Моделирование напряженного состояния режущей части инструмента при врезании в заготовку

УДК 621.9 А.В. КАТУНИН А.А. НАЙДЕНЫШЕВ А.V. KATUNIN А.А. NAYDENYSHEV МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩЕЙ ЧАСТИ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ВРЕЗАНИИ В ЗАГОТОВКУ SIMULATION OF STRESS STATE CUTTING TOOLS AT CUTTING IN THE BILLET На основе разработанной трехмерной конечно-элементной модели косоугольного резания, выполнен анализ напряженного состояния режущей части инструмента при его врезании в заготовку в условиях прерывистого точения. Ключевые слова: прерывистое точение; силы резания; DEFORM 3D. Analysis of the stress state of cutting edge tool for its penetration into the workpiece in intermittent turning is made on the basis of the developed three-dimensional finite element model of oblique cutting Key words: intermittent turning, cutting forces; DEFORM 3D В условиях прерывистого резания выполняется большинство операций механической обработки: все виды фрезерования, зубообработка, строгание, долбление, точение и растачивание заготовок с пазами и выступами. Стойкость инструментов при прерывистой обработке значительно меньше чем при не прерывной. Одной из причин этого являются переходные процессы, возникающие при врезании инструмента в заготовку [1-4]. Целью данной работы является получение трехмерной конечно-элементной модели косоугольного резания и исследование напряженного состояния режущей части инструмента при её врезании в заготовку, с использованием программного комплекса DEFORM 3D. Для реализации поставленной цели были выполнены: 1. Формирование исходных установок модели врезания режущей части инструмента в заготовку, в виде создания первоначальной базы данных в препроцессоре DEFORM 3D; 2. Моделирование процесса врезания, результатом которого являлись параметры силового воздействия инструмента на заготовку, распределение полей напряжения и деформаций в зоне резания; 3. Преобразование полученных на втором этапе данных для моделирования напряженного состояния режущей части инструмента; 4. Расчет и анализ напряженного состояния режущей части инструмента при врезании в заготовку. При моделировании процесса врезания инструмента в заготовку были созданы объекты «Пластина» и «Заготовка» (рис.1). Объект «Заготовка» представлял собой сегмент обрабатываемой детали радиусом 40 мм и длиной дуги 3,1 мм (рис. 1). Модель изотропного материала заготовки (сталь 45, зарубежный аналог – AISI-1045) упругопластическая: подчиняется закону Гука в упругом состоянии и условию текучести Мизеса – в пластическом состоянии. При моделировании учитывалась зависимость напряжения текучести обрабатываемого материала от совместного влияния деформации, скорости деформации и температуры. а) б) Рисунок 1 – Геометрические модели инструмента и заготовки при врезании: 1 – «Заготовка»; 2 – «Пластина». а) положение начального контакта инструмента и заготовки (шаг моделирования №1); б) формирование стружки (шаг моделирования №3600); Сетка конечных элементов тетраэдальной формы объекта «Заготовка» генерировалась со следующими параметрами: минимальный размер стороны элемента 0,02 мм, максимальный – 0,2 мм. «Заготовка» фиксировалась в пространстве следующим образом (рис. 1): по оси Х запрещалось перемещение узлов плоскости А2В2С2D2; по оси Z - узлов плоскости А2В2С2D2 и поверхности А1D1D2А2; по оси Y - узлов поверхности А1D1D2А2. Принимали, что конвективная теплоотдача объекта «Заготовка» в окружающую среду (воздух) происходит с коэффициентом равным 0,04 Вт/м2 К. Температура узлов плоскости А2В2С2D2 и поверхности А1D1D2А2 устанавливалась неизменной и равной 20° С. Объект «Пластина» на этапе моделировании процесса врезания представлял собой фрагмент режущей части токарного резца, рассматриваемого как абсолютно жесткое тело. Материал объекта «Пластина» – твердый сплав Т5К10 со следующими теплофизическими характеристиками: коэффициент теплопроводности – 62,802 Вт/мК; коэффициент удельной теплоемкости – 0,052 ккал/кгК; коэффициент лучистости – 0,7. Процесс моделирования выполнялся при Лагранжевой формулировке сплошной среды с адаптивной перегенерацией конечно-элементной сетки через каждые 20 шагов расчета. Шаг определялся по времени в 0,12 мкс. Технологические параметры процесса прерывистого точения при моделировании: скорость резания - 