автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Минимизация остаточных деформаций методом дискретного моделирования при фрезеровании маложестких деталей

О-ч

На правах рукописи

КЛЮЧНИКОВ Сергей Иванович

МИНИМИЗАЦИЯ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ МЕТОДОМ ДИСКРЕТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ МАЛОЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск -1998

Работа выполнена в Иркутском государственном техническом университете.

Научный

руководитель: доктор технических наук профессор Д.А. Журавлев

Официальные

оппоненты: доктор технических наук

профессор С.С. Черняк кандидат технических наук доцент Ю.И. Замащиков

Ведущая организация:

Иркутское авиационное производственное объединение (ИАПО)

Защита состоится 29 мая 1998 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д063.71.04 в Иркутском государственном техническом университете по адресу: 664074, г. Иркутск-74, ул. Лермонтова, 83, ауд. И-221.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета.

Автореферат разослан 22 апреля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических нг

доцент

Р.В. Макаров

Актуальность темы. Одной из проблем, возникших с использованием в авиационной промышленности крупногабаритных маложестких деталей является проблема остаточных деформации после их механической обработки. В связи с этим появляется необходимость введения в технологический процесс дополнительных операций правки и рихтовки, что не только значительно увеличивает себестоимость изготовления деталей, но и значительно ухудшает их эксплуатационные показатели. Во многих случаях исправления остаточных деформаций не представляются возможными и дорогостоящая деталь идет в брак.

Существующие технологические рекомендации по обработке ма-ложестшх деталей в большинстве случаев носят частный характер и не позволяют в полной мере воздействовать на формирование остаточных деформаций детали в процессе ее механической обработки. Исходя из этого является актуальным проведение дальнейших более глубоких исследований для решения проблемы поводок маложестких деталей, создания аппарата их моделирования и эффективного, приемлемого для заводских условий механизма управления деформациями, в комплексе с современными САПР ТП. Важность и необходимость работ в этом направлении подтверждается многими авторами.

Цель работы. Создание математического аппарата и информационной базы для расчетного определения остаточных деформаций маложестких деталей с односторонним оребрением и разработки на этой основе рекомендаций по технологическому управлению ими.

Научная новизна работы заключается в использовании дискретной схемы представления крупногабаритных маложестких деталей с односторонним ортогональным оребрением для расчета их остаточных деформаций после механической обработки. Для этого разработан механизм учета взаимовлияния элементов детали исходя из их жесткости, расположения в детали, воздействия последовательности механической обработки. Предложен экспериментальный способ определения коэффициентов взаимовлияния для элементов с различным расположением подкрепляющих ребер. Разработана компьютерная программа моделирования остаточных деформаций детали после механической обработки с учетом технологических факторов, влияющих на формирование напряженно-деформированного состояния. Создан механизм самоуточнения расчетов остаточных деформаций деталей на основе данных фактических поводок маложестких деталей при нормированных условиях обработки.

Практическая ценность. Предложен численный метод технологического управления остаточными деформациями изгиба маложестких деталей после механической обработки.

Рассмотрено решение ряда задач, связанных с минимизацией поводок маложестких деталей после механической обработки.

На Иркутском авиационном производственном объединении предложены мероприятия по усовершенствованию технологических процессов изготовления маложестких деталей с целью снижения деформаций изгиба и исключения из технологического процесса нежелательных операций правки.

Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Российском симпозиуме по трибологии с международным участием (Самара,1993); Всероссийской научно-технической конференции "Прогрессивные технологии обработки металлов давлением в машиностроении" (Иркутск, 1996); ежегодных научно-технических конференциях машиностроительного факультета Иркутского государственного технического университета 1993-1997 гг.

Публикации. По материалам исследований опубликовано четыре работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Содержит 139 страниц машинописного текста, 136 рисунков, 20 таблиц, список литературы, включающий 101 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена суть проблемы, связанной с поводками маложестких деталей после механической обработки. Намечены пути дальнейших исследований и сформулирована цель работы. Приведены положения, которые автор выносит на защиту.

В первой главе рассмотрены особенности изготовления крупногабаритных маложестких деталей, приведены основные виды деформаций, возникающих после их механической обработки. Сделан вывод, что для разработки методов снижения поводок необходимо создание математической модели, отражающей все многообразие факторов, влияющих на деформирование детали после ее механической обработки. Решение этой проблемы не представляется возможным без подробного рассмотрения всего комплекса влияющих параметров, выявления их математических связей и закономерностей. С этой целью проведен обзор исследований ряда авторов, в результате чего выявлено, что основное влияние на остаточные деформации

крупногабаритных деталей оказывает перераспределение термических остаточных напряжений в результате удаления припуска. Отмечено, что для деталей, имеющих сложную конструкцию, нужно искать дополнительные способы расчета остаточных деформаций, возникающих при их механической обработке. Как перспективное направление предлагается использование дискретных методов расчета авиационных конструкций, нашедших применение в исследованиях прочности.

