Моделирование процесса формирования остаточных напряжений при выполнении технологической последовательности «дробеударная обработка – зачистка лепестковым кругом»

Цель – исследование напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя детали из алюминиевого сплава ВТ95 при дробеударной обработке и последовательности операций «дробеударная обработка – зачистка лепестковым кругом». Объектами исследования являются крупногабаритные детали типа панелей и обшивок сложной формы, применяемые в самолето-, ракето- и судостроении. При разработке методики определения остаточных напряжений использовалось компьютерное моделирование в программном комплексе Ansys Workbench 19.0. В результате моделирования изучаемых процессов обработки получено наглядное представление характера формирования остаточных напряжений, физические значения и графики распределения последних. Установлено, что характер распределения остаточных напряжений после выполнения двух видов обработки схож. Максимальное значение остаточных напряжений, полученных в результате выполнения дробеударной обработки поверхности детали дробью диаметром 3,0 мм при скорости удара дроби 25 м/с, достигает порядка 600 МПа при глубине залегания 1,0 мм. После дробеударной обработки выполняется зачистка лепестковым кругом, в конечно-элементном моделировании, представленном в виде набора абразивных зерен со скоростью 18,316 м/с. Показано, что удаление в процессе зачистки с поверхности пластины слоя 25, 50 и 75 мкм способствует срезанию верхней части эпюры остаточных напряжений и, как следствие, к уменьшению значений остаточных напряжений в технологической последовательности «дробеударная обработка – зачистка» до 400 МПа. Также установлено, что по мере увеличения толщины снятого с поверхности детали слоя при зачистке величина остаточных напряжений сокращается медленнее. При этом независимо от толщины снимаемого слоя при зачистке, глубина залегания сжимающих остаточных напряжений практически не изменена (около 0,7 мм). Разработанная конечно-элементная модель позволяет прогнозировать и контролировать уровень и величину остаточных напряжений в образце из алюминиевого сплава еще на стадии технологической подготовки для операций «дробеударная обработка», а также сочетание операций «дробеударная обработка – зачистка».

1. Асланян И.Р., Бубнов А.С., Емельянов В.И., Исаев А.Н., Зайдес С.А., Копылов Ю.Р. [и др.]. Обработка деталей поверхностным пластическим деформированием: монография. Иркутск: ИрГТУ, 2014. 560 с. EDN: TJNGHP.

2. Пашков А.Е. Об особенностях применения отечественной и зарубежной технологии формообразования обшивок и панелей самолетов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 5. С. 17–22. EDN: TVQUBR.

3. Пашков А.Е., Шматков В.С. Особенности технологии дробеударного упрочнения крупногабаритных деталей самолетов // Управление технологическими процессами машиностроительного производства: сб. ст. Иркутск: Иркут. гос. техн. ун-т, 1998. С. 62–66.

4. Гребенников Д.С., Максименков В.И. Формообразование панелей крыла дальнемагистрального самолета // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. № 1. С. 116–121. https://doi.org/10.25987/VSTU.2019.15.1.018. EDN: YXBRRZ.

5. Назаров С.Р., Шодмонкулов З.А. Определение глубины деформационного упрочнения на основе энергетических соотношений дробеударной обработки // LIV Международная научно-техническая конференция преподавателей и студентов: материалы докладов (г. Витебск, 28 апреля 2021 г.). Витебск: Витебский государственный технологический университет, 2021. Т. 2. С. 279–281. EDN: VXRTFS.

6. Кравченко Г.Н., Кравченко К.Г. Выбор технологических параметров дробеударного упрочнения силовых деталей авиационных конструкций // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2018. № 12. С. 37–44. EDN: PJSWFF.

7. Baragetti S. Three-dimensional finite-element procedures for shot peening residual stress field prediction // International Journal of Computer Applications in Technology. 2001. Vol. 14. Iss. 1-3. P. 51–63. https://doi.org/10.1504/IJCAT.2001.000260.

8. Miao H.Y., Larose S., Perron C., Lévesque M. On the potential applications of a 3D random finite element model for the simulation of shot peening // Advances in Engineering Software. 2009. Vol. 40. Iss. 10. P. 1023–1038. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2009.03.013.

9. Chen Zhuo, Yang Fan, Meguid S.A. Realistic finite element simulations of arc-height development in shot-peened Almen strips // Journal of Engineering Materials and Technology. 2014. Vol. 136. Iss. 4. Р. 041002. https://doi.org/10.1115/1.4028006.

10. Bhuvaraghan B., Srinivasan S.M., Maffeo B., McCLain R.D., Potdar Yo., Prakash O. Shot peening simulation using discrete and finite element methods // Advances in Engineering Software. 2010. Vol. 41. Iss. 12. P. 1266–1276. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2010.09.003.