100 м/мин, подача - 0,2 мм/об, глубина резания - 1мм. Геометрические элементы режущей части: передний угол  =0; угол наклона режущей кромки =0; радиус при вершине rв=0,4 мм; угол при вершине в плане β=80º; радиус округления режущей кромки r=0,02 мм.; главный задний угол =8; угол в плане =75; вспомогательный угол в плане 1=25. Контактное взаимодействие объектов определялось законом трения и коэффициентом теплообмена. Для описания процессов трения на режущей части инструмента использован закон Зибеля с фактором трения равным 0,6 [5]. Коэффициент теплообмена между инструментом и заготовкой принимался равным 45 Вт/м2 К. В процессе врезания инструмента в заготовку вычислялись: силовые характеристики, напряжения и температура в зоне резания. Пошаговый расчет напряженного состояния режущей части инструмента выполнялся на основе результатов моделирования процесса врезания на соответствующем шаге. То есть, заимствовались силовые воздействия на каждый узел сетки объекта «Пластина» со стороны объекта «Заготовка». При этом объект «Пластина» представлялся как упругое тело со следующими механическими свойствами: модуль Юнга – 579000 МПа, коэффициент Пуассона – 0,22, коэффициент теплового расширения – 5,5.10-6. На каждом расчетном шаге моделирования определялись: эффективные напряжения, гидростатические напряжения, главные напряжения: σ1, σ2 и σ3. После касания инструментом заготовки на передней поверхности режущей пластины, за пределами контакта со стружкой (с центром на расстоянии 0,34 мм от главной режущей кромки и – 0,3 мм от вспомогательной), начинал формироваться очаг растягивающих главных напряжений σ1 (рис. 2). По мере нарастания сил резания, очаг увеличивался в размерах до момента времени t=8,64 мкс (рис. 2), при этом величина напряжения σ1 также возрастала, достигая значения 670 МПа. В процессе дальнейшего внедрения инструмента в заготовку площадь очага напряжения σ1 начинает сокращаться, а величина напряжения – уменьшаться. К моменту выхода силы резания на установившийся уровень (t=432 мкс) величина максимального значения σ1 в режущей части инструмента понижается до 470 МПа (рис. 2). Рисунок 2 – Зоны действия максимальных главных напряжений σ1 на передней поверхности режущей части инструмента По мере врезания и формирования полной площадки контакта между инструментом и стружкой место действия максимального растягивающего напряжения смещается по передней поверхности, несколько отдаляясь от главной режущей кромки. Темным тоном на передней поверхности пластины (рис. 2) показаны зоны действия сжимающих напряжений под стружкой. Характер распределения положительных гидростатических напряжений подобен распределению главных напряжений σ1. Также присутствует очаг максимальных значений напряжения на передней поверхности инструмента. К моменту времени t = 8,64 мкс напряжения достигают максимального значения 250 МПа. По мере дальнейшего врезания инструмента в заготовку площадь очага начинает сокращаться, а величины напряжений – уменьшаться. При достижении главной составляющей силы резания установившегося уровня, наибольшее значение положительного гидростатического напряжения становится равным 175 МПа. От момента касания с заготовкой в режущей части инструмента, в пределах площади контакта, действуют минимальные главные напряжения σ3. Их максимальные значения, достигающие к моменту установившегося резания 3000 МПа, наблюдаются на радиусной части режущей кромки. В ходе врезания, характер распределения σ3 не претерпевает заметных изменений; имеет место увеличение зоны их действия, связанное с увеличением площади контакта инструмента и стружки. Расчет эквивалентных напряжений показал, что область задней поверхности под скругленной вершиной резца является наиболее нагруженной. Выводы. 1. Приведенная трехмерная конечно-элементная модель косоугольного резания позволяет анализировать изменения напряженного состояния режущей части инструмента при переходных процессах прерывистой обработки. 2. На передней поверхности пластины действуют растягивающие напряжения, величина которых меняется по мере врезания инструмента в заготовку и принимает максимальное значение до наступления установившегося резания. 3. Место действия максимальных значений растягивающих напряжений на передней поверхности режущей части инструмента не является постоянным, а меняется по мере формирования стружки. 