В основу данного подхода положено использование как традиционных зависимостей теории упругости, включая данные многочисленных теоретико-экспериментальных исследований, так и дискретных методов, таких как метод коэффициентов влияния, конечно-элементный метод сил, конечно-элементный метод перемещений, основанных на поэлементном представлении детали и последующем расчете элементов с использованием взаимовлияния.

Исходя из цели работы для ее реализации были поставлены следующие задачи исследований:

— Адаптация дискретной схемы представления маложестких деталей для расчета остаточных деформаций изгиба после механической обработки.

— Разработка способа расчета остаточных деформаций после механической обработки маложестких деталей с односторонним ортогональным расположением ребер жесткости.

— Создание механизма учета жесткости элементов, их расположения в детали и взаимовлияния в процессе проведения механической обработки.

— Разработка методики экспериментальных исследований по определению характеристик взаимовлияния элементов с подкреплениями.

— Создание основы для системы стандартизованных информационных баз данных для уточнения расчетных значений остаточных деформаций и корректировки технологического процесса.

— Практическая проверка предложенного метода моделирования остаточных деформаций.

— Разработка программы для моделирования и оптимизации технологического процесса обработки детали по критерию минимальных остаточных деформаций на основе предложенного способа расчета.

— С использованием разработанного метода моделирования остаточных деформаций создание и внедрение в производство оптимальных вариантов технологических процессов изготовления мало-

жестких деталей, позволяющих обеспечить необходимую точность после механической обработки.

Во второй главе рассмотрены принципы дискретного представления детали. Приведена общая схема численного расчета, включающая этапы: разбивка детали на элементы, расчет напряженно-деформированного состояния каждого элемента с учетом влияния ребер жесткости, объединение ("сшивка") элементов в единую деталь с помощью функции взаимовлияния.

При определении условий и правил поэлементной разбивки детали установлены основные требования к конструкции и форме элементов детали с односторонним ортогональным оребрением. Показано, что предпочтительным для численного расчета остаточных деформаций и напряжений элемента является выбор его конструкции в виде: пластины, L и П-образного профилей. С учетом этого выбрано пять типов элементов различной конструкции, позволяющие отразить форму детали с односторонним ортогональным оребрением (рис. 1).

Деформацию изгиба после механической обработки к-ого элемента, состоящего из ребер жесткости и полотна определяли по зависимости:

1к — fn„~ f\it > С)

У 2

V.

1 . 2 Образец типа "1 " Образец типа "2"

Образец типа "3"

4 5

Образец типа "4" Образец типа "5"

рис. 1. Типы элементов

где - расчетная деформация изгиба к-ого элемента, состоящего из полотна и ребер жесткости,

/м - деформация изгиба полотна к-ого элемента, обусловленная моментом от его соединения с ребрами жесткости,

/„ - деформация изгиба полотна к-ого элемента после удаления припуска.

Исходя из того, что после объединения ребер с полотном должно иметь место равновесное состояние, то есть М щ = МРб1. где

Мщ " изгибающей момент полотна к-ого элемента, М Рбк - изгибающий момент ребер к-ого элемента и проведения соответствующих математических действий была получена зависимость:

Л'

з/„

1

2Еа,

1 + -

сЛ

-I

а*

-У,

к"к Ькак3

(2)

где 1к - длина полотна к-ого элемента,

ак - толщина полотна к-ого элемента,

ск - суммарная толщина ребер к-ого элемента,

кк - высота ребер к-ого элемента,

Ък - ширина полотна к-ого элемента,

сок - площадь участка эпюры термических напряжений одного знака в пределах полотна к-ого элемента,

Ус - координата центра тяжести участка эпюры с площадью сок.

Установлены зависимости для нахождения величины и распределения остаточных напряжений по сечению полотна к-ого элемента.

При расчете модель детали разбивается на п участков (элементов) и представляется в виде матрицы, каждое значение которой отражает напряженное состояние или деформации в данной конкретной области:

Л

(3)

где /к - остаточная деформация к-ого элемента после механической обработки с учетом влияния деформаций других элементов, на которые разбита деталь,

Кк - комплексный коэффициент взаимовлияния деформаций различных участков детали на к-ый элемент.

