Наукові основи моделювання процесів різання з використанням числових методів

Важливим показником процесу різання є форма стружки. Якісна адекватність за цим показником може бути оцінена шляхом порівняння фотографій спрогнозованої і отриманої з експерименту стружок.

Перевірку кількісної адекватності в роботі запропоновано виконувати на основі перевірки гіпотези значущості залишкової дисперсії відхилення прогнозованих значень досліджуваного показника від його експериментальних значень за критерієм Фішера:

, , (22)

де - рівень значущості, r - кількість повторень кожного з k натурних дослідів, m - кількість факторів моделі, n - кількість модельних дослідів, - групова середня значення показника та - розраховане значення показника.

На відміну від інших відомих досліджень, в роботі було враховано можливість виникнення похибки через наявність похибок визначення вихідних даних шляхом сумування дисперсій відтворення експерименту та розрахунку :

, , (23)

Проведені розрахунки похідних за m=21 названим раніше фактором для умов різання сталі 45 з режимом різання V=100 м/хв, S=0,15 мм/об показали, що найбільший вплив на похибку прогнозування сили та температури різання мають похибки прогнозування показників тертя (37-47%) та радіуса округлення різальної кромки (20-35%). На проекцію P_z істотний вплив мають також передній кут (7% ) та теплоємність оброблюваного матеріалу С_V (6%), на температуру різання вплив мають параметр А визначального рівняння оброблюваного матеріалу (13%) та максимальна величина накопичених пластичних деформацій до руйнування _р (14%). Такий набір факторів, що істотно впливають на показники процесу різання, показує, що значна частка невизначеності у прогнозованих параметрах випливає з невизначеності у вихідних даних, зокрема у та .

Додаткова перевірка моделі, що виконана шляхом порівняння прогнозів головної складової сили різання для різних матеріалів з відомими даними експериментальних досліджень М. М. Зорева (табл. 3), виявила, що з 8 тестів лише 2 (25%) показали похибку більшу за 15%, що зумовлено обмеженістю вихідних даних.

Таблиця 3 Порівняння прогнозів головної складової сили різання при зовнішньому повздовжньому точінні з експериментальними даними М. М. Зорева

У роботі на основі аналізу причин виникнення похибок сформульовано принцип прийнятної похибки прогнозування, який полягає у тому, що для одержання достовірних результатів модельного дослідження необхідно і достатньо забезпечити коректність, якісну (слабка достовірність) та за необхідності кількісну адекватність (сильна достовірність) скінченно-елементної моделі процесу різання тільки за досліджуваними показниками. При цьому доведено, що похибка прогнозування за іншими показниками не має істотного значення. Встановлено, що за сучасною якістю вимірювального обладнання досягнути кращої за 15-20% розбіжності між експериментальними та розрахунковими даними показників робочих процесів різання у широкому діапазоні режимів різання навіть з прийняттям 0,01 рівня значущості результатів прогнозування практично неможливо.

Виходячи з розробленої класифікації задач прогнозуючого моделювання процесів різання, у роботі сформульовано принцип раціонального спрощення, який полягає у виборі такої структури прогнозуючої моделі, яка забезпечує найменший час прогнозування показників процесу різання із прийнятною похибкою. Наприклад, якщо необхідно збільшити міцність різальної кромки леза, то ця задача має масштаб (рівень деталізації) леза і, отже, під час побудови моделі для розв'язання цієї задачі необхідно враховувати форму округлення різальної кромки, локальний розподіл контактних напружень тощо. Отже, модель різання має бути максимально подібною до головної січної площини та може мати значні спрощення просторової геометрії системи. З іншого боку, якщо ставиться задача визначення прогину заготовки при обробці точінням, то вона вже має масштаб (рівень деталізації) заготовки, тому що характерним геометричним розміром є довжина або діаметр заготовки. Тому така детальна інформація про процес взаємодії леза із заготовкою і стружкою, як визначено в попередньому прикладі, у даному випадку не потрібна, а достатньо лише достовірно спрогнозувати вектор сили різання і геометрично точно описати розміри заготовки та її граничні умови.

