Математическое моделирование и конечно-элементный анализ процесса фрезерования пружинной стали 65Г

Толық мәтін

Обоснование. Исследования обработки материалов являются фундаментом для развития высокотехнологичных отраслей. Особое внимание уделяют токарной и фрезерной обработке. Оптимизация этих процессов позволяет снизить затраты и повысить эффективность предприятия, устранив узкие места [1–3]. Использование же конечно-элементного моделирования позволяет рационализировать выбор технологических параметров и снизить материальные затраты на проведение реальных испытаний.

Цель — разработать конечно-элементную математическую модель, описывающую процесс фрезерования пружинной стали 65Г.

Методы. Для разработки конечно-элементной модели применена программа Abaqus CAE. Для описания процесса фрезерования используется уравнение Джонсона–Кука. Оно позволяет описывать сложное поведение материалов при экстремальных условиях. Уравнение включает три основных компонента: деформационное упрочнение, описывающее рост напряжений при увеличении пластической деформации; зависимость прочности от скорости деформации, отражающая реакцию материала на высокие скорости нагружения; термическое разупрочнение, характеризующее снижение прочности при нагреве. Эти эффекты в совокупности возникают при резании: материал подвергается быстрым деформациям, нагреву из-за трения и пластической деформации, а также наклепу [4].

Результаты. На данный момент реализована следующая расчетная схема, представленная на рис. 1. Применен явный динамический анализ (эксплицитный метод), поскольку данный метод оптимален для моделирования высокоскоростных переходных процессов (таких как фрезерование) и обеспечивает точный учет контактных взаимодействий, разрушения материала и нелинейных эффектов.

Моделирование инструмента. Инструмент упрощен до абсолютно твердого тела (без учета деформаций). Для задания движения определены: опорная точка; параметры вращательного и поступательного движения.

Рис. 1. Упрощенная модель инструмента и заготовки

Подготовка модели. Создан прямоугольный блок — геометрическая модель заготовки для фрезерования. В зоне резания выполнено адаптивное сгущение сетки с учетом геометрии фрезы и распределения силовых нагрузок в процессе обработки. В результате получено повышение точности моделирования. Включена функция теплосиловой связанный анализ (Coupled Temp-Displacement) и задана теплопроводность, удельная теплоемкость и коэффициент теплового расширения материала.

Контактное взаимодействие моделировалось с использованием опции General Contact, где были заданы механические свойства контакта и условия трения.

Отделение стружки: моделирование удаления материала через «удаление элементов» (Element Deletion)

Кинематика и силовые воздействия. Движение инструмента: задано вращение шпинделя с технологически обоснованной угловой скоростью. Подача инструмента: определена поступательная скорость перемещения вдоль траектории обработки.

Граничные условия. Фиксация заготовки: необрабатываемые участки заготовки из стали 65Г жестко закреплены для исключения нежелательных перемещений.

Параметры численного моделирования. Временной шаг: установлен равным 5 с, что обеспечивает сходимость решения при приемлемых вычислительных затратах.

Материальная модель: использованы параметры уравнения Джонсона–Кука для стали 65Г (ГОСТ 14959-79). Моделирование выполнено с учетом реальных физических свойств стали 65Г: химический состав, механические характеристики, предел прочности, относительное удлинение и твердость. Результаты работы модели представлены на рис. 2.

Рис. 2. Процесс фрезерования в Abaqus CAE

Выводы. Созданная в программном обеспечении ABAQUS имитационная модель резания 65Г реализует моделирование траектории инструмента. В пределах допустимой погрешности рассчитаны фрезерные усилия и остаточные напряжения. В будущем предполагается использование моделей реального инструмента [5].

Авторлар туралы

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: vlad198189@gmail.com

студент, группа 3413-240305D, институт двигателей и энергетических установок

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар

Әрекет

1. JATS XML

Жүктеу

2. Рис. 1. Упрощенная модель инструмента и заготовки

Жүктеу (302KB)

Метадеректер

3. Рис. 2. Процесс фрезерования в Abaqus CAE

Жүктеу (138KB)

Метадеректер