Ульяновск, Ульяновская область, Россия
УДК 536 Термодинамика
УДК 621.9 Обработка резанием (снятием стружки).Резка (разделительные операции без образования стружки).Дробление и измельчение.Обработка листового материала.Изготовление резьбы и т.д. Способы (технология), инструменты, машины и приспособления
Сложные пакеты из поликристаллических композитных материалов на основе углепластиков и титановых сплавов находят все более широкое распространение в конструкциях изделий машиностроения и становятся основным ма-териалом при производстве современных видов скоростного транспорта. Однако технология механической обра-ботки поверхностей деталей из этих материалов, в частности отверстий, отличается недостаточной изученно-стью, отсутствием нормативов режимов резания и основывается чаще всего на производственном опыте предпри-ятий. При изменении условий обработки и материалов сложных пакетов длительность технологической подготовки производства становится причиной существенного увеличения себестоимости изготовления узлов и деталей вслед-ствие необходимости опытного подбора рациональных элементов режима резания. Для исключения эмпирического подбора рациональных элементов режима резания на станочном оборудовании была рассмотрена возможность ис-пользования цифровых двойников процессов сверления отверстий в заготовках из данных материалов, в том числе, с введением в зону формообразования новых поверхностей энергии ультразвукового поля с целью повышения качества обработанных поверхностей, производительности обработки и сокращения технологической подготовки производ-ства на этапе подбора элементов режима резания взамен апробации выбранных условий обработки на действую-щем технологическом оборудовании. При моделировании использовалась программа LS-DYNA. Подготовка моделей и обработка результатов выполнялась в программе LS-Prepost 4.8. В процессе исследований применяли явный метод моделирования с предварительной валидацией. Исследованиями установлено, что разработанные конечно-элементные модели позволяют имитировать технологические процессы одновременного сверления пакетов титано-вого сплава и композиционного материала в компьютере (цифровой двойник) без проведения достаточно сложных и затратных натурных испытаний. В результате моделирования был получен расчетный файл, содержащий процесс симуляции, решение которого визуально отражает процесс сверления отверстий в заготовках из сложных паке-тов титанового сплава и композиционного материала, максимально приближенный к реальной ситуации со снятием стружки. Так как использование цифровых двойников для выполнения данного этапа технологической подготовки производства в условиях действующих предприятий не связано с длительной и дорогостоящей эксплуатацией ста-ночного парка, следует ожидать существенного снижения себестоимости изготовления узлов и деталей из подоб-ных материалов в промышленности, прежде всего в мелкосерийном и единичном производстве.
сложный пакет, титановый сплав, композиционный материал, сверление, ультразвук, моделирование, цифровой двойник, качество поверхности
Введение
Все возрастающий рост уровня спроса композиционных материалов в машиностроении влечет за собой необходимость разработки эффективных технологий для их обработки. Одним из основных видов применения таких материалов, в частности полимерных композиционных материалов (ПКМ), является их использование при изготовлении конструктивных элементов продукции авиационной промышленности. Это происходит за счёт уникальных свойств таких материалов – малой плотности и высокой прочности.
Расчетные данные, подтвержденные результатами экспериментальных исследований, показывают, что использование композиционных материалов позволяет снизить массу планера летательного аппарата на 30…40 % по сравнению с массой планера из традиционных металлических материалов. Все это обеспечивает получение резерва массы, который может быть использован для увеличения дальности полета или полезной нагрузки.
Использование композиционных материалов в авиационной промышленности существенно снижает материалоемкость конструкций, увеличивает до 90 % коэффициент использования материала, уменьшает количество оснастки и резко снижает трудоемкость изготовления конструкций за счет уменьшения в несколько раз количества входящих в них деталей. Компоненты, состоящие из композиционных материалов, производятся, практически, в окончательной форме, но в процессе соединения их с титановыми или алюминиевыми кронштейнами механическая обработка неизбежна. Сверление является наиболее частой операцией для получения конструктивных отверстий, используемых для соединения между собой деталей самолёта посредством специального крепежа, применяемого в авиации. Проблемы, возникающие при сверлении, могут привести к отказу компонентов летательного аппарата (ЛА). Расслоение является одним из наиболее негативных повреждений, т. к. оно приводит к резкому снижению механических свойств узла самолёта и, бесспорно, к снижению его надежности в эксплуатации. В большинстве случаев ПКМ, применяемые в авиастроении используются в совокупности с другими материалами, образуя сложный пакет, состоящий из нескольких слоёв. В основном в состав таких соединений, кроме ПКМ, входят титан или алюминий. Как правило, из алюминиевых и титановых сплавов изготавливают детали силового каркаса планера и обводообразующие элементы.
