Определение напряжений в резьборежущей пластине численным моделированием в среде SolidWorks

УДК 621.99

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В РЕЗЬБОРЕЖУЩЕЙ ПЛАСТИНЕ ЧИСЛЕННЫМ МОДЕЛИРОВАНИЕМ В СРЕДЕ SOLIDWORKS

А.О. Чуприков, А.С. Ямников

Рассмотрен пример моделирования напряжений в резьборежущей пластине численным моделированием в среде SolidWorks, основанного на методе конечных элементов. Показано изменение напряжений в резьборежущей пластине с увеличением ширины среза при нарезании резьбы.

Ключевые слова: напряжение, моделирование, резьборежущая пластина, передняя поверхность.

В настоящее время существуют множество программных продуктов трехмерного проектирования способных производить моделирование и прочностные расчеты конструкций. Среди них можно выделить программы, которые имеют наиболее качественные и правдоподобные расчеты. Одна из которых SolidWorks Simulation, основанный на методе конечных элементов, который существует в трех конфигурациях: собственно SolidWorks Simulation; SolidWorks Simulation Professional; SolidWorks Simulation Premium [1 - 5].

Модули Simulation не делают различия между моделями, созданными в SolidWorks или импортированными в базовый модуль. Во всех конфигурациях SolidWorks Simulation обеспечивается поддержка для 64-разрядных операционных систем с доступом ко всей оперативной памяти. Также используется многопроцессорность при построении сетки и собственно расчете.

Для моделирования выбрана трёхгранная пластины со стандартной геометрией тип (19 7612.0352.160403 ГОСТ 25003—81) из режущей керамики ВОК — 60, которые механически закрепляли в державке резца.

Геометрические параметры:

передний угол в плоскости, проходящей через биссектрису угла профиля: ув = 10°;

угол профиля: ф=60°;

величина упрочняющей фаски: f = 0,2 + 0,05 мм

угол наклона фаски: g f = -10° + 1°.

Задние углы пластины: a в = a б = 5°.

Радиусные участки профиля обоих типов пластин затачивали в специальном приспособлении. Все пластины были из одной партии. Величину радиуса контролировали на микроскопе БВ2010. Величина радиуса ^=0,3±0,02 мм. Эксперименты проводились на станке мод. 16К20.

Режимы резания: частота вращения и=1000 мин-1; скорость резания V=125 м/мин [6-9].

Определение максимально допустимой толщины срезаемого слоя, при которой происходит хрупкое разрушение режущей части пластин, проводили методом «ломающих» подач на врезание при обработке резьбы М40х1,5 на деталях из стали 35Х3НМ HRC 52...54 с пределом текучести 880 МПа.

«Ломающая» подача последующих проходов определялась при врезании резьбового резца с поперечной подачей и определялась шириной среза, при котором происходила поломка резьбовой пластины (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения врезания режущего клина пластины

при нарезании резьбы

Перед началом расчета необходимо систематизировать исходные данные и подчеркнуть следующие положения.

Анализируя возникновение деформаций, на чистовом переходе, выделим процесс нарезания внутренней специальной резьбы. Силы резания при ее нарезании будут воздействовать на тонкостенную деталь (рис. 2).

Для нахождения величины этой силы обратимся к методике расчета силы резания при нарезании упорной резьбы в кандидатской работе Моисеева А.В. [10], где была выведена формула для случая нарезания упорной с углами 3° и 30° резьбы и шагом 2 мм на детали из вязкой стали с ов=95 кг/мм. Зависимость от скорости резания представляется в следующем виде [10-13]:

458 • а032

Р = 458 0а2 [кгс],

V °.2

где V - скорость резания; а1 - подача врезания, I - номер прохода.

Подставляем наши данные для толщины среза 0,22 мм, 0,44 мм и 0,66 мм соответственно, получаем:

458 • 0.22032

Р7Л = -= 107.41 кгс; Рл = 1074,13 Н; = 1340,88 Н;

125 0.2

Pz3 = 1526,64 Н. 181

Рис. 2. Схема расположения поверхностей пластины, которые подвергаются воздействию сил резания

Для проведения моделирования подготавливаем трёхмерную модель для приложения сил резания (рис. 3). Создаем на передней и задней поверхностях резьборежущей пластины следы, к которым будут приложены силы резания.

