RESIDUAL DEFORMATION OF AIRCRAFTS ALUMINUM PARTS AT HARDENING
- 作者: Bachurin A.S.1, Bobin K.N.1, Matveev K.A.1, Kurlaev N.V.1
-
隶属关系:
- Novosibirsk State Technical University
- 期: 卷 14, 编号 3 (2013)
- 页面: 119-123
- 栏目: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/503749
- ID: 503749
如何引用文章
全文:
详细
全文:
Закалка является неотъемлемой операцией при производстве многих деталей летательных аппаратов. Учитывая конструктивные особенности авиационных деталей их можно отнести к деталям средней и малой жесткости [1]. При закалке деталей малой жесткости в виду неравномерности охлаждения и наличия фазовых переходов в материале деталей возникают значительные напряжения, которые могут превышать предел текучести и приводить к образованию остаточных деформаций [1-4]. В связи с этим возникает необходимость оценки уровня остаточных деформаций, появляющихся после закалки. При закалке деталь должна пройти процесс погружения, который осуществляется с конечной скоростью, а не мгновенно [5]. Процесс погружения может оказывать существенное влияние на образование и распределение напряжений в ходе погружения, а значит и на остаточные напряжения и деформации. Для оценки влияния погружения на остаточные деформации моделировалась закалка стержневого образца с сечением прямоугольной формы, со средней жесткостью [1]. Постановка задачи численного моделирования: размеры стержня - длина L = 200 мм, высота H = 41 мм, ширина A = 18 мм (рис. 1), температура нагрева стержня 515 оС, температура закалочной среды 27 оС, закалочная среда - вода. Расчет производился в двух вариантах: 1) погружение вдоль размера H - далее «моделирование № 1»; 2) погружение вдоль размера А - далее «моделирование № 2». Решение задачи производилось в плоской постановке с использованием симметрии. При закалке многие характеристики, как металла, так и закалочной среды, влияют на скорость охлаждения и изменяются нелинейно. Рис. 1. Эскиз стержня, А-А сечение в котором представлены результаты Рис. 2. График зависимости коэффициента конвективного теплообмена а от температуры поверхности теплообмена [7] Поэтому при численном моделировании для получения достоверных результатов необходимо учитывать нелинейность характеристик материала и коэффициента теплообмена детали с водой, зависящих от температуры. На рис. 2 представлен график зависимости коэффициента теплообмена а, поверхности образца с водой, от температуры, который использовался для численного моделирования [6; 7]. Численное решение задачи было выполнено в программном комплексе Ansys. Решение проводилось в два этапа. Первый этап включал решение нестационарной тепловой задачи, второй - решение квазиста-ционарной структурной задачи. Так как для решения структурной задачи и учета погружения было необходимо получить распределение температурных полей начиная с первого момента касания образца с закалочной средой и до момента его полного погружения, то авторы написали макрос для среды Ansys, который изменял параметры конвективного теплообмена на поверхности образца в зависимости от времени, координаты и температуры. Погружение в моделировании № 1 происходило в течение 0,6 с, а погружение в моделировании № 2 - 0,4 с. Так как требовалось решение задачи с большими температурными градиентами, то для обеспечения устойчивости численного метода использовались соотношения: TTS A2 k ITS =-, а =-, 4 • а р • C где A2 приведенная длина конечного элемента в направлении наибольшего температурного градиента; k - коэффициент теплоотдачи; р - плотность; C - теплопроводность; ITS - начальный шаг по времени. Так как погружение в закалочную среду происходит в течение короткого времени и для структурного анализа необходимы поля распределения температуры в ходе погружения, то был назначен начальный шаг по времени много меньший общего времени погружения и равный 0,01 с. С учетом выбранного шага по времени и используя ранее приведенные соотношения вычислялась длина конечного элемента по направлению наибольшего температурного градиента. Используя полученное значение длины элемента, строилась сетка с наименьшим размером по направлению к центру образца и укрупнялась по мере удаления от границы образца. На рис. 3 показано распределение температуры для моделирования № 2 в различные моменты времени. Полученные данные говорят о возможности возникновения значительных термических напряжений из-за большого различия в температуре части образца уже находящейся в контакте с закалочной средой от части еще не погрузившейся. Термические напряжения могут превысить предел текучести материала, который из-за повышенной температуры снижен относительно значения От = 378 МПа при 25 оС, вследствие чего могут произойти пластические деформации. Для подтверждения этого проводился структурный анализ, в котором в качестве нагрузки использовались данные теплового анализа - распределение тепловых полей и их изменение с течением времени. В тепловом анализе, как и в структурном, использовались характеристики материала, зависящие от температуры. Для учета эффекта погружения в квазиста-ционарный структурный анализ загружались результаты теплового анализа с шагом 0,01 с. После решения структурной задачи были получены распределения эквивалентных напряжений, они представлены на рис. 4. Анализируя распределение и изменение эквивалентных напряжений можно сделать вывод об однозначном влиянии погружения стержня в закалочную среду на образование остаточных деформаций. Анализируя перемещения стержня после закалки (рис. 5) видно, что образец изогнулся в направлении погружения, что качественно подтверждается на практике, а так же упоминается в источниках [2; 3]. Проанализировав эпюры нормальных напряжений, представленных на рис. 6, можно заметить, что из-за быстрого охлаждения материал внешних слоев быстро уменьшается в объеме. Внутренняя же зона охлаждается замедленно и потому препятствует сжатию внешнего слоя. В результате внутренняя зона металла оказывается сжатой, а наружная - растянутой. В последующий период внутренняя зона, охлаждаясь, уменьшается в объеме и тянет к центру наружный слой. Но металл снаружи уже остыл и потому утратил пластичность. Поэтому в заключительный период охлаждения в наружных слоях металла возникнут сжимающие напряжения. Внутренняя же зона металла, будучи связанной с наружными слоями, не сможет уменьшиться в объеме, хотя и будет стремиться к этому. В результате в ней возникают внутренние растягивающие напряжения [4]. 