ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕЛИЧИНЫ СМЯТИЯ ЗАГОТОВКИ ОТ ДЕЙСТВИЯ СИЛ ЗАЖИМА СТАНОНОГО ПРИСПОСОБЛЕНИЯ

​INVESTIGATION OF THE VALUE OF THE BLANK CRUSHING UNDER THE ACTION OF THE CLAMPING FORCES OF THE STAND DEVICE

Evgeny Egoryshev

Master student, Department of Mechanical Engineering Technology, Arzamas Polytechnic Institute (branch) of the Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseeva,

Russia, Arzamas

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена методике исследования величины смятия заготовки от приложения сил зажима станочного приспособления с использованием программного обеспечения Ansys 19. Подробно рассмотрен процесс конфигурирования статического исследования, задания характеристик материалов конструкции, анализа получившихся результатов.

ABSTRACT

This article is devoted to the methodology for studying the magnitude of the collapse of the workpiece from the application of clamping forces of the machine tool using the Ansys 19 software. The process of configuring a static study, setting the characteristics of construction materials, and analyzing the results is considered in detail.

Ключевые слова: станочное приспособление, величина смятия, допуск, имитационное моделирование, Ansys 19.

Keywords: machine tool, collapse amount, tolerance, simulation, Ansys 19.

Процесс разработки специальной технологической оснастки представляет собой сложные решения, в большей части основанные на опыте конструктора-разработчика. Использование современного программного обеспечения, позволяющего выполнять любые виртуальные исследования сделало процсс разработки более гибким и структурированным. В настоящее время инженер-конструктор на стадии проектирования, использу расчетные модули, может с большой точностью промоделировать процесс закрепления, процесс деформации и обработки. В данной статье рассмотрена методика выполнения статического исследования определения величины смятия заготовки.

При выполнении технологической операции обработки отверстия Ø8Н7 мм, выдерживая размер 15±0,215 мм, в детали «Ось» (см. рисунок 1), изготовленной из конструкционной легированной стали 40Х ГОСТ 4543-2016 используется специальное станочное приспособление «Кондуктор гидравлический» (см. рисунок 2). Согласно технологического процесса изготовления детали, обработка данного отверстия производится за один технологический установ за три технологических перехода (сверление отверстия, развертывание чистовое, развертывание тонкое).

Рисунок 1. Обрабатываемая деталь «Ось»

Рисунок 2.  Специальное станочное приспособление «Кондуктор гидравлический»

При разработке специального станочного приспособления была рассчитана необходимая сила зажима равная 17001Н, которая обеспечивается гидроцилиндром, встроенным в корпус станочного приспособления.

Закрепление заготовки в станочном приспособлении обеспечивается по внешней цилиндрической поверхности диаметром 30f9 с допуском на обработку равным 0,052 мм.

Так как рассчитанная сила закрепления достаточно велика, то на стадии разработки специальной технологической оснастки потребовалось проверить величину смятия заготовки и сравнить ее с допуском на обработку данной поверхности. Данную проверку было решено провести с использованием средств CAE анализа, а именно Ansys 19 [1].

Для проведения имитационного моделирования процесса закрепления заготовки была составлена упрощенная модель (см. рисунок 3), состоящая из призмы стационарной, призмы прижимной и непосредственно заготовки (показана красным цветом).

Рисунок 3. Модель для исследования величины смятия

Модель создавалась в программном обеспечении SolidWorks и в дальнейшем планировалась к импорту в программу Ansys 19.

При расчете величины смятия в Ansys 19 было создано статическое исследование Static Structural (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Статическое исследование в Ansys 19

Первоначально необходимо сконфигурировать свойства материалов, которые входят в исследуемую сборочную единицу. Для этого в Engineering Data было создано два материала: сталь 40Х ГОСТ 4543-2016 – материал заготовки детали «Ось» и сталь 20 ГОСТ 1050-2013 – материал призмы стационарной и призмы прижимной (см. рисунок 5).

Рисунок 5. Материалы деталей исследуемой сборочной единицы

Далее в расчетное пространство была импортирована геометрия исследуемой сборочной единицы (см. рисунок 6).

Рисунок 6. Исследуемая сборочная единица в Ansys 19

После импортирования сборочной единицы необходимо назначить ранее сконфигурированные материалы всем деталям (см. рисунок 7).

