NUMERICAL SIMULATION OF INFLUENCE OF THE STOCK ALLOWANCE ON THE RESIDUAL STRESSES IN AIRCRAFT PARTS AFTER HARDENING

Full Text

При производстве деталей летательных аппаратов применяется разделенный технологический процесс механической обработки. То есть после черновых фрезерных операций применяется закалка, с целью улучшения механических характеристик материала [1]. После закалки деталь проходит чистовую механическую обработку, что связано с образованием остаточных закалочных напряжений и, как следствие, деформаций. В связи с этим встает задача выбора припуска, оставляемого после черно вой обработки перед закалкой для компенсации остаточных деформаций. Однако при этом остается неясным и вопрос о влиянии величины припуска на остаточные напряжения. Для оценки влияния величины припуска на остаточные напряжения для моделирования было выбрано сечение детали «рама оплета фонаря» (рис. 1) среднемагистрального самолета, которая изготавливается с применением разделения технологического процесса механической обработки. б а в д г е Рис. 1. Общий вид сечения детали с припуском: а - равномерный припуск 4 мм; б - равномерный припуск 8 мм; в - равномерный припуск 12 мм; г - не равномерный припуск от 8 мм до 18 мм; д - заготовка прямоугольной формой с неравномерным припуском; е - сечение детали без припуска 124 Авиационная и ракетно-космическая техника Рис. 2. Эквивалентные напряжения по Мизесу: а - равномерный припуск 4 мм; б - равномерный припуск 8 мм; в - равномерный припуск 12 мм; 2 - неравномерный припуск от 8 мм до 18 мм; д - заготовка прямоугольной формой с неравномерным припуском В численном моделировании рассматривались 5 вариантов припуска: 1) равномерный припуск 4 мм (рис. 2, а); 2) равномерный припуск 8 мм (рис. 2, б); 3) равномерный припуск 12 мм (рис. 2, в); 4) не равномерный припуск от 8-18 мм (рис. 2, 2); 5) заготовка прямоугольной формой с неравномерным припуском (рис. 2, д). На внутренние углы всех заготовок был назначен радиус скругления 6 мм, который образуется на практике при черновой обработке за счет формы металлорежущего инструмента. Численное решение задачи было выполнено в программном комплексе Ansys в 2D постановке. Решение проводилось в два этапа. Первый этап включал решение нестационарной тепловой задачи, а второй - решение квазистационарной структурной задачи. Для теплового анализа в качестве граничных условий задавались граничные условия 3-го рода (коэффициент конвективного теплообмена [2; 3] задавался в зависимости от температуры). Первоначальное распределение температуры принималось равномерным и равным 515 оС, температура закалочной среды - 25 оС. Характеристики материала задавались как зависящие от температуры, материал детали - алюминиевый деформируемый сплав АК6. Так как входными данными для структурной квазистационарной задачи являются поля распределения температуры в детали с течением времени, то при решении нестационарной тепловой задачи шаг по времени был выбран равным 0,01сек. С аналогичным шагом результаты теплового анализа передавались в структурный анализ. В тепловом анализе использовались конечные элементы Plane77 и Surf151, в структурном Plane183. На рис. 2-3 представлены результаты расчета. На рис. 2 величина максимальных эквивалентных напряжений для каждого варианта припуска различается незначительно. Однако различие в распределении напряжений по сечениям для каждого варианта меняется в значительной степени, даже по сечениям с равномерным припуском (см. рис. 2, а-в). С ростом припуска растет площадь сечения, занятой напряжениями в диапазоне от 100 до 180 МПа (см. рис. 2, 2, д). Применение умеренного значения припуска 4-8 мм (рис. 2, а, б) способствует более равномерному распределению напряжений, причем высокий уровень напряжений (более 60 МПа) наблюдается лишь в поверхностных слоях сечения, а по телу сечения преобладают напряжения менее 60 МПа. Так как после закалки последует финишная механическая обработка детали, то применение умеренного равномерного припуска предпочтительнее, потому что в этом случае 125 Вестник СибГАУ. № 3(49). 