Математическое моделирование процесса глубинного шлифования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.16, кандидат технических наук Ильялов, Олег Рустамович

• Ильялов, Олег Рустамович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ильялов, Олег Рустамович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАДАЧА ПРИ ШЛИФОВАНИИ.

1.1. История вопроса.

1.2. Граничные условия в зоне контакта.

1.3. Структурные превращения в поверхностном слое деталей.

ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В ДЕТАЛИ ПРИ ШЛИФОВАНИИ.

2.1. Граничные условия на поверхности разрыва материала детали 45 2.2 Математическая постановка задачи о термонапряженном состоянии при контакте детали с абразивным зерном.

2.3. Тангенциальный разрыв.

2.4. Усталостная прочность и износ абразивных зерен шлифовального круга.

2.5. Постановка задачи о термонапряженном состоянии материала детали при контакте контакта детали с шлифовальным кругом.

2.6. Алгоритм решения температурной задачи.

2.7. Частные постановки задачи теплопроводности.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В ДЕТАЛИ ПРИ ШЛИФОВАНИИ.

3.1. Анализ аналитических решений для краевой задачи теплопроводности в случае глубинного шлифования.

3.2 .Результаты численного решения температурной задачи.

ГЛАВА 4. ЗАДАЧА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛИ.

4.1. Факторы, оказывающие влияние на форму эпюры остаточных напряжений.

4.2. Обзор методов решения.

4.3. Результаты экспериментов по определению остаточных напряжений.

ГЛАВА 5. КРАЕВАЯ ЗАДАЧА О НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ МЕТАЛЛА ПРИ ШЛИФОВАНИИ.

5.1. Постановка задачи определения напряженно-деформированного состояния детали.

5.2. Граничные условия при решении задачи определения НДС детали в процессе глубинного шлифования.

5.3.Разработка математической модели упруго-пластического деформирования в технологических процессах с учетом повреждаемости.

Учет повреждаемости в процессе шлифования.

5.4.Алгоритм решения задачи определения напряженно-деформированного состояния, детали.

5.5. Результаты расчета напряженно-деформированного состояния детали.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование процесса глубинного шлифования»

Долговечность работы деталей в узле во многих случаях определяется не столько комплексом физико-математических свойств стали, из которой они изготовлены, сколько состоянием поверхностного активного слоя толщиной всего в несколько микрометров или несколько десятков микрометров, т.е. слоя, геометрия и свойства которого изменяются и формируются механической обработкой. Как показывают исследования, долговечность деталей, выполненных из одной и той же стали, прошедших одинаковую термическую обработку, но изготовленных по разной технологии, на разных режимах резания и шлифования, разными способами механической обработки, может отличаться на 3000 - 4000 %. Эти данные говорят об огромной роли механических, особенно окончательных, операций при решении проблемы прочности и долговечности деталей машин.

При механической обработке поверхностные слои деталей подвергаются пластической деформации и воздействию тепловых потоков, величина и скорость которых колеблются в широких пределах в зависимости от метода и режима обработки. Развитие этих явлений обуславливает значительные изменения структуры и свойств металла детали на определенную глубину, причем эти изменения могут носить как положительный, так и отрицательный характер. Выявление физической природы и механизма формирования структурного состояния и свойств поверхностного слоя под воздействием механической обработки с целью сознательного управления этими процессами является одной из важнейших задач технологии машиностроения.

Непосредственное влияние на физико-механические свойства поверхностного слоя оказывают процессы теплообразования и пластической деформации, развивающиеся в зоне обработки, степень влияния которых в свою очередь, определяется интенсивностью воздействия инструмента на деталь, временем контакта, дугой контакта инструмента и детали, скоростями относительного перемещения и т.д. Указанные параметры существенно изменяются при различных схемах чистовой обработки.

Одним из наиболее распространенных видов чистовой механической обработки является шлифование. В свою очередь шлифование подразделяется на два отличных друг от друга процесса:

- обычное шлифование (так называемое поверхностное или маятниковое), т.е. шлифование с весьма высокими скоростями резания, обычно 30 - 35, а в настоящее время и до 150 м/с; малой глубиной резания (~ сотых и десятых долей миллиметра) и сравнительно низкими силами резания;

- глубинное шлифование, т.е. шлифование с большими глубинами резания (до 10 мм) и высокими силами резания (на порядок превосходящими силы при обычном шлифовании).