Рис. 3. Трёхмерная модель с подготовленными поверхностями

для приложения нагрузки

Для выполнения статического расчета используем имеющиеся исходные данные. При помощи меню графического интерфейса программы вносим исходные данные и запускаем расчет.

По проведенному моделированию получили результаты, перемещений (растяжение) передней поверхности. Растяжение будет на передней поверхности, где зеленый цвет переходит в желтый. В этой области значение напряжения около 5000 МПа и выше.

182

УОП М15е$

| 1.029е+004 9.430е+003 . 8.573е+003 . 7.715е+003

| 6.858е+003 6.001е+003 5.144е+003 4.286е+003 3.429е+003 2.572е+003 I. 1.715е + 003 В 8.573е+002 Ж 3.1б7е-004

Рис. 4. Перемещения в резьборежущей пластине при ширине среза 0,22 мм

По результатам моделирования, на первом проходе с врезанием 0,22 мм, получается сдавливание (напряжение) на передней поверхности около 9000 МПа. Величина превышена.

Стоит отметить по моделированию, что с увеличением врезания (до 0,44 мм), напряжение уменьшается, т.е. происходит логичные изменения результатов (рис. 5).

уоп М1$е5 (М/ттЛ2 (МРа)) ^^ 5.603е+003 Ш. 5.136е+003 _ 4.669е+003 . 4.202е+003

| 3.735е+003 3.268е+003 2.801е+003 2.335е+ 003 1.868е+003 ^^ 1.401е+003 I. 9.338е+002 Щ 4.669е+002 Н. 9.603е-004

Рис. 5. Перемещения в резьборежущей пластине при ширине среза 0,44 мм

183

При врезании до 0,66 мм напряжение уменьшилось до максимальных 5000 МПа (рис. 6).

von Mises

__5.46бе+003

I 5.011e+003

. 4.555e+003

. 4.100e+003

r 3.644e+003

L 3.189e+003

I 2.733e+003

I 2.278e+003

L 1.822e+003

I 1.367e+003

I 9.110e+002

L 4.555e+002

L 2.160e-0Q3

Рис. 6. Перемещения в резьборежущей пластине при ширине среза 0,44 мм

В результате проведенного компьютерного моделирования, получили представление о величинах и направлениях перемещений в резьборежущей пластине без проведения трудоемких, дорогостоящих экспериментов в производственных условиях. Проведенное моделирование показало, что с такими значениями напряжений в процессе обработки будут возникать разрушения (сколы) на кромках резьборежущей пластине.

При рассмотрении основных требований и погрешности обработки, необходимо разработать приемлемые способы для минимизации напряжений в резьборежущей пластине, например, увеличение числа проходов. При этом, необходимо учитывать общее время цикла обработки.

Вторым вариантом повышения устойчивости резьборежущей пластины к поломкам может быть усовершенствование конструкции в части геометрических параметров пластины [14-20].

Список литературы

1. Алямовский A.A. Инженерные расчёты в SolidWorks Simulation. Изд. ДМК-Пресс, 2010. 230 с.

2. SolidWorks Russia [Электронный ресурс] URL: http: www.solidworks.ru.

3. Чуприков А.О., Ямников A.C. Моделирование погрешностей закрепления тонкостенных сварных корпусов в трехкулачковых патронах // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2014. №8-2. С. 18-22.

184

4. Чуприков А. О. Компьютерное моделирование погрешностей обработки тонкостенных сварных корпусов в трехкулачковых патронах // Прогрессивные машиностроительные технологии, оборудование и инструменты. Том III. Коллективная монография / А.О. Чуприков [и др.]; под ред. А.В Киричека. М.: Издательский дом «Спектр», 2014. 416 с.

5. Чуприков А.О., Иванов В.В., Ямников А.С. Обеспечение точности изготовления резьбовых полузамков на тонкостенных сварных корпусах / монография. Тула. Изд-во ТулГУ. 2014. 137 с.