Количество разнородных материалов в пакетах обычно не превышает трех (титановый сплав, алюминиевый сплав, КМ), а суммарное количество слоев ПКМ может достигать пяти и более. Состав сложного пакета и последовательность расположения слоев зависит от конструктивных особенностей и назначения соединяемых деталей. Составляющие элементы таких многослойных пакетов обладают различными физико-механическими свойствами (например, низкой теплопроводностью и склонностью к адгезии титановых сплавов, ярко выраженной анизотропией свойств ПКМ и др.). Поэтому в процессе механической обработки возникают дефекты: расслоение, деструкция, несрезанные волокна, вырывы, оплавление полимерной матрицы, изменение формы отверстий, их разбивка, образование прижогов на обработанных поверхностях и т. п. В свою очередь, снижение качества отверстий может привести к высоким контактным нагрузкам, снижению ресурса и разрушению соединений в сложных пакетах.
На сегодняшнее время в авиационной промышленности обозначена конкретная проблема, заключающаяся в необходимости повышения эффективности процессов лезвийной механической обработки как ПКМ, так и сочетания композиционных материалов с титановыми сплавами в различных конструкциях. Объяснением могут являться следующие причины:
– ПКМ и титановые сплавы входят в число труднообрабатываемых материалов, которые требуют использования специальных режимов резания и дорогостоящего режущего инструмента, период стойкости которого значительно ниже, чем при обработке других материалов. С учетом повышенного износа, расход инструмента значительно увеличивается, следовательно, увеличивается и конечная стоимость продукции [1];
– получение отверстий в сложных пакетах в большинстве случаев является окончательным видом обработки, которая необходима для последующих сборочных операций, а именно соединения ПКМ и титанового сплава между собой. Учитывая высокие требования к таким отверстиям и характеру соединения слоев между собой, можно сделать вывод о том, что цена ошибки на заключительной операции крайне высока.
Титановые сплавы и ПКМ существенно отличаются по технологии производства, природе достижения механических свойств и структурному построению, что усложняет выбор способов соединений данных материалов между собой.
Процесс получения отверстий в сложных пакетах, состоящих из титановых сплавов и композиционных материалов, является сложной задачей. Это обусловлено различными требованиями к режиму резания, в том числе, практически, при полном отсутствии нормативной информации по их обработке. Поэтому для решения таких задач необходим поиск нестандартного технологического решения.
Направлениями, способными повысить производительность и уменьшить себестоимость изготовления, могут быть:
– уменьшение машинного времени за счет интенсификации элементов режима резания вследствие рационального выбора материала и геометрии режущего инструмента, снижения затрат на трение в контактных зонах режущего инструмента и заготовки за счет введения в зону формообразования энергии внешних энергетических полей, например ультразвука;
– сокращение затрат на технологическую подготовку производства (ТПП);
– повышения жесткости технологической системы и др.
Использование цифровых двойников процессов сверления отверстий в заготовках из сложных пакетов титанового сплава и композиционного материала, том числе – с введением в зону формообразования новых поверхностей энергии ультразвукового (УЗ) поля взамен натурной апробации возможных сочетаний элементов режима резания позволит сократить длительность ТПП и затраты на их проведение на действующем оборудовании. Для моделирования в данной работе использовалась программа LS-DYNA [2, 3], подготовка моделей и обработка результатов выполнялась в программе LS-Prepost 4.8 [3].
Материалы и методы
Для уменьшения времени расчета применяли упрощенную сеточную геометрию сверла. С этой целью от полного сверла оставляли только режущую кромку (рис. 1). Данный подход допустим и не вводит большую погрешность при наличии сколотой стружки, которая в данном случае характерна для применяемых материалов.
В принятой модели использовались следующие кинематические параметры движения сверла:
– окружная скорость вращения сверла в модели составляла 942 рад/с или 150 об/с;
– осевая подача сверла составила 0,15 мм/об.
Для заготовки использовался пакет «металл – композит – металл.»
В качестве металла использовался титановый сплав ВТ6, материала композита – ВКУ-39.
В пакете моделировались 12 слоев (табл. 1).