11. Касимов Б.М.У., Муминов М.Р., Шин И.Г. Поверхностное упрочнение деталей технологических оборудований и моделирование напряженного состояния при дробеударной обработке // Междунар. науч. конф., посвящ. 150-летию со дня рождения проф. Н.А. Васильева: сб. науч. тр. (г. Москва, 26 мая 2021 г.). М.: Рос. гос. ун-т им. А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), 2021. Т. 1. С. 122–127. EDN: JYSPLZ.

12. Пашков А.Е., Дияк А.Ю. Определение параметров дробеударного формообразования-упрочнения при помощи CAD/CAM/CAE систем // Управление технологическими процессами машиностроительного производства: сб. ст. Иркутск: Иркут. гос. техн. ун-т, 1998. С. 59–62.

13. Дрозд М.С., Осипенко А.П. Аналитическое исследование напряженного состояния при внедрении упругой сферы в упругопластическое полупространство // Металловедение и прочность металлов: сб. науч. тр. Волгоград: Волжский политехнический институт, 1977. Вып. 8. С. 58–68.

14. Матлин М.М., Мозгунова А.И., Лебский С.Л. Прогнозирование параметров упрочнения деталей машин путем поверхностного пластического деформирования // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2005. № 3. С. 52–55. EDN: HTKUGR.

15. Meguid S.A., Shagal G., Stranart J.C., Daly J. Tree-dimensional dynamic finite element analysis of shot-peening induced residual stresses // Finite Elements in Analysis and Design. 1999. Vol. 31. Iss. 3. P. 179–191. https://doi.org/10.1016/S0168-874X(98)00057-2.

16. Лебеденко В.Г. Математическое моделирование процесса формирования геометрических параметров поверхностного слоя и параметров упрочнения при обработке деталей дробью // Вестник Донского государственного технического университета. 2008. Т. 8. № 4. С. 202–212. EDN: KPOCUD.

17. Пашков А.А. Моделирование процесса формообразования крупногабаритных деталей двойной кривизны на дробеметных установках контактного типа // Технология металлов. 2020. № 12. С. 19–28. https://doi.org/10.31044/1684-2499-2020-0-12-19-28. EDN: UUAYIZ.

18. Unyanin A.N., Khazov A.V. Cutting ability of abrasive grains in the processing of billets of plastic materials // Materials Science and Engineering: International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment: IOP Conference Series. 2019. Vol. 709. Iss. 2-1. P. 022054. https://doi.org/10.1088/1757899X/709/2/022054. EDN: BYFFES.

19. Lyukshin V.S., Shatko D.B., Strelnikov P.A. Study of the working face of a flexible grinding tool // Materials Science and Engineering. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations: IOP Conference Series. 2020. Vol. 734. Iss. 1. P. 12068. https://doi.org/10.1088/1757899X/734/1/012068. EDN: BJODMK.

20. Baksa T., Adamek P., Hronek O., Zetek M. Degradation of a grinding wheel when grinding cermet materials and its influence on the grinding process // Manufacturing Technology. 2019. Vol. 19. Iss. 1. P. 9–13. https://doi.org/10.21062/ujep/236.2019/a/1213-2489/MT/19/1/9.

21. Romanenko A., Shatko D., Nepogozhev A., Strelnikov P. Study of the Influence of the grinding wheel composition components on its performance during ID grinding // Smart Innovation, Systems and Technologies / eds. M. Shamtsyan, М. Pasetti, A. Beskopylny. Singapore: Springer, 2022. Vol. 247. P. 213–222. https://doi.org/10.1007/978-981-16-3844-2_23. EDN: BNBMHF.

22. Сапунов В.В., Евстигнеев А.Д., Чистяков В.С. Исследование работоспособности лепестковых шлифовальных кругов при обработке заготовок из алюминиевых сплавов // Инновации в машиностроении: сб. тр. ХII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. памяти д-ра техн. наук, профессора Рахимянова Хариса Магсумановича (г. Новосибирск, 7–9 октября 2021 г.). Новосибирск: НГТУ, 2021. С. 112–118. EDN: KATTWZ.

23. Ле Чи Винь, Кольцов В.П., Нгуен Минь Хоанг. Моделирование формирования основных параметров качества поверхностного слоя при дробеударном упрочнении деталей // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сборник статей XIV Междунар. науч.-техн. конф. (г. Иркутск, 21–26 сентября 2020 г). Иркутск: ИРНИТУ, 2020. С. 104–112. EDN: JVBPIT.

24. Кольцов В.П., Ле Чи Винь, Стародубцева Д.А. Структура формирования параметров шероховатости поверхности при реализации технологической последовательности «дробеударное формообразование зачистка» // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 12. С. 56–67. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2018-12-56-67. EDN: VRFUYI.