Moscow, Russian Federation
UDK 621.9 Обработка резанием (снятием стружки).Резка (разделительные операции без образования стружки).Дробление и измельчение.Обработка листового материала.Изготовление резьбы и т.д. Способы (технология), инструменты, машины и приспособления
Presented comparative analysis of the finite element simulation of the process and the results of deformational cutting when obtaining fins on the planes. A comparison is made of the accuracy of the geometric parameters of the macrorelief obtained by processing by deformational cutting in the engineering programs DEFORM-3D, AdvantEdge and QForm. The simulation results were compared with the actually obtained fins and the analyti-cal dependences of the calculation of their ge-ometric parameters. The features of using the considered programs for predicting the pa-rameters of the macrorelief in the form of rib-bing for its use in devices of various functional purposes are described.
CAE, DEFORM-3D, ADVANTEDGE, QFORM, SIMULATION, DEFOR-MATIONAL CUTTING, FINNING, MACRORELIEF.
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Деформирующее резание (ДР) является видом лезвийно-деформирующей обработки, позволяющей формировать на поверхности детали макро- или микрорельеф в виде чередующихся выступов и впадин без отделения стружки [1]. Путем варьирования геометрических параметров инструмента и режимов обработки возможно получение требуемого шага, высоты и наклона выступов [2]. Подобные рельефные структуры находят применение в теплообменных аппаратах [3], могут служить в качестве матриц для композиционных износостойких смазывающих покрытий [4]. Перераспределение материала при деформирующем резании использовалось для восстановления размеров изношенных деталей машин, а энергия, выделяемая в зоне деформирующего резания, позволяет использовать метод для поверхностной закалки заготовки на токарном оборудовании [5]. Обработка листовых заготовок с двух сторон методом ДР позволяет получать микро- и макросетки [6].
Знание формы и реальных геометрических параметров оребрения необходимо при оценке теплогидравлических характеристик теплообменных деталей, получаемых ДР. При сквозном оребрении, при производстве щелевых фильтрующих труб и фильтрующих сеток ширина межреберного зазора полностью определяет такую эксплуатационную характеристику как тонкость фильтрации. Ширина межреберного зазора определяет также капиллярный напор и вместе с высотой зазора определяет гидравлическое сопротивление фитилей тепловых труб, получаемых ДР. Для самосмазывающихся узлов трения, получаемых внедрением твердосмазочных материалов в оребренные структуры, важным является знание величины удаляемого треугольного заострения ребра.
Существуют теоретические зависимости, позволяющие прогнозировать некоторые геометрические параметры получаемого в результате ДР макрорельефа, однако реальная форма и размер ребер имеют отличия от геометрической идеализации [7]: имеют место отклонение боковых сторон ребер от прямолинейности и вертикальности, непостоянство толщины ребра и межреберного зазора, – что в ряде случаев оказывает существенное влияние на эксплуатационные характеристики получаемых структур.
Процесс деформирующего резания является многофакторным. Результат обработки зависит не только от свойств обрабатываемого материала. Варьирование как технологических параметров ДР (глубина резания и величина подачи инструмента), так и геометрических параметров инструмента, оказывает влияние на форму и размеры получаемых элементов рельефа. Несомненно, экспериментальный метод установления всех геометрических параметров макрорельефа в зависимости от конкретных условий обработки является самым точным, однако это сопряжено со значительными материальными и трудозатратами как на этапе получения экспериментальных образцов, так и на этапе измерения геометрических параметров полученного макрорельефа.
Задачу по определению формы макрорельефа возможно решить в современных инженерных CAE программах посредством компьютерного моделирования процесса резания на основе метода конечных элементов. [8, 9]. Моделирование позволяет существенно сократить объем экспериментов для каждого конкретного варианта использования метода ДР. В настоящее время существует большое количество программных средств конечно-элементного анализа, как специализированных в области моделирования технологических процессов [10], так и универсальных, способных решать различные инженерные задачи, например, такие системы как ABAQUS [11, 12], LS-DYNA [13] ANSYS [14], AUTODYN и другие. [8]. Каждая система обладает своими преимуществами и недостатками.
В статье рассматривается процесс моделирования процесса ДР, а также формы и размеров получаемого макрорельефа в специализированных инженерных программах таких как DEFORM-3D, AdvantEdge, QForm. Оценка точности моделирования производилась сравнением с экспериментальными данными. Если программа AdvantEdge предназначена для моделирования процессов резания, то программы DEFORM-3D и QForm предназначены для моделирования процессов пластического деформирования. Однако, ДР является комбинированным процессом обработки. Он основан как на образовании новых поверхностей, характерных для процессов резания так и на пластическом деформировании в условиях высоких степеней деформации, при этом отделения стружки не происходит. В статье предложено использовать программы моделирования процессов обработки давлением для моделирования процесса ДР и оценить адекватность их применения. Deform 3D – инженерный программный комплекс, основным назначением которого является моделирование технологических процессов обработки металлов давлением. DEFORM 3D – это неявный решатель, использующий технику Ньютона-Рафсона, который позволяет использовать типы элементов тетраэдр (3D) и прямоугольник (2D). [15].