Необхідною умовою успішної практичної реалізації розробленої скінченно-елементної моделі процесу різання є виконання принципу оптимальності параметрів обчислювальних процедур, який полягає у тому, що кожний розв'язувач повинен бути попередньо оптимізований для розв'язання саме задач різання шляхом визначення параметрів скінченних елементів, контактних алгоритмів, алгоритмів інтегрування рівнянь руху таким чином, щоб забезпечити найвищу продуктивність обчислювальних процедур. У роботі цей принцип проілюстровано на прикладі визначення оптимальних параметрів розв'язувача LS-DYNA для розв'язання 3D-задач моделювання процесу стружкоутворення. Зокрема, показано, що зменшення впливу похибки розв'язання контактної задачі при прийнятному часі розрахунку може бути досягнуте за рахунок вибору розміру скінченного елемента заготовки в діапазоні /L_e=2-3 та леза /L_e>2,5.

Ще одним важливим принципом практичної реалізації скінченно-елементних моделей процесів різання є принцип порівнянності умов модельного й натурного робочих процесів, що полягає в необхідності забезпечення геометричної подібності, подібності граничних та початкових умов скінченно-елементної моделі реальному процесу. Зокрема, проведені дослідження показали, що при розв'язанні задач на рівні деталізації «Лезо» достовірність розрахунків залежить від просторової розмірності моделі навіть для ортогонального різання. Встановлено, що 2D-модель може бути застосована тільки для випадків, коли ширина зрізу не менша за b_min=20а, оскільки лише у цьому випадку стружка може бути взята прямокутною в поперечному перерізі. Доведено, що застосування 3D-моделі процесу різання з вільними поверхнями забезпечує прогнозування реальної форми стружки за будь-якої її ширини.

У роботі розглянута низка прикладів застосування розробленої моделі ортогонального різання конструкційних сталей для розв'язання задач на рівні деталізації «Лезо». Наприклад, доведена достовірність резульатів модельних досліджень товщини (усадки) стружки, проекцій сили та температури різання при точінні сталі 45 (НВ180), проведених за допомогою цієї моделі в діапазоні швидкостей різання від 100 до 300 м/хв, шляхом їх порівняння з експериментальними даними US National Institute of Standards and Technology, які є узагальненням результатів вимірювань цих показників в ідентичних із моделлю умовах у трьох лабораторіях різних країн світу. При цьому відносні похибки не перевищували для проекції Pz - 15,2%, проекції Py - 23,1%, температури різання Т - 22%, коефіцієнта стовщення К_а - 34%, що з урахуванням похибок відтворення вихідних даних задовольняють критерію Фішера з рівнем значущості 0,1.

У сьомому розділі наведені приклади застосування поданих теоретичних положень та принципів для підвищення ефективності робочих процесів різання на основі їх прогнозуючого моделювання методом скінченних елементів.

Під час проектування верстатів, різальних інструментів і технологічних процесів одним з найважливіших задач є прогнозування питомих сил різання. У цьому напрямку найбільш актуальним використанням прогнозуючої моделі є визначення закону зміни питомих сил в умовах перехідних процесів з подальшим застосуванням цих даних для дослідження та оптимізації динаміки робочих процесів. Напрямом реалізації цього підходу є побудова діаграм сталості для кінцевих фрез при обробці досліджуваного матеріалу за розрахованими за моделлю ортогонального різання питомими силами різання та сталим стружкоутворенням T_p. У роботі подано приклад розв'язання такої задачі для випадку чорнового оброблення лопаток дифузора компресора зі сталі 45 фрезою діаметром 40 мм зі змінними непереточуваними пластинами з шириною фрезерування 40 мм та глибиною різання до 10 мм на верстаті 6Р13Ф3 з системою ЧПК 2С42-65. Показано, що отримане підвищення продуктивності оброблення на 41% дозволило отримати економічний ефект при обробці кожної лопатки 52,3 грн.