В матричном виде зависимость (3) можно представить как:

Л KkiKki+l-'-b-kn f?

Л Kk+VKMM.. -КЫп

— X

Л кткпМ.. .Кпп fn

где Kk¡ - комплексный коэффициент взаимовлияния деформации i-oro элемента на деформацию k-oro, £ = j п ¡ = \ п.

Зависимость для определения комплексного коэффициента взаимовлияния различных элементов детали на k-ый имеет следующий вид:

Кк=КпхК2кхКихКп, (5)

где Ки - коэффициент, учитывающий жесткость рассматриваемого к-ого элемента,

Ки - коэффициент, учитывающий расположение k-ого элемента в детали (крайнее, угловое, центральное),

Ки - коэффициент, характеризующий влияние жесткости элементов, близлежащих к рассматриваемому k-му элементу,

Ки - коэффициент, учитывающий последовательность механической обработки элементов, близлежащих к рассматриваемому к-му элементу.

Предложены пути, а также математический аппарат для численного определения каждой из составляющих комплексного коэффи-

циента взаимовлияния. Представлен способ расчета результирующей деформации изгиба детали после механической обработки по известным поэлементным значениям деформаций. Выделен ряд задач, связанных с минимизацией поводок маложестких деталей, решение которых возможно с использованием разработанного дискретного способа расчета остаточных деформаций изгиба.

В третьей главе приведены методика и результаты экспериментальных исследований для определения исходных термических остаточных напряжений в заготовках, исследования влияния геометрических характеристик образцов с подкрепляющими ребрами на остаточный прогиб после механической обработки, определения численных значений составляющих комплексного коэффициента взаимовлияния. Получены регрессионные уравнения деформаций от размерных параметров для различных типов элементов с подкреплениями для определения составляющих комплексного коэффициента взаимовлияния.

Экспериментальным путем установлено, что влияние деформаций рассматриваемого элемента распространяется на расстояние, близкое к размеру самого элемента.

При определении составляющей комплексного коэффициента

взаимовлияния К1к характеристикой жесткости элемента приняли величину относительного коэффициента жесткости:

Ки

Е1.

(6)

где 1к - момент инерции рассматриваемого к-ого элемента,

1эп - момент инерции эталонного элемента.

За эталонный элемент приняли элемент 1-го типа, т.е. в форме пластины с размерами, соответствующими размерами полотна рассматриваемого к-ого элемента.

Определена зависимость остаточных деформаций элементов маложестких деталей от влияния соседних элементов. С учетом этого выделено пять основных схем расположения элемента в детали (рис. 2). Экспериментально найдены значения коэффициентов, отражающих изменение деформации изгиба свободного элемента в отличии от деформаций элемента, соседствующего с другими. Сделано заключение, что чем больше количество элементов соседствует с рассматриваемым элементом, тем меньше значение его остаточных деформаций.

Схема 1

2 / \ .— к-ый элемент

Схема 2

В

к-ый элемент

Схема 3

г ж

ВШ

к-ый элемент

Схема 4

к-ый элемент

Схема 5

рис. 2. Схемы расположения элементов в детали

Коэффициент К2к определяли на основе значений экспериментально полученных деформаций, отражающих месторасположение рассматриваемого к-ого элемента в детали.

Соответствующие значения коэффициентов для каждой из схем взаимодействия элементов находили по зависимости:

(7)

где Р - коэффициент, учитывающий схему взаимовлияния, т - показатель степени, (3 - численный коэффициент.

р =

/

эт //

(8)

где - деформация эталонного элемента, соответствующего

эт

схеме 1 (рис. 2);

- деформация рассматриваемого К-ого элемента, соответствующего одной из схем на рис. 3.

Численный коэффициент <Э и показатель степени т находим из логарифмической зависимости (рис. 3).

В табл. 1. приведены значения рх, тх и тг для различных схем расположения элементов в теле детали.

О

ОС

! 1 /

г

-4-

1 2 3 4 5* Тип

элемент

Р

рис. 3. График определения характеристик коэффициента К2к

Таблица 1

Коэффициенты Типы элементов

2 3 4 5

Р. 0,95-1 0,75-0,8 0,7-0,75 0,55-0,6

ГПг 0,8 0,85 0,88 0,92

Р. 0,85-0,9 0,75-0,8 0,65-0,7 0,55-0,6

тх 0,81 0,87 0,90 0,96

Для определения коэффициента Ки рассматривали взаимовлияние различных типов элементов друг с другом. На рис. 4 представлены некоторые возможные сочетания при взаимовлиянии элементов типа 2 и типа 3.