Уже по этим признакам вполне можно предположить, что определяющим фактором с точки зрения влияния на состояние поверхностного слоя при обычном шлифовании будет тепловое воздействие, роль же силового фактора здесь весьма мала, а иногда практически и незаметна. Возникающий при шлифовании тепловой процесс характеризуется температурами порядка 600 - 800 °С, а иногда 1000 -1600 °С, мгновенностью нагрева со скоростями в сотни тысяч град/сек. Вслед за мгновенным нагревом следует немедленный быстрый отвод тепла от поверхностных слоев, главным образом, в глубь металла изделия, благодаря его теплопроводности, со скоростью охлаждения примерно такого же порядка, как при нагреве.

При глубинном шлифовании качественно меняется картина процесса: основная часть теплового потока направляется в слои металла, впоследствии удаляемые со стружкой; кроме того, действуют очень большие усилия резания, приводящие к силовому пластическому деформированию поверхностных слоев металла.

К достоинствам процесса глубинного шлифования следует отнести его высокую универсальность, кроме того, он (процесс) обеспечивает повышение производительности обработки и качества поверхностного слоя деталей. Также применение глубинного шлифования позволяет получить благоприятное распределение остаточных напряжений в поверхностных слоях материала. Отметим еще одно из преимуществ глубинного шлифования перед обычным. В процессе шлифования обрабатываемая поверхность после нагрева до высоких температур быстро охлаждается за счет отвода тепла в СОЖ и деталь. В поверхностных слоях протекают фазовые и микроструктурные превращения, диффузионные процессы, причем при тепловом возбуждении эти процессы находятся в неравновесном состоянии, и происходит деформация поверхностного слоя. Возникновение поверхностных дефектов в большей мере наблюдается при шлифовании деталей из сплавов, обладающих малой теплопроводностью и аккумулирующих теплоту в тонком поверхностном слое. При многократном циклическом нагреве этих сплавов во время поверхностного шлифования происходят необратимые формообразования зерен, приводящие к перераспределению микронапряжений, которые по величине могут превысить критические. Поэтому отсутствие многократного цикла нагрева и охлаждения обрабатываемой поверхности является одним из преимуществ глубинного шлифования. Основными дефектами, которые наиболее часто встречаются на деталях после шлифования, являются прижоги, появления микротрещин и высокие растягивающие остаточные напряжения в поверхностном слое.

Для того, чтобы избежать появления вышеуказанных дефектов, на практике приходится проводить серии трудоемких и дорогостоящих экспериментов. Добавим, что широкое распространение процесс глубинного шлифования получил в авиастроении. Условия безопасности полетов требует особенно тщательного подхода к надежности и долговечности деталей и конструкций. Поэтому задача построения корректной математической модели процесса глубинного шлифования, позволяющей оценивать состояние поверхностного слоя деталей при обработке методом глубинного шлифования без проведения утомительных экспериментов представляется актуальной.

Заключение диссертации по теме «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)», Ильялов, Олег Рустамович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные итоги исследований, изложенных в работе, состоят в следующем:

1. Поставлена и решена задача определения температурного поля на отдельном абразивном зерне шлифовального круга. Показана связь температуры на зерне с износом шлифовального круга.

2. Поставлена краевая задача определения температурного поля и напряженно-деформированного состояния детали в процессе поверхностного и глубинного шлифования.

3. Проведено исследование температурного поля и напряженно-деформированного состояния хвостовиков лопаток, прошлифованных способами поверхностного и глубинного шлифования.

4. Построена математическая модель процесса шлифования, позволяющая рассчитывать распределение остаточных напряжений в поверхностном слое детали для различных условий шлифования.

5. Расчет напряженно-деформированного состояния детали с учетом повреждаемости позволяет предсказать появление трещин на поверхности детали в процессе шлифования.

6. Расчеты по полученной модели позволяют прогнозировать режимы шлифования, "опасные" с точки зрения возникновения прижогов.

7. Разработанные алгоритмы и пакет прикладных программ переданы на Пермский электроприборный завод для расчета на ЭВМ параметров процесса шлифования различных деталей и оптимизации процесса.

8. С помощью разработанной методики и программ расчета на ЭВМ рассчитаны температурные поля и напряженно-деформированное состояние деталей гидроаппаратуры в реальных технологических режимах обработки на предприятии АО "Инкар", г.Пермь.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ильялов, Олег Рустамович, 1999 год

1. Сииайлов В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности. М.: Машиностроение, 1978 г.

2. Des Ruisseaux N.R., Zerkle R.D. Thermal Analysis of the Grinding Process. Transactions of the ASME, Series B, Journal of the Engineering for Industry, Vol. 92, №2, May 1970, p. 428-434.