Важливим напрямом застосування прогнозуючої моделі є визначення оптимальних режимів різання. У роботі подано приклад розв'язання такої задачі для випадку обробки точінням сталі 45 (НB160), виходячи з критерію оптимальної температури. Спираючись на принцип порівнянності умов модельного й натурного робочих процесів шляхом моделювання процесу ортогонального різання в діапазоні швидкостей 50-300 м/хв та товщин зрізу від 0,1 до 0,3 мм при t = 6 мм, методом планування багатофакторного експерименту отримано залежність для розрахунку середньої температури різання

. (24)

Оптимальна температура для зазначеної пари «Т15К6-сталь 45» становить, за даними С. С. Сіліна, 1000С. Та оскільки ця величина отримана методом природної термопари, то вона є завищеною та порівнювалася з розрахунковою з поправкою 0,56, що визначена порівнянням розрахованої та експериментальної середньої температури різання за однакових умов. Підставляючи скоректоване значення оптимальної температури у формулу (24), при =8 було розраховано криву найбільшого ресурсу інструмента. Порівняння цих даних з даними О. Д. Макарова свідчать про адекватність отриманого результату. Розбіжність при малих подачах зумовлена відмінністю умов натурного експерименту від модельного через те, що фактичний радіус округлення різального леза, за якого було проведено експериментальні дослідження, є невідомим.

У роботі подано низку прикладів застосування 3D-моделей робочих процесів різання конструкційних сталей для розв'язання задач на рівні деталізації «Інструмент». Однією з таких задач є експертна оцінка працездатності інструментів. Як приклад розглянуто задачу оцінювання працездатності змінних непереточуваних пластин різних фірм-виробників при обробці глибоких канавок точінням канавковими різцями. Оскільки за цих умов найбільшою проблемою є стружковідведення, то й за критерій ранжування пластин вибрано форму стружки. Було досліджено сім пластин шириною 4 мм: 13532 за ГОСТ 17163-90, ISCAR TAG N4J, WIDIA M4 235 67 440, кругла R4 1235 67 605, Sandvik N 151.400-40-45, Kennametal A4CO405L06CF02, TaeguTec TDJ4. Ранжування пластин за розробленою бальною оцінкою показало, що для досліджуваних умов можуть бути рекомендовані пластини ISCAR TAG N4J (перше місце) та WIDIA M4 1235 67 440, TaeguTec TDJ4 і Kennametal A4CO405L06CF02 (друге місце) як такі, що реалізують точіння з утворенням стружки найменшої ширини за прийнятної сили різання , що забезпечує надійне відведення стружки, надійність та продуктивність обробки.

Узагальнюючи основні напрями використання прогнозуючого моделювання у роботі розроблена концепція оцінки працездатності інструмента на стадії його проектування. Відповідно до цієї концепції спроектований різальний інструмент перевіряється моделюванням за основними видами відмов: за інтенсивністю зношування, за напруженням у лезі, які можуть призводити до викришування різальної кромки, за напруженнями в робочій частині інструмента, за сталістю обробки. На першому етапі виконують 2D-моделювання на рівні деталізації «Лезо», отримуючи розподіл контактних напружень і температур, напруження в лезі, питомі проекції сили різання та постійну стружкоутворення, а також середній коефіцієнт тертя за заданими умовами. На другому етапі виконують 3D-моделювання на рівні деталізації «Інструмент» та визначають напруження в робочій частині інструмента та жорсткість леза. На третьому етапі за відомими критеріями визначають ступінь працездатності за всіма переліченими показниками. Такий підхід дозволяє визначити лише декілька найбільш раціональних рішень щодо конструкції інструмента з метою їх подальшої експериментальної перевірки та запобігає виготовленню великої кількості експериментальних зразків.

У додатках А, Б, В наведено розроблені здобувачем обчислювальні процедури, структура файлів вихідних даних та числові значення параметрів, що прийняті за замовчуванням. Додаток Г містить детальний опис скінченно-елементних моделей, що досліджувалися у роботі. У додатку Д представлено таблиці для визначення максимально можливих припущень прогнозуючих скінченно-елементних моделей. Приклад застосування розроблених положень і рекомендацій для розв'язання виробничих задач подано у додатку Е, а результати виробничих випробувань та впровадження - у додатку Ж. Копія ліцензії (№499557) на програмний продукт LS-DYNA представлена у додатку К.

Висновки

У дисертаційній роботі на основі комплексного використання числових методів та сучасних положень теорії різання при створенні термомеханічних моделей процесів стружкоутворення розв'язано актуальну науково-практичну проблему прогнозування показників робочих процесів та конструкцій різального інструмента з використанням даних випробувань оброблюваного матеріалу при простих видах деформації та ортогональному різанні.