Результаты экспериментов позволили сделать вывод, что жесткость блока элементов "1" (рис.4) и блока элементов "3", как "4" и "5", практически одинакова. С учетом этого количество схем взаимовлияния элементов значительно сокращается без существенного ущерба для точности расчета.

На основе анализа экспериментальных данных были получены

значения коэффициентов Ки в зависимости от жесткостных характеристик близлежащих элементов.

рис. 4. Различные сочетания элементов типа 2 и типа 3

В случае, если рассматриваемый элемент в направлении, соответствующей координатной оси соседствует с двумя, например, т-м

п-м элементами, то коэффициент влияния Ки определяли как произведение коэффициентов влияния соседствующих элементов и постоянной С, численные значения которой определены экспериментальным путем. Прослежено влияние обработанных элементов детали на рассматриваемый и определены коэффициенты влияния на деформацию изгиба траектории обработки. Показано, что чем больше количество участков с уже снятым припуском соседствует с рассматриваемым элементом, тем больше его прогиб после раскрепления.

На основе этого значение коэффициента Ки определяли экспериментально с учетом расположения рассматриваемого к-ого элемента относительно обработанных и необработанных участков.

-V

\ , /

А'? Л а ъ

/ \ ч

\ Ч_||

ч * *

/ /

О!

| | — необработанная зона

| | — обработанная зона

[ | — рассматриваемый к-ый элемент

рис. 5. Схемы расположения к-ого элемента с учетом влияния обработанных и необработанных участков

В результате проведенных исследований выявлено, что при механической обработке детали поэлементно, окончательная форма каждого из них формируется при влиянии обработки близлежащих элементов. Отмечено, что деформация рассматриваемого элемента, имеющего соседний обработанный элемент, проявляет тенденцию к деформации от действия изгиба соседнего элемента. Этот факт необходимо учитывать при назначении параметров обработки с целью управления последующими деформациями.

В четвертой главе рассмотрена структура компьютерной программы для моделирования и оптимизации технологического процесса обработки детали по критерию минимальных остаточных деформа-

а

ций изгиба после механической обработки. Блок-схема программы приведена на рис. 6.

Реализовано компьютерное моделирование процесса механической обработки деталей "панель воздухозаборника", "лонжерон" и проведен расчет остаточных напряжений и деформаций.

рис. 6. Блок-схема программы расчета остаточных деформаций маложестких деталей

Рассмотрен и опробован механизм самоуточнения расчета остаточных деформаций на базе системы корректирующих коэффициентов. Основу аппарата самоуточнения представляют компьютерные базы данных о фактических деформациях деталей после механической обработки при нормированных технологических параметрах. Представлена структура корректирующего коэффициента, отражающего погрешность каждого из коэффициентов взаимовлияния. Составлена стандартизованная начальная база данных по остаточным напряжениям в заготовке и остаточным деформациям после механической обработки, позволившая провести анализ изменения поводок детали в процессе обработки и определить пути управления ими. Статистическим анализом показана высокая достоверность и сходимость расчетных и экспериментальных значений деформаций с учетом специфики проводимых исследований и принятых допущений. В результате установлено, что предложенный математический аппарат расчета остаточных деформаций изгиба деталей с односторонним ортогональным оребрением имеет необходимую точность и его допустимо использовать для минимизации поводок маложестких деталей при механической обработке.

В пятой главе рассмотрены и проанализированы основные методы снижения остаточных деформаций маложестких деталей. Отмечено, что наиболее эффективно применение комбинации ряда методов, при этом предпочтение желательно отдавать способам, позволяющим воздействовать на остаточные деформации непосредственно в ходе механической обработки.

Разработаны мероприятия по воздействию на остаточные деформации маложестких деталей назначением оптимальной очередности обработки элементов, на которые поделена деталь. Определены условия для расчета величины припусков и последовательности их снятия исходя из минимальных поводок. В результате разработаны усовершенствованные технологические процессы изготовления изделий "панель воздухозаборника" и "лонжерон". Это позволило значительно снизить деформации изгиба по длине деталей с 20-25 мм до 5-6 мм. Данные усовершенствования предложены к внедрению на Иркутском авиационном производственном объединении.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе дискретного метода представления детали предложен способ расчета остаточных деформаций изгиба маложестких деталей с односторонним оребрением в процессе механической об-

работки. Разработан математический аппарат расчета остаточных деформаций и остаточных напряжений участка (элемента) детали с ребрами жесткости.