AdvantEdge – программа, специализированная в области моделирования механической обработки резанием [8]. Расчет динамического равновесия проводится посредством явного метода интегрирования по времени при использовании метода конечных элементов Лагранжа [16] с повторным адаптивным созданием сетки. Подобный подход к моделированию позволяет устранять нелинейности, которые могут возникать из-за высоких пластических деформаций и высокой скорости деформации. В качестве модели материала используется степенной закон для описания деформационного упрочнения и влияния скорости деформации, а для расчета термического влияния используется полиномиальная функция пятого порядка [17].
QForm – программа российской разработки, специализированная для расчета технологических процессов при больших пластических деформациях. Программное обеспечение QForm позволяет моделировать холодные и горячие процессы обработки металлов давлением: штамповку, свободную ковку, выдавливание, прокатку, штамповку, гибку, экструзию профилей и другие специальные процессы [18, 19]. Визуализация процессов формоизменения происходит одновременно с расчетом, что позволяет в режиме реального времени интерпретировать получаемые результаты и вносить в технологию необходимые изменения.
1. European Patent EP 0727269. Method of producing surfaces with alternating ridges and depressions and a tool for carrying out the said method. Zubkov N. N., Ovchinnikov A. I. Date of filing 27.04.1994, date of publication 21.08.96. - 36 p.
2. Zubkov, N. N. Multifunctional technology for increasing the surface area to improve the heat transfer and technological properties of parts // Flight. All-Russian Scientific and Technical Journal. - 2003. - no. 3. - S. 41-46.
3. Zubkov, N. N. Ribbed pipes of heat exchangers by cutting and bending the surface layers // News of heat supply. - 2005. - No. 4. - S. 51-53.
4. Sevalnev, G. S. et al., Improvement of the tribotechnical characteristics of austenitic steel by the deforming cutting method, Metallurg. - 2021. - No. 2. - P. 42-47.
5. Zubkov N. et al. Steel case hardening using deformational cutting // Journal of Manufacturing Science and Engineering. - 2018. - T. 140. - No. 6
6. Zubkov, N. N. Tensile titanium meshes based on deforming cutting // Processing of metals: technology, equipment, tools. - 2020. - T. 22. - No. 1. - S. 41-53.
7. Zubkov, N. N. Development and study of the method of deforming cutting as a method of shaping developed macroreliefs: dis. - Moscow State Technical University. N. E. Bauman (National Research University), 2001.
8. Gorbunov, I. V. et al. Features of modeling of machining processes in CAE-systems. Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. - 2013. - T. 15. - No. 4-4. - S. 846-853.
9. Astakhov, V. P., Outeiro J. C. Metal cutting mechanics, finite element modeling // Machining. - Springer, London, 2008. - P. 1-27.
10. Outeiro J. C. et al. Evaluation of present numerical models for predicting metal cutting performance and residual stresses // Machining Science and Technology. - 2015. - T. 19. - No. 2. - S. 183-216.
11. Zetterberg M. A. Critical overview of machining simulations in ABAQUS. - 2014.
12. Khalifa, M. Comparative analysis of finite element packages ABAQUS and ANSYS WORKBENCH in modeling the cutting process // International Scientific and Technical Conference of Young Scientists. - 2020. - S. 2427-2431.
13. Krivoruchko, D. V., Zaloga V. A. Modeling of cutting processes by the finite element method: methodological foundations. - 2012.
14. Khalifa, M. M., Duyun, T. A. Modeling of the cutting process of structural steel using the finite element package ANSYSWorkbench // Bulletin of the Belgorod State Technological University. V. G. Shukhov. - 2019. - no. 11. - S. 121-127.
15. Liu C. et al. Benchmarking of several material constitutive models for tribology, wear, and other mechanical deformation simulations of Ti6Al4V // Journal of the mechanical behavior of biomedical materials. - 2019. - T. 97. - S. 126-137.
16. Man, X. et al. Validation of finite element cutting force prediction for end milling // Procedia CIRP. - 2012. - T. 1. - S. 663-668.
17. Molaekiya F. et al. Influence of process parameters on the cutting performance of SiAlON ceramic tools during high-speed dry face milling of hardened Inconel 718 // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2019. - T. 105. - No. 1. - P. 1083-1098.
18. Biba. N. V. et al. QForm is a universal and efficient program for modeling forging and stamping // Forging and Stamping Production. Processing of materials by pressure. - 2011. - No. 1. - P. 36-42.
19. Myshechkin, A. A., Shumilo E. A., Bosikashvili I. G. Development and improvement of the process of hot shaping of the “gear” forging by modeling in the QFORM program // Innovative technologies in electronics and instrumentation. - 2021. - S. 155-159.
