Разработка методики по оценке напряжённо-деформированного состояния изделий с учётом технологической наследственности

С техническим развитием изделий машиностроения возрастает количество сложнопрофильных и труднообрабатываемых заготовок. Как правило, данная тенденция связана с конструктивным усложнением узлов и агрегатов, особенно ярко заметным в авиационной промышленности [1, 2].

Значительная доля деталей этого производственного сегмента является ответственной, где вместе с высокой трудностью их изготовления появляются и трудности обеспечения заданного ресурса работы.

Известно, что на ресурс детали будет влиять не только её конструктивная продуманность, но и качество её поверхностного слоя, сформированного на этапах технологического процесса. Исходя из этого, востребованными на производстве являются такие методики, которые позволяют определять на этапах проектирования детали величины параметров, с помощью которых возможно оценивать её ресурс. При этом, особенно важно, если методика дополнительно позволяет учитывать влияние технологических факторов, что, несомненно, оказывает положительное влияние на точность получаемых с помощью такой методики результатов.

Практически более значимыми являются методики, имеющие возможность оценки влияния отдельных технологических процессов на ресурс детали, так как это является инструментом к оптимизации каждого в отдельности учтенного технологического процесса с позиции рабочего ресурса детали.

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПО ОЦЕНКЕ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ ИЗДЕЛИЙ НА ПРИМЕРЕ ТРАВЕРСЫ ВЗЛЁТНО-ПОСАДОЧНОГО

УСТРОЙСТВА

В данной работе представлена расчётная методика, позволяющая оценивать напряжённо-деформированное состояние изделий от дей- ствия технологических остаточных напряжений. В качестве примера была рассмотрена траверса взлётно-посадочного устройства отечественного перспективного самолета, выполненного из ковочного алюминиевого сплава марки 1933. Общий вид изделия представлен на рис. 1.

Основной проблемой, связанной с эксплуатацией данной детали являлось возникновение трещин в месте установки кронштейнов, которые представлены на рис. 2, а сами посадочные отверстия, куда выполняется монтаж кронштейнов по посадке с зазором, изображены на рис. 1, а .

Характер разрушения представленной на рис. 1, а, зоны выражен трещинообразованием на посадочных поясках отверстий. Стоит отметить, что прочностной численный анализ стати- показал достаточный коэффициент запаса по прочности для разрушающегося участка. Исходя из этого было принято решение проанализировать технологический процесс получения проблемных посадочных отверстий (рис. 1, а). При этом особое внимание уделялось величине, знаку и характеру распределения остаточных напряжений в поверхностном слое зоны при исследуемых отверстиях траверсы [3]. В соответствии с работами [4-10], для каждой операции механической обработки были выписаны наиболее вероятные значения величин остаточных напряжений, для соответствующих технологических операций. На основании проанализированной литературы был сделан вывод, что в результате механической обработки зоны возле посадочных отверстий под кронштейны ческого и динамического нагружения траверсы располагается поле растягивающих остаточных

Рис. 1. Общий вид траверсы передней опоры отечественного перспективного самолёта и увеличенным изображением проблемного участка (а)

Рис. 2. Вид на разрез проблемной зоны траверсы (пунктирной окружностью указан участок крепления кронштейна с траверсой)

напряжений, что несомненно способствует процессу трещинообразования, тем самым снижая ресурс детали. Для решения данной проблемы стало обоснованным использование методов поверхностного пластического деформирования, с целью наведения на разрушающемся участке траверсы полей сжимающих остаточных напряжений. Однако, на данном этапе важным было не только назначение оптимальных режимов упрочнения поверхностного слоя, но и отслеживание технологических деформаций изделия, чтобы деталь находилась в своих кон- тролируемых размерах внутри допускаемых значений согласно конструкторской документации. Выбор метода поверхностного пластического деформирования был остановлен на дробеструйной обработке, что наилучшим образом подходит для детали, имеющей представленную конфигурацию (рис. 1).

Для более детального анализа полей растягивающих остаточных напряжений, а также деформаций детали, которые они вызывают на этапах механической обработки, была разработана виртуальная конечно-элементная модель. Её особенностью является возможность оценки напряжённо-деформированного состояния изделия в зависимости от каждой применённой технологической операции для его изготовления в отдельности. Конечно- элементная модель состоит из трех основных виртуальных тел, а именно поверхностные слои первого и второго исследуемых разрушающихся отверстий, а также остальное тело траверсы (рис. 3).