2. Создан механизм учета взаимовлияния между различными элементами детали. В качестве величины, отражающей взаимовлияние элементов, принят комплексный коэффициент взаимовлияния, учитывающий четыре основных фактора: жесткость рассматриваемого элемента, расположение элемента в детали, жесткость близлежащих элементов, взаимовлияние обработанных и необработанных участков.

3. Проведен комплекс экспериментальных исследований по определению влияния геометрических параметров элементов с ребрами жесткости на их остаточные деформации после механической обработки. Получены уравнения регрессии для расчета ожидаемых деформаций элементов с различным расположением и размерами ребер жесткости, при постоянном уровне исходных остаточных напряжений в заготовке.

4. Определена зависимость остаточных деформаций элемента маложесткой детали от влияния соседних элементов. Выделено пять основных схем расположения элемента в детали. Экспериментальным путем определены численные коэффициенты, отражающие изменение деформации изгиба свободного элемента в сравнении с деформацией элемента, соседствующего сдругими. Установлено, что чем большее количество элементов соседствует с рассматриваемым, тем меньше его прогиб.

5. Экспериментальным путем прослежено влияние обработанных элементов детали на рассматриваемый и определены коэффициенты влияния на деформацию изгиба траектории обработки. Показано, что чем больше количество участков с уже снятым припуском соседствует с рассматриваемым элементом, тем больше его прогиб после раскрепления.

6. Разработана компьютерная программа для моделирования и оптимизации технологического процесса обработки детали по критерию минимальных остаточных деформаций.

7. Создан механизм корректировки значений коэффициентов взаимовлияния при компьютерном расчете, остаточных деформаций после механической обработки, обеспечивающий самоуточнение расчетной модели по мере расширения информации о фактических деформациях детали.

8. Сформирована стандартизированная начальная база данных по остаточным напряжениям в заготовке и поводкам после механи-

ческой обработки, позволившая проанализировать изменения остаточных деформаций изгиба в ходе технологического процесса и определить пути управления ими.

9. Экспериментально подтверждена корректность полученных расчетным путем результатов остаточных деформаций изделий "панель воздухозаборника" и "лонжерон". Статистический анализ показал высокую достоверность и достаточную сходимость расчетных и экспериментальных значений деформаций с учетом специфики проводимых исследований и принятых допущений. Тем самым подтверждено, что предложенный математический аппарат расчета остаточных деформаций изгиба имеет достаточную точность и допустимо его использование для минимизации поводок маложестких деталей.

10. Сформулировано и обосновано условие воздействия на остаточные деформации маложестких деталей путем назначения оптимальной очередности обработки элементов, на которые поделена деталь. Определены критерии для выбора величины припусков и последовательности их снятия исходя из минимальных поводок.

11. На основе рассмотренных способов разработаны усовершенствованные технологические процессы изготовления изделия "панель воздухозаборника" и "лонжерон". В результате значительно снижены деформации изгиба по длине детали. Усовершенствования предложены к внедрению на Иркутском авиационном производственном объединении. Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 39 576 руб. 60 коп.

12. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также производственная апробация показала, что дискретный метод расчета остаточных деформаций детали после механической обработки является достаточно прогрессивным, отвечающим современным требованиям и позволяющим в комплексе с результатами ранее проведенных исследовательских работ повысить точность и качество изготовления маложестких крупногабаритных деталей в авиационной промышленности.

Публикации по работе:

1. Ключников С.И., Лившиц О.П. Технологическое управление формированием микрорельефа поверхности с требуемыми параметрами при финишной лезвийной обработке. // Российский симпозиум по трибологии с международным участием. Самара, 1993, с.35-36.

2. Ключников С.И. Управление формообразованием крупногабаритных маложестких деталей при механической обработке. //"Повышение эффективности производства изделий машиностроения": Темах сбор-ник науч. докл. - Иркутск: Ирк.гос.техн.ун-т, 1995, с.49-50.

3. Ключников С.И., Журавлев Д.А. Структура матричной модели представления детали. // "Повышение эффективности производства изделий машиностроения": Темат. сборник науч. докл. - Иркутск: Ирк.гос.техн.ун-т, 1995, с.18-20.

4. Ключников С.И. Система управления формой маложестких деталей в процессе из обработки. // Всероссийская научно-техническая конференция "Прогрессивные технологии обработки металлов давлением в машиностроении": Тезисы докладов. - Иркутск: Ирк. Гос. техн. ун-т, 1996, с, 15-17.

Подписано в печать 13.04.98 г. Обьем 1,25 п.л. Заказ 71. Тираж 100 экз.

Иркутский государственный технический университет 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83