Метод конечных элементов в моделировании центробежно-ротационной обработки

Введение. В современном производстве при выполнении финишных операций важную роль играет центробежноротационная обработка в среде абразива. Основные преимущества этого метода отделочно-зачистной обработки: высокая производительность, низкая себестоимость и широкие технологические возможности. В данном исследовании рассматривается процесс взаимодействия абразивной частицы с поверхностью детали в рамках статической контактной задачи теории упругости. При этом учитывается пластическая деформация в области контакта.

Материалы и методы. Абразивная частица (корунд) моделируется линейно упругим телом, модуль Юнга которого значительно больше, чем у обрабатываемого материала. Обрабатываемый материал (сталь) моделируется упруго пластическим билинейным телом с применением критерия пластичности Мизеса.

Результаты исследования. Выполнено конечноэлементное моделирование рассматриваемых конструкций в CAEпакете ANSYS. Смоделирован процесс взаимодействия абразивной частицы и поверхности детали, проанализировано ее напряженно-деформированное состояние. Представлены результаты численных экспериментов, которые позволили установить, как распределяются эквивалентные пластические деформации при глубинах внедрения конуса 0,01 мм и 0,05 мм. Полученные данные, а также области значений пластической деформации более 1 % визуализированы в CAE-пакете ANSYS.

Обсуждение и заключения. Установлено, что эквивалентная пластическая деформация пропорциональна глубине внедрения (ГВ). Она достигает минимального значения 0,158 при ГВ = 0,01 мм, максимального 0,825 — при ГВ = 0,05 мм. Определены зависимости размеров области пластической деформации от ГВ для случаев, когда пластическая деформация превышает 1 %. При максимальном внедрении (0,05 мм) радиус деформации составляет 1 мм, глубина — 0,8 мм. На основе данных, полученных в результате проведенного исследования, могут быть выбраны параметры технологического процесса (скорость вращения, размер абразивной поверхности, масса абразивных частиц), которые влияют на взаимодействие между деталью и абразивной частицей. Рациональный выбор этих параметров позволит повысить эффективность обработки.

1. Тамаркин, М. А. Исследование удаления металла при центробежно-роторной обработке в абразивной среде / М. А. Тамаркин, Э. Е. Тищенко, В. В. Друппов // Вестник Рыбинской гос. авиационной технологич. академии им. П. А. Соловьева. — 2007. — № 1 (11). — C. 169–186.

2. Теоретические и экспериментальные исследования процессов обработки фасонных поверхностей деталей свободным абразивом / М. А. Тамаркин [и др.] // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2011. — № 11. — С. 27– 31.

3. Тамаркин, М. А. Формирование параметров качества поверхности для центробежно-роторной обработки в абразивной среде / М. А. Тамаркин, Э. Е. Тищенко, В. В. Друппов // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2007. — № 10. — C. 19–23.

4. Корольков, Ю. В. Обеспечение надежности технологических процессов центробежно-ротационной обработки свободным абразивом // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. — 2011. — № 8. — С. 1247–1254.

5. Шведова, А. С. Обеспечение надежности технологического процесса центробежно-ротационной отделочноупрочняющей обработки / А. С. Шведова, Д. В. Казаков // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. — 2014. — № 4. — С. 69–83.

6. Крагельский, И. В. Трение и износ / И. В. Крагельский // Москва : Машиностроение, 1968. — 480 с.

7. Grützmacher, Ph. G. The influence of centrifugal forces on friction and wear in rotational sliding / Ph. G. Grützmacher // Tribology International. — 2017. — № 116. — P. 256–263. DOI:org/10.1016/j.triboint.2017.07.021.

8. Theoretical and Simulation Analysis of Abrasive Particles in Centrifugal Barrel Finishing: Kinematics Mechanism and Distribution Characteristics / Wenhui Li [et al.] // Powder Technology. — 2017. — № 318. — P. 518–527. DOI:10.1016/j.powtec.2017.06.033.

9. Aurich, J. C. Sustainability of abrasive processes / J. C. Aurich, M. Hauschild, M. Carrella // CIRP Annals. Manufacturing Technology. — 2013. — № 62. — P. 653–672.

10. Finite Element Analysis of Traction Gear Using ANSYS / P. Silori [et al.] // Materialstoday Proceedings. — 2015. — Vol. 2. — P. 2236–2245. DOI. org/10.1016/j.matpr.2015.07.243