1. Використовуючи фундаментальні закони та критерії теорії пластичності, руйнування та трибології розроблена загальна методологія створення термомеханічних моделей робочих процесів різання, що здатні прогнозувати вид, форму та розміри стружки, силу різання, показники пластичної деформації, напружено-деформований та тепловий стан в об'ємі і на контактних границях заготовки, стружки та леза. Розв'язок визначальної системи рівнянь реалізовано методом скінченних елементів з урахуванням температурно-швидкісних ефектів і реалізацією конкуренції внутрішнього та зовнішнього механізмів тертя за заданими граничними умовами. Це забезпечує можливість отримання адекватних прогнозів названих показників процесу різання лише за даними стандартних випробувань на основі встановлення фундаментальних характеристик механічних і трибологічних властивостей оброблюваного та інструментального матеріалів.

2. На основі розробленої методології практично реалізовані 2D- та 3D-моделі ортогонального різання інструментами з довільною формою передньої поверхні. Особливість цих моделей, на відміну від інших, полягає у врахуванні температурно-швидкісних ефектів шляхом застосування ітераційних алгоритмів розрахунку напружень за визначальним рівнянням Джонсона-Кука, прогнозуванні моменту і характеру руйнування попереду різальної кромки виконуючи перевірку одночасно умов в'язкого та крихкого руйнування за критеріями відповідно накопичених руйнувань і максимальних головних напружень у кожному циклі розрахунку з паралельним перебудуванням скінченно-елементної сітки, визначенні сил опору ковзанню на контактних поверхнях за тиском, температурою та фактичним значенням границі плинності оброблюваного матеріалу в ньому.

3. Встановлено числовий вплив 21 фактора на похибку прогнозування показників процесу різання та доведено, що найбільшою мірою вона зумовлена невизначеністю границі плинності оброблюваного матеріалу, коефіцієнта його теплоємності, параметрів тертя, радіуса округлення різальної кромки, переднього кута та форми задньої поверхні. Зменшення похибки саме цих параметрів процесу різання зменшує похибку моделі в цілому. Внаслідок значної похибки вихідних даних дисперсія відтворення розрахунку становить близько 10% показника, який прогнозується, та порівнянна за величиною з дисперсією відтворення експерименту. Це свідчить про практичну неможливість у загальному випадку отримати розбіжність прогнозу показників процесу різання з експериментом, меншу за 15-20%.

4. Зменшення невизначеності механічних властивостей оброблюваного матеріалу в роботі досягнуто ідентифікацією законів зміцнення та в'язкого руйнування металів зі стандартних випробувань за умови їх апроксимації визначальним рівнянням і рівнянням пластичності, параметри яких визначаються апроксимацією комплексу даних випробувань на квазістатичне розтягання та стиск при нормальних і підвищених температурах, та ортогонального різання. Достовірність отриманих рівнянь при великих пластичних деформаціях, температурах та швидкостях деформації, що мають місце при різанні, забезпечується врахуванням під час розрахунку їх коефіцієнтів істинних величин напружень та деформацій в областях її локалізації у спеціальних зразках під час випробувань, що апробовано та доведено на практиці для чотирьох матеріалів різних груп.

5. Визначення адгезійної складової сили опору ковзанню при великих контактних тисках можливо з випробувань на вдавлювання сферичного індентора, що обертається, у півпростір. Методика, що розроблена в роботі, реалізує більш близькі до різання умови випробувань, ніж відомі методики, за рахунок забезпечення стабілізації мікрорельєфу та величини зміцнення контактних поверхонь за жорсткої схеми навантаження індентора при значному (10-30 обертів індентора) шляху тертя з малою відносною швидкістю ковзання. Врахування дійсного розподілу контактних напружень та величини деформаційної складової сили опору ковзанню забезпечило визначення лінійної моделі саме адгезійної складової тертя. Для чотирьох матеріалів різних груп експериментально визначені коефіцієнти лінійної моделі адгезійної складової тертя.