Рис. 3. Общий вид конечно-элементной модели траверсы передней опоры самолёта и увеличенный вид монтажного разрушающегося отверстия

Рис. 4. Поля эквивалентных напряжений в зонах исследуемых монтажных отверстий, где были загружены в поверхностный слой эпюры остаточных напряжений, с максимальными значениями: +50 Мпа (а) и +150 МПа (б)

ПЛАНИРОВАНИЕ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И ЕГО РЕЗУЛЬТАТЫ

С целью апробации виртуальной модели, в поверхностные слои проблемных монтажных отверстий загружались эпюры остаточных напряжений [4-10], с максимумом, изменяющимся в диапазоне от +50 МПа до +250 МПа. Характер распределения эпюр напряжений соответствовал механической обработке из базового технологического процесса [3-6]. Примеры компьютерных вычислений по конечно-элементной модели возможно видеть на рис. 4 и рис. 5.

В ходе численного эксперимента были получены: график изменения максимальной величины эквивалентных напряжений, распределенных по проблемному участку траверсы в зависимости от пикового значения растягивающих остаточных напряжений, загруженных в поверхностный слой посадочных поясков разрушающихся отверстий и аналогичный график, но для полей деформации (рис. 6).

Как уже отмечалось ранее, в ходе анализа литературы была подобрана эпюра остаточных напряжений, соответствующая тем операциям механической обработки, которые были применены при формообразовании проблемного участка траверсы. Максимальное значение подобранной эпюры растягивающих остаточных напряжений соответствует +180 МПа (рис. 6). Данная эпюра была загружена в поверхностный слой проблемных отверстий конечно-элементной модели. Следующим шагом, с целью поиска оптимального режима дробеструйного упрочнения, производилась загрузка эпюры остаточных напряжений, формирующихся в поверхностном слое изделия при дробеструйном упрочнении [11-13]. В процессе проведения вычислений по конечно-элементной модели производилось варьирование максимального значения эпюры напряжений, формирующихся в процессе поверхностного пластического деформирования. По результатам расчётов были построены графики, аналогично графикам из рис. 6, с той разницей, что в процессе вычислений первичная эпюра распределения остаточных напряжений, формирующихся в процессе формообразующей механической обработки, оставалась без изменений, но изменялась эпюра остаточных напряжений, формирующихся при дробеструйной обработке. Ознакомиться с полученными результатами возможно на рис. 7.

Исходя из требуемой геометрической точности изготовления траверсы передней опоры,

Рис. 5. Распределение полей деформации в зонах исследуемых монтажных отверстий, где были загружены в поверхностный слой эпюры остаточных напряжений, с максимальными значениями: +50 Мпа (а) и +150 МПа (б)

Рис. 6. Графики изменения максимальной величины эквивалентных напряжений и деформации, распределенных по проблемному участку траверсы в зависимости от пикового значения растягивающих остаточных напряжений, загруженных в поверхностный слой посадочных поясков разрушающихся отверстий

Рис. 7. Графики изменения максимальной величины эквивалентных напряжений и деформации, распределенных по проблемному участку траверсы в зависимости от пикового значения сжимающих остаточных напряжений, загруженных в поверхностный слой посадочных поясков разрушающихся отверстий а также максимально возможного уровня сжимающих остаточных напряжений, был подобран оптимальный режим дробеструйного упрочнения. На рис. 7 показаны величины максимальных эквивалентных напряжений, максимальной деформации и максимальных сжимающих остаточных напряжений в проблемной зоне траверсы, соответствующие оптимальному режиму упрочнения, при котором рабочий ресурс детали возрастает до требуемого значения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование расчётной методики, представленной в данной работе, позволило оптимизировать технологический процесс изготовления траверсы передней опоры, что повысило рабочий ресурс детали до требуемого значения. Важной особенностью представленной методики является возможность оценки напряжённо-деформированного состояния изделия как на этапе отдельно взятой технологической операции, так и в зависимости от совокупного влияния технологических операций, что означает возможность оценки напряжённо-деформированного состояния изделия в процессе его изменения от одной технологической операции к другой.