2013 будет более низкий уровень остаточных деформаций и напряжений в готовой детали, чем при большем припуске. Как известно [1; 5], растягивающие напряжения являются более опасными, так как могут привести к образованию трещин. Если пронаблюдать распределение нормальных напряжений ох на рис. 3, то можно увидеть, что растягивающие напряжения сосредоточены вблизи поверхности заготовки. Однако с увеличением припуска растет и глубина проникновения растягивающих напряжений, и для случая с прямоугольным сечением заготовки на рис. 3, д может достигать границ детали. При удалении верхних слоев материала, в которых сосредоточенны остаточные растягивающие напряжения, в процессе финишной механической обработки произойдет высвобождение средних сжатых слоев материала. Вследствие перераспределения напряжений произойдет повторное образование растягивающих напряжений на поверхности уже готовой детали, а это в свою очередь, повлияет на геометрию изготовленной детали. Таким образом, назначение минимального припуска благоприятным образом сказывается на снижении остаточных деформаций и внутренних напряжений. Вышесказанному соответствуют варианты с припуском 4-8 мм (рис. 3, а, б). Распределение пластических деформаций представлено на рис. 4. Видно, что с увеличением припуска зоны пластических деформаций также увеличиваются. Величины пластических деформаций для всех вариантов припуска примерно одинаковы, только для варианта сечения заготовки в форме прямоугольника значительно отличается от остальных, примерно в 1,7 раза. Таким образом, минимизация припуска хоть и не способствует снижению уровня пластических деформаций, но позволяет их локализовать и свести к минимуму зоны подверженные им. Если проанализировать расположение зон пластических деформаций на рис. 4, то можно заметить закономерность в их расположении - наибольшая глубина проникновения пластических деформаций наблюдается в сторонах, сопряженных с открытыми углами, а наибольший уровень пластических деформаций наблюдается в закрытых углах. На рис. 5 представлен график AT(t) = T(t)max - T(t)min. Хорошо заметно, что сечение с минимальным припуском имеет минимальное значение AT. Это можно легко объяснить тем, что в виду меньшей толщины припуска, внутренние области охлаждаются быстрее и как следствие имеют меньшую разницу в температуре с внешними слоями. Что и приводит в конечном итоге к меньшим остаточным напряжениям. д 2 Рис. 3. Нормальные напряжения ах: а - равномерный припуск 4 мм; б - равномерный припуск 8 мм; в - равномерный припуск 12 мм; 2 - неравномерный припуск от 8 мм до 18 мм; д - заготовка прямоугольной формой с неравномерным припуском 126 Авиационная и ракетно-космическая техника д Рис. 4. Распределение пластических деформаций: а - равномерный припуск 4 мм; б - равномерный припуск 8 мм; в - равномерный припуск 12 мм; неравномерный припуск от 8 мм до 18 мм; д - заготовка прямоугольной формой с неравномерным припуском б а в г 2 ATft), ■С 1 /\ *\ \ ......... 3 ’Л \ \ ---2 И ч ' V ' • \ \ -----1 1 \ N \ \ \ ч ч ч ч Ч \ S \ . ч ' \ N 0,0001 С,01 0,3 0,735 2 S,2 14.4 25,7 40,0 62 100 132 ^ С Рис. 5. Изменение AT(t) с течением времени в различных сечениях: 1 - равномерный припуск 4 мм; 2 - равномерный припуск 8 мм; 3 - равномерный припуск 12 мм; 4 - неравномерный припуск от 8 мм до 18 мм; 5 - заготовка прямоугольной формой с неравномерным припуском Таким образом, были достигнуты следующие результаты: 1. Проведенный численный эксперимент по моделированию закалки сечения детали «рама оплета фонаря» среднемагистрального самолета показал влияние величины припуска под закалку на остаточные напряжения. 2. Установлено, что применение минимального припуска под закалку способствует уменьшению размеров областей, подверженных образованию остаточных напряжений. Зоны повышенных напряжений при минимизации припуска сосредотачиваются вокруг открытых углов и в закрытых углах. 3. Установлено, что при закалке сечения детали «рама оплета фонаря» среднемагистрального самолета вокруг открытых углов при увеличении припуска увеличивается глубина проникновения остаточных напряжений. 4. Установлено, что минимальный припуск под закалку обеспечивает минимальное различие в температуре внешних и внутренних слоев сплава АК6 и приводит к уменьшению уровня остаточных напряжений.

About the authors

A. S. Bachurin

Novosibirsk State Technical University

Email: bachurin.a.s@yandex.ru
20 K. Marks prosp., Novosibirsk, 630073, Russia

K. N. Bobin

Novosibirsk State Technical University

20 K. Marks prosp., Novosibirsk, 630073, Russia

K. A. Matveev

Novosibirsk State Technical University

20 K. Marks prosp., Novosibirsk, 630073, Russia

N. V. Kurlaev

Novosibirsk State Technical University

20 K. Marks prosp., Novosibirsk, 630073, Russia

References

Supplementary files