6. Чуприков А.О. Многопроходное нарезание упорных резьб на станках с ЧПУ// Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сборник статей VI Международной научно-технической конференции. Пенза: Приволжский Дом Знаний, 2010. С. 147-149.

7. Ямников А.С., Иванов В.В., Чуприков А.О. Снижение систематических погрешностей при токарной обработке тонкостенных сварных корпусов» // Справочник. Инженерный журнал. 2013. № 9. С. 31-36.

8. Иванов В.В., Чуприков А.О. Повышение точности токарной обработки тонкостенных деталей // Вестник машиностроения. 2012. № 6. С. 60-61.

9. Yamnikov А^. and Chuprikov A.O. Chucks for Thin — Walled Blanks / ISSN 1068-798X, Russian Engineering Research. Vol. 35 No. 11, 2015. РР 838-840. © Allerton Press, Inc., 2015. DOI: 10.3103/S1068798X15110179.

10. Моисеев А.В. Исследование некоторых вопросов нарезания крепежных резьб резцом: дис. ... канд. техн. наук. Тула, 1974. 204 с.

11. Харьков А.И., Чуприков А.О., Ямников А.С. Аналитическое определение составляющих силы резания при точении // Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: сб. науч. трудов МНТК «АПИР-19», 13-14 сентября 2014 года Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. С. 107112.

12. Бобров В.Ф. Многопроходное нарезание крепежных резьб резцом. М.: Машиностроение, 1982. 104 с.

13. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2002. 684 с.

14. Ямников А.С., Чуприков А.О., Харьков А.И. Повышение ресурса инструмента при нарезании усиленной упорной резьбы на заготовках из высокопрочных материалов // СТИН, 2015, №6. С. 17-21.

15. Yamnikov А^., Chuprikov A.O. and Khar'kov A.I. Extending Tool Life in Buttress-Thread Cutting on High-Strength Blanks / ISSN 1068-798X, Russian Engineering Research, 2015, Vol. 35, No. 12, pp. 953-956. © Allerton Press, Inc., 2015. DOI 10.3103/S1068798X15110179. (http://link.springer.com/article/10.3103/S1068798X15110179).

185

16. Чуприков А. О. К вопросу рационального использования твердосплавных СМП при чистовом точении // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 71-77.

17. Чуприков А.О. Рациональное использование твердосплавных СМП при чистовой токарной обработке // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии: научно-технический журнал. Орел: ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК». 2012. № 3-3 (293). С. 62 - 67.

18. Грязев В.М., Чуприков А.О. Анализ причин повышенного изнашивания режущей пластины при нарезании усиленной упорной резьбы на заготовках из высокопрочных материалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. С. 227-233.

19. Чуприков А.О., Ямников А.С. Нарезание наружной резьбы по комбинированной схеме // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 9. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. С. 200 -204.

20. Ямников А.С., Чуприков А.О., Харьков А.И. Повышение производительности точения резьбы резцами с керамическими пластинками // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение. 2014. Т. 14. № 4. С. 37-45.

Чуприков Артем Олегович, канд. техн. наук, нач. отдела, artemline@rambler.ru, Россия, Тула, ОАО ««Тульский оружейный завод»

Ямников Александр Сергеевич, д-р техн. наук, проф., Yamnikovas@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DETERMINA TION OF TENSION IN THE PLATE FOR CUTTING OF A CARVING

NUMERICAL MODELLING IN THE ENVIRONMENT OF SOLID WORKS

A.O. Chuprikov, A.S. Yamnikov

An example of modeling of tension in a plate for cutting of a carving by numerical modeling in the environment of SolidWorks based on a method of final elements is reviewed. Change of tension in a plate for cutting of a carving with increase in width of a cut when cutting a carving is shown.

Key words: tension, modeling plate for cutting of a carving, forward surface.

Chuprikov Artem Olegovich, candidate of technical science, head of department, ar-temline@rambler. ru, Russia, Tula, JSC Tula Small-arms Factory,

Yamnikov Alexander Sergeyevich, doctor of technical sciences, professor, Yamniko-vas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University