та розпод1л залишкових напружень.
The modeling of elastoplastic process of diamond burnishing by CAD/CAE ANSYS is carryied out. On the base of received model the strain-deformed conditions and residual stress was analyzed.
- 224 с.
4. Мозговой В.Ф., Качан А.Я., Титов В.А. и др. Оценка оптимизированных технологических параметров процесса алмазного выглаживания при изготовлении валов ГТД // Технологические системы, 2001. - № 5(11). - C. 78-85.
5. Титов В.А., Огурек О.Н. К вопросу об оценке влияния погрешностей аппроксимации кривых упрочнений при определении полной работы деформирования в ОМД // Сб. материалов X НТК молодых ученых и специалистов. Общая технология, М., НИАТ, 1981. - С. 79-82 Гребеников А.Г., Светличный С.П., Король В.Н., Анпилов В.Н. Анализ напряженно-деформированного состояния авиационных конструкций с помощью системы ANSYS. - Учеб. пособие. Ч. 1 -Харьков: НАУ "ХАИ", CADFEM GmbH, АНТО "КНК", 2002. - 310 с.
Поступилав в редакцию 04.07.2006 г.