4. Максимальные значения сжимающего напряжения σ3 наблюдались на радиусной части режущей кромки и достигали при принятых режимах обработки величин 3000 МПа. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Исследование работоспособности твердосплавных инструментов при прерывистом резании // Режущие инструменты: Экспресс информация. – 1981. - №36. – С.1-12. 2. Условия и время контакта при торцовом фрезеровании // Режущие инструменты: Экспресс информация. – 1979. - №1. – С.3-16. 3. Этин А.О. Влияние условий врезания торцевой фрезы на ее стойкость // Динамика процесса резания металлов. – М.: Машгиз, 1953. – С.50-70. 4. Чандрасекаран Х., Нагараджан Р. К вопросу о неустановившихся напряжениях в режущих инструментах // Конструирование и технология машиностроения: Труды Американского общества инженеров-механиков. – М.: Мир, 1980. – Т. 202. - №2. – С.180-190. 5. Трение и смазки при обработке металлов давлением. А.П. Грудев, Ю. В. 3ильберг, В.Т. Тилик. Справ, изд. — М.: Металлургия, 1982, – 312с. Катунин Александр Валентинович ФГУО ВПО «Госуниверситет — УНПК», г. Орел Кандидат технических наук, доцент Тел. 89103062266 E-mail: katunin@ostu.ru Найденышев Александр Александрович ФГУО ВПО «Госуниверситет — УНПК», г. Орел Инженер Тел. 89202848382 E-mail: a_naidenysh@mail.ru

Похожие:

	Сплайновое моделирование Если нет очень сложным, поэтому начинающим пользователям обязательно рекомендую попрактиковаться в создании простых сплайнов. В части...		Инструкция по выполнению работы Работа состоит из двух частей. В... При выполнении заданий первой части нужно указывать только ответы. Для получения положительной оценки требуется выполнить правильно...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цель: познакомить учащихся с новой частью речи – категорией состояния; формировать умения определять значения части речи, морфологические...		15 Неотложные состояния на детском приеме При применении лекарственных средств в неотложных случаях важно выбрать оптимальный путь их введения, который зависит как от свойств...
	15 Неотложные состояния на детском приеме При применении лекарственных средств в неотложных случаях важно выбрать оптимальный путь их введения, который зависит как от свойств...		Порядок подготовки и проведения пробных экзаменов по русскому языку и математике. Апрель 2010 г При выполнении заданий первой части нужно указывать только ответы. Для получения положительной оценки требуется выполнить правильно...
	Методическое письмо по совершенствованию преподавания алгебры с учётом... При выполнении заданий первой части нужно указывать только ответы. Для получения положительной оценки требуется выполнить правильно...		1. требования безопасности при производстве инженерно-геодезических работ Безопасность эксплуатации строительных машин, технологической оснастки и инструмента
	Оценка экологического состояния озер р-на о. Великого В последнее десятилетия при определении экологического состояния водоемов все больше внимание уделяют биологическим методам. Животный...		Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте gerda и... При планировании, подготовке и интерпретации результатов экспериментов в физике атомного ядра, элементарных частиц, неускорительной...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Пожалуй, ни для одного другого инструмента не написано такое огромное количество произведений, как для фортепиано. Практически все...		Урок в элективном курсе «Право» Тема: «Решение практико-ориентированных... Тема: «Решение практико-ориентированных задач и моделирование социальных ситуаций при изучении обществознания»
	Технология строительного производства при возведении подземной части... При выполнении настоящего курсового проекта студенты должны овладеть основами проектирования технологии строительных процессов при...		Экзаменационные вопросы по курсу 4 курс. «Технология обработки металлов» Значения угла наклона главной режущей кромки токарного резца, его влияние на процесс резания
	Программа курса физики (астрономии) Цель урока: отработка навыков решения тестовых заданий части а и задач повышенной сложности части в при подготовке к егэ (демо-2009...		1. Сущность процессов литья металлов и задача литейного производства После затвердевания и охлаждения металла в форме получают отливку-заготовку детали