Металл моделировался при помощи восьмиузловых объемных элементов с пониженным интегрированием. Композит моделировался также при помощи восьмиузловых толстостенных оболочных элементов с пониженным интегрированием. Размеры сеточных ячеек модели представлены в табл. 2, положение зон представлено на рис. 2.
Сетка, перекрываемая сверлом (зона 1), будет полностью удаляться в процессе сверления, ее размеры приняты в виде средней величины 0,15 мм по всем сторонам. Данная величина принята после многократных тестовых испытаний на сеточную зависимость. Большая сетка не позволит адекватно отобразить разрушение элементов модели, а использование более мелкой сетки приводит к увеличению времени расчета.
Сетка заготовки в зоне окружной части сверла (зона 2) будет удалена частично, ее величина непосредственно влияет на качество отверстия после сверления и на возникновения дефекта деламинации слоев композита. Предварительно размер сетки уменьшен с 0,15 по 0,06 мм и в зависимости от величины отхода композитных слоев. Размер сетки может быть уменьшен еще больше.
Сетка в зоне 3, находящаяся вне действия сверла (его контактной части), увеличена до 0,6 мм, что сделано для уменьшения времени расчета. С цельюобеспечения более точного анализа остаточных напряжений в металле и деламинационных эффектов в композите имеется переходная сеточная зона 2 – в зоне окружной части сверла (см. рис. 2).
В качества модели материала сверла принимали недеформируемый материал со свойствами быстрорежущей стали и возможностью перемещение и вращения вокруг вертикальной оси Z.
Для удобства расчетов использовалась система единиц несколько отличная от системы СИ (длина в миллиметрах, время в секундах, масса в тоннах).
За модель материала титанового сплава ВТ6 принимали модель Джонсона Кука с разрушением [4, 5]. Параметры материала приведены в табл. 3.
В качестве основной модели материала ПКМ (ВКУ-39) использовалась модель композиционного ортотропного материала с разрушением.
В модели материала задавались следующие параметры, представленные в табл. 4 [6, 7].
В модели материала задавалось разрушение от действия растягивающих напряжений и были заданы значения разрушающих деформаций. Деформации от сжатия и сдвига были несколько завышены, поскольку на процесс разрушения оказывают влияние только деформации растяжения.
Для связи между слоями (моделирование клеевого слоя) использовался автоматический контакт поверхность – поверхность с приставкой tiebreak (связной разрушаемый контакт) и с дискретной моделью трещины, степенной зависимостью и моделями повреждения, основные параметры также были взяты из работы [7] на основе прочностных данных применяемых клеевых составов после проведения тестовых испытаний и их валидации. Были использованы следующие параметры, представленные в табл. 5.
За модель режущего инструмента была принята режущая кромка спирального двухперого сверла диаметром 10 мм и углом при вершине 2φ = 140°. Модель представляли твердотельными элементами со сторонами 0,12…0,14 мм.
Модель пакета представляла собой набор из слоев материала, содержащих металлическую пластину 2 (рис. 3), 10 слоев композита 3 и металлическую пластину 4. Общие размеры модели составляли 15×15×4,5 мм. Все слои модели были связаны между собой, что имитировало клеевое соединение. Модель заготовки представлена в прямоугольной виде для упрощения установки ограничений. На четыре боковых поверхности модели заготовки были введены ограничения по всем шести степеням свободы.
C целью оценки условий контакта между сверлом и композитом, а также контактов между самими слоями композита (после разрушения клеевой связи), задавался контакт, учитывающий разрушение материала [8, 9].
После подготовки конечно-элементной модели выполнялся расчет в программе LS-DYNA версии 971 V10.2 c двойной точностью.
Результаты и обсуждение
Этапы сверления композита приведены на рис. 4. Для проверки адекватности модели были выведены графики энергетического коэффициента (рис. 5) и графики всех энергий (рис. 6). Значения на графике энергетического коэффициента должен быть близкие к единице [3]. На представленном графике (см. рис. 5) в установившемся режиме значения близки к 1,0 ± 0,01, что говорит об полном удовлетворении требования к энергиям. На начальных и конечных этапах значение коэффициента больше единицы на 6…8 %, что допустимо на данных этапах.
Оценка величин энергий на конечном этапе показало следующие значения: кинетическая энергия – 1280 мДж; внутренняя энергия – 1190 мДж; полная энергия – 4920 мДж; энергия искажения Hourglass – 480 мДж; энергия скольжения – 1970 мДж.