3. Русский перевод: Ли, Зеркль, Де Рюиссо. Экспериментальное исследование при круглом врезном шлифовании. Конструирование и технология машиностроения, №4, 1972, с. 252-261.

4. ECannappan S., Malkin S. Effects of Grain Size and Operating Parameters on the Mechanics of Grinding.

5. Русский перевод: Каннапан С., Малкин С. Влияние размера зерна и параметров обработки на процесс шлифования. Конструирование и технология машиностроения, № 3, 1972, с. 68-77.

6. Malkin S. Thermal Aspects of Grinding. Part 2. Surface Temperatures and Workpiece Burn. Trans. ASME. Paper no 73-WA/Prod.d 1 and 2.

7. Русский перевод: Малкин С. Тепловые аспекты шлифования. Часть 2. Температура поверхности и прижоги. Конструирование и технология машиностроения, 1974, № 4, с. 92-100.

8. Лебедев В.Г., Смоляков A.A. Определение сил и температур резания единичным зерном при шлифовании. Одесса, 1987. Деп. в Упр. НИИНТИ 23.01.87. .Клушин М.И. Резание металлов. М.: Матгиз, 1958.

9. Кацнельсон М.Д. Исследование процесса алмазного внутреннего шлифования. Цисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Пермь, 1971. Редько С.Г. Процессы теплообразования при шлифовании металлов. Саратов: Тзд. Саратовского университета, 1962.

10. Ramanath S., Shaw М.С. Abrasive Grain Temperature of the Beginning of a Cut in Fine Grinding.русский перевод: Раманат, Шоу. Температура зерен абразива в начале резания при онком шлифовании. Конструирование и технология машиностроения, № U988,c.l2-18.

11. Lortz W. A model of the cutting mechanism in grinding. Wear, 53, 1979, с. 115-128.

12. Pollock C. The Wheel Wear and Metal Removal Mechanisms in Vertical Spindle Abrasive Machining of Mild Steel.

13. Русский перевод: Поллок. Механизмы износа круга и снятия металла при плоском шлифовании низкоуглеродистой стали торцом круга. Конструирование и технология машиностроения, № 3, 1968, с. 167-172.

14. Zohdi M.R. Statistical Analysis, Estimation and Optimization of Surface Finish in the Grinding Process.

15. Русский перевод: Зохди. Статистический анализ, оценка качества и оптимизация чистоты поверхности при шлифовании. Конструирование и технология машиностроения, № 1, 1974, с. 17-23.

16. Nassirpour F., Wu S.M. Characterization and Analysis of Grinding Wheel Topography as a Stochastic Isotropic Surface.

17. Русский перевод: Нассирпур, By. Описание и анализ рельефа шлифовального круга как стохастической изотропной поверхности. "Конструирование и технология машиностроения", № 2, 1979, с. 220-227.

18. Сб. "Прогрессивные методы и средства автоматизации механической обработки". Ярославль, 1983.

19. Гордеев А.В. Температура контакта при шлифовании. Физика и химия обработки материалов, №3, 1975.

20. Гордеев А.В. Распределение тепловых потоков в зоне шлифования. Физика и химия обработки материалов, № 2, 1977.

21. Dawson P.R., Malkin S. Inclined Moving Heat Source Model for Calculating Metal Cutting Temperatures.

22. Русский перевод: Доусон, Малкин. Модель движущегося наклонного источника гепла для расчета температуры резания металлов. "Конструирование и технологии машиностроения", № 3, т. 106, 1984.

23. Y.Y., Chen Y. Simulation of Surface Grinding. Русский перевод: Ли, Чжэнь. Моделирование процесса шлифования. Современное машиностроение, серия Б, № 3, 1989.

24. Vansevenant Ir.E. An Improved Mathematical Model to Predict Residual Stresses in Jurface Plunge Grinding. Annals of the CIRP. Vol 36/1/1987.

25. Shibata J., Yonetsu S. Thermal Aspects of Creep-Feed Grinding and Effective Coolant Application. "Proc. 26-th Int. Mech. Tool Des. And Res. Conf, Manchester, 17-18 Sept., 1986.

26. Гун Г.Я. К условиям теплообмена на контактной поверхности в процессах пластической деформации металлов. Известия вузов. Черная металлургия. № 1, 1980.

27. Резников А.Н, Теплофизика резания. М.: Машиностроение. 1969. .Иванов О.И., Векслин И.И., Черкесова Л.А. Исследование НДС в зоне шлифования методом конечного элемента. Известия вузов. Машиностроение. №3,1989, с. 137-142.