6. Неможливість експериментального розділення сили опору ковзанню при зовнішньому терті на адгезійну та деформаційну складові в роботі подолана шляхом застосування модельного експерименту методом скінченних елементів з відносного ковзання шорсткого пружного тіла відносно пружно-пластичного тіла в широкому діапазоні тисків, механічних властивостей матеріалів та параметрів мікрорельєфу поверхні індентора. Отримані за результатами випробувань залежності для визначення деформаційної складової коефіцієнта зовнішнього тертя та фактичної площі контакту дозволили встановити з модельних експериментів з ортогонального різання наявність значної частки деформаційної складової у силі опору ковзанню на ділянці зовнішнього тертя в області великих нормальних напружень. Зі зменшенням нормальних напружень збільшується роль адгезії, що зумовлює зростання коефіцієнта тертя при віддаленні від різальної кромки.

7. Проблему прогнозування утворення стружок різних видів вирішено шляхом застосування комплексного критерію руйнування одночасно за критеріями в'язкого (накопичених пошкоджень) та крихкого (максимальних головних напружень) руйнування із забезпеченням можливості адіабатичного знеміцнення та втрати сталості процесом пластичного деформування. Утворення стружки локалізованого зсуву у випадках малої швидкості різання окремих матеріалів, наприклад титанових сплавів, зумовлено деформаційним знеміцненням при високій швидкості деформації. Фізичним поясненням цього явища є додаткове підвищення швидкості зростання адіабатичної температури та спричинене цим знеміцнення внаслідок зменшення об'ємної теплоємності через утворення дефектів у деформованому об'ємі.

8. Основні проблеми реалізації прогнозуючих моделей процесу різання на практиці полягають у виборі нераціональної структури моделі, некерованості похибкою прогнозування досліджуваних показників, низькій сталості обчислюваного процесу. Розв'язок цих проблем у роботі забезпечено через розроблення і впровадження основних принципів практичної реалізації прогнозуючих моделей, які передбачають прогнозування допустимої похибки розрахунку показників процесу різання із врахуванням невизначеності вихідних даних, здійснення раціонального спрощення розрахункової схеми розв'язуваної задачі, визначення раціональних параметрів розв'язувача та порівняння результатів розрахунків з результатами натурного експерименту в еквівалентних умовах.

9. Від впровадження розроблених теоретичних положень та принципів практичного застосування прогнозуючих моделей процесів різання отримано ефект, який полягає у зменшенні шорсткості обробленої поверхні до Ra1,6 при розточуванні конусних глибоких отворів з найменшим діаметром 21 мм та довжиною 350 мм з кутом конуса 6 (ТОВ «НАСОСТЕХКОМПЛЕКТ», м. Суми), зменшенні основного часу на 41% при контурному фрезеруванні лопаток (АТ «РОТОР», м. Суми) за рахунок визначення за спрогнозованими даними про питомі сили різання та постійну часу стружкоутворення режимів різання, що забезпечують сталість названих процесів оброблення. Зменшення часу на впровадження нових відрізних інструментів на ВАТ «Сумське НВО ім. М. В. Фрунзе» (м. Суми) було забезпечено шляхом відкидання нераціональних конструкцій токарних пластин із заданого набору пропозицій за результатами моделювання стружкоутворення за розробленою 3D-моделлю ортогонального різання.

10. Розроблена методологія створення прогнозуючих моделей процесів різання методом скінченних елементів впроваджено в ІНМ ім. В. М. Бакуля НАН України (м. Київ), Фізико-технічному інституті НАН Білорусі (м. Мінськ), Інституті верстатів університету Штутгарта (Німеччина), на кафедрі технології машинобудування Севастопольського національного технічного університету. Результати роботи впроваджені у навчальний процес у чотирьох ВНЗ України.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Залога, В. А. Проскальзывание при нестационарном резании с малой толщиной среза/ В. А. Залога, Д. В. Криворучко //Вісник Сумського державного університету. -Суми: Вид-во СумДУ, 2003. -№ 2. -C. 55- 66.

Здобувачем було виконано дослідження впливу різних факторів на характер зміни сили різання зі зміною товщини зрізу при різанні округленим лезом.

Залога, В. А. Обзор способов экспериментального определения параметров уравнения состояния пластических материалов для моделирования методом конечных элементов их механической обработки/ В. А. Залога, Д. В. Криворучко // Резание и инструмент в технологических системах. -2005.-Вип.68.-С.193-202.