Полная энергия состоит из суммы всех других энергий и по процентному содержанию составляет: кинетическая энергия – 26 %; внутренняя энергия – 24 %; энергия искажения Hourglass – 10 %; энергия скольжения – 40 %.
Наибольшая из рассматриваемых энергий является энергия скольжения (SlidingEnergy), что связано со скольжением (трением) сверла по поверхности заготовки, вносящая наибольший вклад в общую энергию [7, 10]. Подбирая соответствующие режимы обработки и внося, в качестве примера, в зону формообразования новых поверхностей энергию ультразвукового поля, можно уменьшить энергию скольжения и, соответственно, общую энергию, что положительно скажется на всей модели и на процессе сверления в целом. Последнее сопровождается существенным уменьшением теплосиловой напряженности процесса резания, снижением вероятности возникновения дефектов на обработанных поверхностях, уменьшением износа режущих кромок инструмента [7, 8].
Данные расчетов, представленные в виде графиков на рис. 5 и рис. 6, подтверждают адекватность выполненного моделирования.
На рис. 7 представлены графики усилия сцепления слоев композита. Оценка величин усилия на конечных этапах показала, что верхние слои композита имеют более низкие значения сцепления. Например, сцепление между препрегами один и два составляет 9,5 Н, но по следующим слоям препрега это значение увеличивается и для слоя между препрегами девять и десять составляет 25,5 Н. Это увеличение может быть связано с воздействием нижних зажатых слоев на рассматриваемые слои при освобождении (удалении) при сверлении верхних слоев.
Если оценивать усилие сцепления не по всей поверхности препрегов, а только по зонам края отверстия, это позволит по результатам подобных расчетов предсказать возникновение деламинации слоев композита.
Выводы
Выполненные исследования подтверждают возможность замены натурных испытаний использованием цифровых двойников процессов сверления отверстий в заготовках из сложных пакетов титанового сплава и композиционного материала, в том числе с введением в зону формообразования новых поверхностей энергии ультразвукового поля для сокращения технологической подготовки производства на этапе подбора элементов режима резания взамен апробации изменений условий обработки на действующем технологическом оборудовании. Использование подобных расчетов в действующем производстве позволит существенно уменьшить себестоимость изготовления деталей и узлов из сложных пакетов титанового сплава и композиционного материала и сократить технологический цикл изготовления изделий в целом.
1. Kиселев Е.С., Илюшкин М.В., Савельев К.С. Иссле-дования процессов резания заготовок из труднообра-батываемых материалов с использованием для мате-матического моделирования цифровых двойников // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2021. № 7. С. 29-40.
2. LS-DYNA Theory Manual. Livermore: LSTC, 2019, 689 p.
3. LS-DYNA Keyword User,s Manual. Volume I, II. Livermore: LSTC, 2019, 5289 p.
4. Криворучко Д.В., Залога В.О., Корбач В.Г. Ос-новы 3D-моделирования процессов механической об-работки методом конечных элементов. Учебное посо-бие. Сумы, 2009. 209 с.
5. Морозов Е.М., Никишков Г.П. Метод конеч-ных элементов в механике разрушения. М.: URSS, 2018. 426 c.
6. Кудрявцев О.А., Оливенко Н.А., Жихарев М.В. Разработка и верификация численных моделей для анализа механического поведения компо-зитных элементов при высокоскоростном ударе // XXIV Туполевские чтения (школа молодых ученых) тексты докладов участников Международной молодёжной научной конференции, в 6 т. 2019. Т. 1. С. 146-152.
7. Савельев К.С., Илюшкин М.В., Киселев Е.С. Использование цифровых двойников для математиче-ского моделирования ультразвукового сверления тита-новых заготовок // Вектор науки ТГУ. 2021. № 1. С. 42-55.
8. Илюшкин М.В., Киселев Е.С. Моделирование процессов сверления заготовок из полимерных компо-зиционных материалов путем использования цифровых двойников // FrontierMaterials&Technologies. 2023. № 2. С. 47-57. DOI:https://doi.org/10.18323/2782-4039-2023-2-64-1.
9. Муйземник А.Ю., Морозов Е.М. ANSYS в ру-ках инженера: Динамическое нагружение. М.: ЛЕНАНД, 2023. 244 с.
10. Nguyen Thi Anh, Tran Thanh Tung. Drilling Modelling Using Computer Simulation. International Jour-nal Of Scientific & Technology Research Volume 9, Issue 10, October 2020. pp.171-174.