28. Shimamune T., Mochida M., Ono K. Grinding at low wheel speed (1 st report). -Conditions of the occurrence of grinding burns in creep feed grinding. Bull. Jap. Soc. Precis Eng. . 990,- 24, № 3, c.206-213.

29. Shaw M.C. A simplified Approach to Workpiece Temperatures in Fine Grinding. CIRP Ann. -1990,- 39, № c. 345-347.

30. Konig W., Knop M. Methods for predicting process behaviour in grinding. Prob. And Comput. Integr. Manuf. -1992.-9, №4-5, c.395-406.

31. Guo C., Malkin S. Analysis of fluid flow through the grinding zone. Trans. ASME. J. Eng. Ind. -1992.-144, №4, c.427-434.

32. Беззубенко H.K., Хавин Г.Л. Математическое моделирование механического и теплового взаимодействия инструмента и детали при шлифовании. Харьков, юлит, ин-т Харьков, 1993. -32 с. ил. - деп. в ГПНТБ Украины 16.09.93, № 1864-У <93.

33. Mercier R.J., Malkin S., Mollendorf J.C. Thermal Stresses from a moving band source of heat on the Surface of a semi-infinite solid.

34. Русский перевод: Мерсье, Малкин, Моллендорф. Температурные напряжения, вызванные движущимся по поверхности полубесконечного тела ленточным источником тепла.

35. Русский перевод: Юссифон, Рубинштейн. Интенсивность адгезии при шлифования. Часть 1. Механизм шлифования.

36. Федосеев О. В. Физическая теория шлифования. Физика и химия обработки материалов. 1979, № 1, с. 110-116.

37. Федосеев О.Б. Образование дефектного слоя при импульсном нагревеповерхности металла. Физика и химия обработки материалов. 1981, № 5, с. 3 8.

38. Гуляев А.П. Термическая обработка стали. Москва, Машгиз, 1960.

39. Попова JT.E. Попов A.A. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бетараствора в сплавах титана. Москва, Металлургия, 1991.

40. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. Москва, Металлургия, 1969.130

41. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. Москва, Металлургия, 1984., с 280.

42. Степанский Л.Г. Оценки износа деформирующего инструмента. Кузнечноштамповочное производство, 1990, № 4, с.2-4.

43. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. Москва, Наука, 1974.

44. Соснин О.В., Горев Б.В., Никитенко А.Ф. Энергетический вариант теорииползучести. Новосибирск. Институт гидродинамики СО АН СССР, 1986 г.

45. Колмогоров В.Л. Напряжения, деформации, разрушение. Москва, Металлургия,1986 г.

46. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. Москва, Наука, 1988. .Романов К.И. Ползучесть и разрушение цилиндрической оболочки при больших деформациях. Машиноведение, 1982, № 2.

47. Няшин Ю.И. Подгаец P.M., Скульский О.И. Численное решение некоторых задач течения вязких жидкостей. Механика полимеров и систем. УНЦ АН СССР. Свердловск, 1974, с. 48-54.

48. Ильюшин A.A. Пластичность. Основы общей математической теории.-М.: Издательство АН СССР, 1963.

49. Третьяков A.B., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1973.

50. Утверждаю Исполнитель Пермский го суд а |> технический Проректор г профессор В"о s4L.1. Утверждаю Заказчик:

51. Лкц-йЬв>рное общест Генеральный директ< ' кт,н КГЩ.Антон 'м. п,1. АКТна внедрение научно-исследовательской работы

52. В соответствии с утвержденным Госкомитетом России по высшему образованию планом научно-исследовательских работ, закончена научно-исследовательская работа

53. Разработка математической модели шлифования деталей различнойнаименование темы )конфигурации и поиск оптимальных параметров процесса" Научный руководитель д.т.н., профессор Няшин Ю.И. Исполнитель м.н.с. Ильялов O.P.

54. Цель работы: Разработка методик и программ расчета на ЭВМ температурных полей, напряженно-деформированного состояния, остаточных напряжений и повреждаемости в деталях в процессе поверхностного и глубинного шлифования.

55. Работа закончена в об'еме, предусмотренном планом, и принята к внедрению с 1 января 1997г. на АО "Инкар"следующиепроцессерасчетах обработки

56. Представитель института м.н.с. Ильялов Р.

57. Представитель предприятия гл.технолог Флегентов В.К.у тверждаю1. Заказчик1. Ж\С териолог АО 1Ш1. ФрОЛОВ

58. Разработанные алгоритмы и пакет прикладных программереданы на Пермский электршраборыый.:. завод для расчета на

59. Ш параметров процесса шлифования различных деталей и оптимизации роцесса•редставитель института1. О.Р.Кльялов)