Отправить статью по E-mail Математическое моделирование и конечно-элементный анализ процесса фрезерования пружинной стали 65Г
- Авторы: Зотов В.А.1
-
Учреждения:
- Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
- Выпуск: Том 1 (2025)
- Страницы: 304-306
- Раздел: ЧАСТЬ I. Технология механической обработки деталей машин
- Статья получена: 23.05.2025
- Статья одобрена: 27.06.2025
- Статья опубликована: 02.11.2025
- URL: https://vietnamjournal.ru/osnk-sr2025/article/view/680263
- ID: 680263
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Обоснование. Исследования обработки материалов являются фундаментом для развития высокотехнологичных отраслей. Особое внимание уделяют токарной и фрезерной обработке. Оптимизация этих процессов позволяет снизить затраты и повысить эффективность предприятия, устранив узкие места [1–3]. Использование же конечно-элементного моделирования позволяет рационализировать выбор технологических параметров и снизить материальные затраты на проведение реальных испытаний.
Цель — разработать конечно-элементную математическую модель, описывающую процесс фрезерования пружинной стали 65Г.
Методы. Для разработки конечно-элементной модели применена программа Abaqus CAE. Для описания процесса фрезерования используется уравнение Джонсона–Кука. Оно позволяет описывать сложное поведение материалов при экстремальных условиях. Уравнение включает три основных компонента: деформационное упрочнение, описывающее рост напряжений при увеличении пластической деформации; зависимость прочности от скорости деформации, отражающая реакцию материала на высокие скорости нагружения; термическое разупрочнение, характеризующее снижение прочности при нагреве. Эти эффекты в совокупности возникают при резании: материал подвергается быстрым деформациям, нагреву из-за трения и пластической деформации, а также наклепу [4].
Результаты. На данный момент реализована следующая расчетная схема, представленная на рис. 1. Применен явный динамический анализ (эксплицитный метод), поскольку данный метод оптимален для моделирования высокоскоростных переходных процессов (таких как фрезерование) и обеспечивает точный учет контактных взаимодействий, разрушения материала и нелинейных эффектов.
Моделирование инструмента. Инструмент упрощен до абсолютно твердого тела (без учета деформаций). Для задания движения определены: опорная точка; параметры вращательного и поступательного движения.
Рис. 1. Упрощенная модель инструмента и заготовки
Подготовка модели. Создан прямоугольный блок — геометрическая модель заготовки для фрезерования. В зоне резания выполнено адаптивное сгущение сетки с учетом геометрии фрезы и распределения силовых нагрузок в процессе обработки. В результате получено повышение точности моделирования. Включена функция теплосиловой связанный анализ (Coupled Temp-Displacement) и задана теплопроводность, удельная теплоемкость и коэффициент теплового расширения материала.
Контактное взаимодействие моделировалось с использованием опции General Contact, где были заданы механические свойства контакта и условия трения.
Отделение стружки: моделирование удаления материала через «удаление элементов» (Element Deletion)
Кинематика и силовые воздействия. Движение инструмента: задано вращение шпинделя с технологически обоснованной угловой скоростью. Подача инструмента: определена поступательная скорость перемещения вдоль траектории обработки.
Граничные условия. Фиксация заготовки: необрабатываемые участки заготовки из стали 65Г жестко закреплены для исключения нежелательных перемещений.
Параметры численного моделирования. Временной шаг: установлен равным 5 с, что обеспечивает сходимость решения при приемлемых вычислительных затратах.
Материальная модель: использованы параметры уравнения Джонсона–Кука для стали 65Г (ГОСТ 14959-79). Моделирование выполнено с учетом реальных физических свойств стали 65Г: химический состав, механические характеристики, предел прочности, относительное удлинение и твердость. Результаты работы модели представлены на рис. 2.
Рис. 2. Процесс фрезерования в Abaqus CAE
Выводы. Созданная в программном обеспечении ABAQUS имитационная модель резания 65Г реализует моделирование траектории инструмента. В пределах допустимой погрешности рассчитаны фрезерные усилия и остаточные напряжения. В будущем предполагается использование моделей реального инструмента [5].
Ключевые слова
Полный текст
Обоснование. Исследования обработки материалов являются фундаментом для развития высокотехнологичных отраслей. Особое внимание уделяют токарной и фрезерной обработке. Оптимизация этих процессов позволяет снизить затраты и повысить эффективность предприятия, устранив узкие места [1–3]. Использование же конечно-элементного моделирования позволяет рационализировать выбор технологических параметров и снизить материальные затраты на проведение реальных испытаний.