120 Авиационная и ракетно-космическая техника Рис. 3. Распределение температур (оС) в стержне для моделирования № 2 в различные моменты времени при погружении в закалочную среду: а - 0,03 с; б - 0,4 с Рис. 4. Распределение эквивалентных напряжений (МПа) для моделирования № 2 в стержне в различные моменты времени: а - 0,03 с; б - 0,4 с Рис. 5. Перемещения (мм), возникшие в результате закалки (контуром показана недеформированная модель, масштаб увеличен для наглядности) а б в г Рис. 6. Эпюры нормальных напряжений а (МПа) в сечении A-H по оси симметрии стержня в различные моменты времени для моделирования № 2: а - 0,03 с; б - 0,13 с; в - 0,4 с; г - деталь после завершения процесса охлаждения Для оценки достоверности результатов численного моделирования была проведена серия натурных экспериментов по закалке. Условия проведения эксперимента: температура нагрева стержня 515 оС, выдержка в печи 60 минут, температура закалочной среды 27 оС, закалочная среда - вода. Образцы были изготовлены на ЧПУ станке из поковки материала АК6 в состоянии поставки Т1. Для изготовления образцов использовался материал из 4-х различных поковок. Для измерения изменения формы образцов на них наноси лась сетка. Сетка наносилась механически с помощью чертилки на предварительно отшлифованную грань образца (рис. 7). Измерение размеров сетки производилось с помощью оптического микроскопа Nikon ММ-400. Закалка образцов осуществлялась по двум схемам, с погружением вдоль стороны H = 41 мм (эксперимент № 1, 8 образцов) и вдоль стороны A = 18 мм (эксперимент № 2, 12 образцов). После закалки сетка, нанесенная на образцах, повторно измерялась и опре 121 Вестник СибГАУ. № 3(49). 2013 делялась величина перемещений узловых точек сетки. Измерения производились в течение 4-х часов непосредственно после закалки, чтобы исключить возможность влияния естественного старения на результаты эксперимента. Затем полученные экспериментальные данные обрабатывались с использованием вероятностно-статистической методики. Сравнение результатов численного моделирования и эксперимента представлено на рис. 8. Как видно из рис. 8 и рис. 6, а характер остаточных закалочных «деформаций», полученный числен ным моделированием, качественно аналогичен наблюдаемым на практике. Количественно результаты численного эксперимента так же хорошо согласуются с натурным экспериментом. Максимальная достигнутая относительная погрешность составила 23 %, минимальная 4,6 % (рис. 9). Однако, там где относительная погрешность достигала 23 %, абсолютная погрешность не была более 0,01 мм. Стоит отметить, что большая погрешность наблюдалась в эксперименте № 1, то есть при погружении в направлении большей жесткости. б Рис. 7. Общий вид образцов с нанесенной сеткой: а - для погружения вдоль H = 41 мм; б - для погружения вдоль A = 18 мм Длина образдаї,, (мм) Рис. 8. График изменения перемещений по длине образца Дчпна образца. Рис. 9. График изменения относительной погрешности моделирования по длине образца а 122 Авиационная и ракетно-космическая техника Таким образом, были достигнуты следующие результаты: 1. Впервые проведено численное моделирование закалки с учетом нелинейности поведения материала и эффекта погружения детали в воду, позволяющее оценивать характер и величину остаточных термических напряжений деталей летательных аппаратов средней и малой жесткости. 2. Численное моделирование показало процесс развития образования напряжений и деформаций во времени, начиная с первых моментов погружения. 3. Установлено влияние направления погружения в закалочную среду при закалке стержней с прямоугольным сечением на характер и величину образующихся остаточных напряжений. Погружение вдоль направления большей жесткости ведет к меньшим остаточным деформациям.作者简介
A. Bachurin
Novosibirsk State Technical University
Email: bachurin.a.s@yandex.ru
20 K. Marks prosp., Novosibirsk, 630073, Russia
K. Bobin
Novosibirsk State Technical University20 K. Marks prosp., Novosibirsk, 630073, Russia
K. Matveev
Novosibirsk State Technical University20 K. Marks prosp., Novosibirsk, 630073, Russia
N. Kurlaev
Novosibirsk State Technical University20 K. Marks prosp., Novosibirsk, 630073, Russia
参考
- Перебоева А. А. Технология термической обработки металлов : курс лекций. Красноярск : СФУ, 2007. 143 с.
- Арендарчук А. В., Астафьев А. А., Башнин Ю. А. Термическая обработка в машиностроении : справочник. М. : Машиностроение, 1980. 776 с.
- Райцес В. Б. Термическая обработка на металлургических заводах. М. : Металлургия, 1971. 248 с.
- Покровский А. М. Расчет остаточных напряжений в биметаллических опорных прокатных валках после термической обработки // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2012. С. 186-196.
- Вопросы закалочного охлаждения. М. : Изд-во «Московский дом научно-технической пропаганды им. Ф. Э. Дзержинского», 1969. 99 с.
- Цветков Ф. Ф., Григорьев Б. А. Тепломассообмен : учеб. пособие для вузов. М. : Изд-во МЭИ, 2005. 550 с.
- Применение SYS WELD для моделирования закалки в 2D постановке | Делкам - Урал [Электронный ресурс]. URL: http://plmural.ru/cae/tehnologicheskiy_analiz/sysweld_modelirovanie_zakalki/ (дата обращения 16.06.2013).
补充文件
![](/img/style/loading.gif)