Здобувачем виконано аналіз способів експериментального визначення параметрів визначальних рівнянь матеріалів в умовах, що існують при обробці різанням.

Залога, В. А. О повышении работоспособности инструментов в условиях прерывистого и неравномерного резания / В. А. Залога, Д. В. Криворучко, Д.Е.Собокарь, О. А. Запорожец// Надійність інструмента та оптимізація технологічних систем. -Краматорськ: ДДМА, 2005. -№17. -С. 78-86.

Поставлено задачу, розроблено імітаційну модель переривчастого різання та визначено геометричні параметри леза, що забезпечують найменше динамічне навантаження на інструмент.

Залога, В. А. Имитационная модель прямоугольного свободного резания / В. А. Залога, Д. В. Криворучко, С. Н. Хвостик //Вісник Сумського державного університету. -Суми: Вид-во СумДУ, 2005. -№ 11. -C. 55-66.

Здобувачем розроблено математичну модель та програмне забезпечення 2D-моделювання процесу ортогонального різання.

Залога, В. О. До питання підтвердження адекватності скінченно-елементної моделі процесу прямокутного різання / В. О. Залога, Д. В. Криворучко, А. М. Сорокін// Надійність інструмента та оптимізація технологічних систем. -Краматорськ: ДДМА, 2006. -№19. -С. 18-23.

Здобувачем поставлено задачу, розроблено план розрахункового експерименту та виконано аналіз впливу похибок вихідних даних на загальну похибку прогнозування показників процесу різання.

Залога, В. А. Прогнозирование динамического состояния инструмента при концевом фрезеровании / В.А.Залога, Д.В. Криворучко, С. С. Емельяненко //Сучасні технології у машинобудуванні. -Харків:НТУ«ХПІ»,2006.-Т.2.-С.146-156.

Здобувачем поставлено задачу досліджень та сформульовано підхід до прогнозування динамічного стану фрез при кінцевому фрезеруванні.

Залога, В. А. О выборе уравнения состояния обрабатываемого материала для моделирования процесса резания методом конечных элементов / В. А. Залога, Д.В.Криворучко, С. Н. Хвостик // Вісник Сумського державного університету. -Суми: Вид-во СумДУ, 2006. -№12. - C. 101-115.

Здобувачем на основі аналізу переваг та недоліків різних визначальних рівнянь запропоновано форму визначального рівняння, що може бути застосована при моделюванні різання.

Криворучко, Д. В. К вопросу о перспективах моделирования методом конечных элементов процесса разрушения обрабатываемого материала (трещинообразования) при резании / Д. В. Криворучко, В. А. Залога, С. С. Некрасов //Сучасні технології у машинобудуванні. -Харків: НТУ "ХПІ", 2007. -C. 75- 86.

Здобувачем сформульовано задачу моделювання руйнування при різанні.

Залога, В. А. Применение методики прогнозирования устойчивости процесса концевого фрезерования к автоколебаниям для повышения производительности обработки конструкционных сталей / В. А. Залога, Д. В.Криворучко, С. С. Емельяненко // Надійність інструмента та оптимізація технологічних систем. -Краматорськ: ДДМА, 2007. -№22. -С. 178-186.

Здобувачем розроблено концепцію підвищення продуктивності обробки шляхом комп'ютерного моделювання процесу фрезерування.

Залога, В. А. К вопросу определения передаточной функции процесса резания при фрезеровании / В. А. Залога, Д. В.Криворучко, С. С. Емельяненко, Д. Г. Голдун // Вісник Сумського державного університету. -Суми: Вид-во СумДУ, 2007. -№ 1. -C. 80- 91.

Здобувачем поставлено задачу та виконано аналіз результатів розрахункових та експериментальних досліджень питомих сил різання при ортогональному різанні.

Криворучко, Д. В. Скінченно-елементна модель процесу різання. Підтвердження її адекватності експерименту / Д. В. Криворучко, В. О. Залога, С. С. Некрасов //Процеси механічної обробки в машинобудуванні. -Житомир: ЖДТУ, 2007. -Т. 1. -C. 60- 71.