Цель — разработать конечно-элементную математическую модель, описывающую процесс фрезерования пружинной стали 65Г.
Методы. Для разработки конечно-элементной модели применена программа Abaqus CAE. Для описания процесса фрезерования используется уравнение Джонсона–Кука. Оно позволяет описывать сложное поведение материалов при экстремальных условиях. Уравнение включает три основных компонента: деформационное упрочнение, описывающее рост напряжений при увеличении пластической деформации; зависимость прочности от скорости деформации, отражающая реакцию материала на высокие скорости нагружения; термическое разупрочнение, характеризующее снижение прочности при нагреве. Эти эффекты в совокупности возникают при резании: материал подвергается быстрым деформациям, нагреву из-за трения и пластической деформации, а также наклепу [4].
Результаты. На данный момент реализована следующая расчетная схема, представленная на рис. 1. Применен явный динамический анализ (эксплицитный метод), поскольку данный метод оптимален для моделирования высокоскоростных переходных процессов (таких как фрезерование) и обеспечивает точный учет контактных взаимодействий, разрушения материала и нелинейных эффектов.
Моделирование инструмента. Инструмент упрощен до абсолютно твердого тела (без учета деформаций). Для задания движения определены: опорная точка; параметры вращательного и поступательного движения.
Рис. 1. Упрощенная модель инструмента и заготовки
Подготовка модели. Создан прямоугольный блок — геометрическая модель заготовки для фрезерования. В зоне резания выполнено адаптивное сгущение сетки с учетом геометрии фрезы и распределения силовых нагрузок в процессе обработки. В результате получено повышение точности моделирования. Включена функция теплосиловой связанный анализ (Coupled Temp-Displacement) и задана теплопроводность, удельная теплоемкость и коэффициент теплового расширения материала.
Контактное взаимодействие моделировалось с использованием опции General Contact, где были заданы механические свойства контакта и условия трения.
Отделение стружки: моделирование удаления материала через «удаление элементов» (Element Deletion)
Кинематика и силовые воздействия. Движение инструмента: задано вращение шпинделя с технологически обоснованной угловой скоростью. Подача инструмента: определена поступательная скорость перемещения вдоль траектории обработки.
Граничные условия. Фиксация заготовки: необрабатываемые участки заготовки из стали 65Г жестко закреплены для исключения нежелательных перемещений.
Параметры численного моделирования. Временной шаг: установлен равным 5 с, что обеспечивает сходимость решения при приемлемых вычислительных затратах.
Материальная модель: использованы параметры уравнения Джонсона–Кука для стали 65Г (ГОСТ 14959-79). Моделирование выполнено с учетом реальных физических свойств стали 65Г: химический состав, механические характеристики, предел прочности, относительное удлинение и твердость. Результаты работы модели представлены на рис. 2.
Рис. 2. Процесс фрезерования в Abaqus CAE
Выводы. Созданная в программном обеспечении ABAQUS имитационная модель резания 65Г реализует моделирование траектории инструмента. В пределах допустимой погрешности рассчитаны фрезерные усилия и остаточные напряжения. В будущем предполагается использование моделей реального инструмента [5].
Об авторах
Владислав Александрович Зотов
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
Автор, ответственный за переписку.
Email: vlad198189@gmail.com
студент, группа 3413-240305D, институт двигателей и энергетических установок
Россия, СамараСписок литературы
- Братухин А.Г., Язов Г.К., Карасев Б.Е., и др. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей. Москва: Машиностроение, 1997. 416 с. ISBN: 5-217-02875-0
- Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. Москва: Машиностроение, 1988. 240 с. ISBN: 5-217-00060-0
- Митряев К.Ф. Повышение эксплуатационных свойств деталей путем регулирования состояния поверхностного слоя при механической обработке: учебное пособие. Куйбышев: КуАИ, 1986. 91 с.
- Скуратов Д.Л., Трусов В.Н. Обработка конструкционных материалов. Процессы резания и режущие инструменты. Ч. 1. Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет им. С.П. Королева, 2012. 196 с. EDN: WBIBHZ
- Павлов В.Г., Штырлов А.Е., Зотов В.А. Адаптация математической модели оценки параметров шероховатости при фрезеровании сплавов Д16 и Л63 // Климовские чтения-2024: перспективные направления развития авиадвигателестроения: сборник статей научно-технической конференции. Санкт-Петербург: Скифия-принт, 2024. С. 299–304.
Дополнительные файлы