Рисунок 7. Процесс назначения материала деталей

Следующим важным этапом создания имитационного моделирования является назначение типа контакта между деталями. В нашем случае создано два контакта – между заготовкой и призмой стационарной, а также между заготовкой и призмой прижимной. Тип контакта – No separation (см. рисунок 8).

Рисунок 8. Процесс назначения типа контакта между деталями

Далее необходимо назначить необходимые ограничения и способы закрепления деталей в пространстве. В нашем случае призма стационарная опирается своей нижней поверхностью на корпус станочного приспособления, таким образом, на данную поверхность назначено ограничение Fixed Support (см. рисунок 9).

Рисунок 9. Ограничение Fixed Support

Так же на некоторые поверхности сборочной единицы наложены ограничения типа Frictionless Support.

Следующим этапом является назначение внешней нагрузки, действующей на сборочную единицу. В нашем случае действует сила зажима 17001 Н, которая в равных пропорциях распределяется между двумя осями (см. рисунок 10).

Рисунок 10. Создание внешней нагрузки

Таким образом, общая расчетная модель с назначенными контактами, ограничениями и внешней нагрузкой представлена на рисунке 11.

Рисунок 11. Расчетная модель для исследования

Следующим этапом для выполнения расчета является создание сетки конечных элементов. Необходимо отметить, что при разбивке модели будет использована функция Element Size с параметром 0,5 мм (см. рисунок 12).

Рисунок 12. Сгенерированная сетка конечных элементов

Выполним расчет и проанализируем получившиеся результаты. Рассмотрим эпюру напряжения (см. рисунок 13).

Рисунок 13. Эпюра напряжения

По данной эпюре видно, что максимальное напряжение, которое возникает в конструкции равно 312,71 МПа. Данное значение меньше предела текучести материала заготовки детали «Ось) (сталь 40Х ГОСТ 4543-2016 с пределом текучести 785 МПа), но больше предела текучести материала призм (сталь 40Х ГОСТ 1050-2013 с пределом текучести 245 МПа). Таким образом, можно сказать, что приложенная нагрузка приведет к невозвратной остаточной деформации материала призм. Таким образом, требуется смена материала на более прочный. Распределение напряжений по прижимной призме представлено на рисунке 14.

Рисунок 14. Распределение напряжений по прижимной призме

Введем в базу Engineering Data новый материал – сталь 45 ГОСТ 1050-2013 (см. рисунок 15).

Рисунок 15. Создание материала сталь 45 ГОСТ 1050-2013

Выполним переназначение материала – сталь 45 ГОСТ 1050-2013 деталям «Призма стационарная» и «призма подвижная» и расчет статического исследования. Проанализируем получившиеся эпюры.

Эпюра напряжений с использованием вновь назначенного материала представлена на рисунке 16.

Рисунок 16. Эпюра напряжений с новым материалом

По данной эпюре видно, что максимальные напряжения равны 305,47 МПа, что меньше пределов текучести всех материалов, из которых изготовлены детали.

Наибольший интерес представляет распределение напряжений по детали «Ось». Рассмотрим данную эпюру (см. рисунок 17).

Рисунок 17. Распределение напряжений в детали «Ось»

По данной эпюре видно, что на детали присутствует два четких следа от действия прижимной призмы. Максимальные напряжения в этих областях равны 305,47 МПа.

Так же необходимо определить максимальную величину смятия зажимаемой заготовки. Рассмотрим эпюру деформаций детали «Ось» (см. рисунок 18.)

Рисунок 18. Распределение деформаций по детали «Ось»

По данной эпюре видно, что максимальная величина смятия обрабатываемой заготовки от приложения сил зажима станочного приспособления равна 0,011 мм. Данная величина меньше допуска на изготовление детали, равного 0,052 мм. Так же необходимо отметить, что данная деформация является упругой, то есть она теоретически должна исчезнуть после приложения внешней нагрузки.

Вывод: предложенная методика расчета величин смятия деталей станочного приспособления и обрабатываемой заготовки позволила выявить слабые места станочного приспособления и подтвердила правильность концепции зажима заготовки. При действии рассчитанных сил зажима на заготовку не будет оказано критических воздействий, которые могут привести к остаточным деформациям.

Список литературы:

1. Каплун, А. Б. ANSYS в руках инженера. Практическое руководство / А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева. - М.: Либроком, 2015. - 272 c.