Здобувачем поставлено задачу, розроблено план розрахункового експерименту та виконано аналіз впливу похибок вихідних даних на загальну похибку прогнозування показників процесу різання.

Криворучко, Д. В. Анализ современных методов численного моделирования тепловых явлений при резании материалов / Д. В. Криворучко, В. А. Залога, Н. П.Мазур //Сучасні технології у машинобудуванні. -Харків: НТУ «ХПІ», 2007. -C. 31- 42.

Здобувачем виконано аналіз сучасних модельних досліджень теплових явищ.

Залога, В. А. Имитационное моделирование процесса прерывистого резания керамическими инструментами, упрочненными ионно-лучевой имплантацией: постановка задачи / В. А. Залога, Д.В. Криворучко, В.Я. Лебедев //Резание и инструмент в технологических системах. -2008. -Вип. 75.- С. 123-128.

Здобувачем проаналізовані можливості створення моделі методом скінченних елементів щодо прогнозування впливу іонно-променевої імплантації на показники процесу різання.

Залога, В. А. Идентификация режима автоколебаний в технологической системе при фрезеровании концевыми фрезами / В.А. Залога, Д.В.Криворучко, С.С.Емельяненко // Труды Одесского политехнического университета. -Одесса, 2008. - Вып. 1(29). -С. 73-77.

Здобувачем поставлено задачі, розроблено моделі силової взаємодії леза фрези із заготовкою, запрограмовано алгоритм розрахунку діаграм динамічної сталості процесу фрезерування та виконано аналіз розрахунків для окремих умов оброблення.

Залога, В. А. Современные направления исследований в области имитационного моделирования процессов обработки резанием / В. А. Залога, Д. В. Криворучко, М.Сторчак // Сучасні технології у машинобудуванні. -Харків: НТУ „ХПІ”, 2008. -С.71 - 78.

Здобувачем проведено аналіз робочих процесів різання як об'єкта прогнозуючого моделювання та виявлені розбіжності у поглядах у сучасній теорії різання, у тому числі з погляду створення моделей з використанням числових методів.

Залога, В. А. Исследование методом конечных элементов динамики изменения силы резания при врезании / В. А. Залога, Д. В. Криворучко, М. Г. Сторчак, С.С. Емельяненко, С.М. Селивоненко// Вісник Сумського державного університету. -Суми: Вид-во СумДУ, 2008. - № 3. - С. 13-24.

Здобувачем поставлено задачі та виконано аналіз впливу різних факторів на постійну стружкоутворення.

Розенберг, О. А. Исследование работоспособности резцов из кубического нитрида бора при точении титанового сплава ВТ22 / О. А. Розенберг, В. А. Залога, Д. В. Криворучко, С. С. Некрасов, В. О. Сидоренко// Резание и инструмент в технологических системах. -2009. - Вип. 76. -С. 151-160.

Здобувачем розроблено план експериментальних досліджень питомих сил різання та виконано аналіз їх результатів.

Криворучко, Д. В. Исследование влияния параметров модели трения на распределение контактных напряжений, силы и температуры резания при механической обработке сталей / Д. В. Криворучко, В. А. Залога, О. А. Залога // Вісник НТУУ «КПІ». Серія Машинобудування. -2009. -№57. -С. 132-138.

Здобувачем поставлено задачу та розроблено план розрахункового експерименту, виконано аналіз результатів та встановлено вплив параметрів моделі зовнішнього тертя на контактні напруження, силу та температуру різання.

Залога, В. А. К вопросу об экспериментальном определении коэффициента трения / В.А.Залога, Д.В. Криворучко, О.А. Залога// Надежность инструмента и оптимизация технологических систем. - Краматорськ: ДДМА, 2009. -Вып.25. - С. 150-159.

Здобувачем виконано критичний огляд сучасних експериментальних можливостей визначення показників тертя.

Залога, В. А. Классификация задач моделирования процессов резания материалов / В. А. Залога, Д. В.Криворучко, С.С. Ковальчук // Сучасні технології в машинобудуванні. -Х.: НТУ «ХПІ», 2009. -Вип.3. - С. 186-196.

Здобувачем розроблена класифікація задач моделювання та запропоновано підхід до формалізації визначення припущень прогнозуючих моделей процесу різання.

Залога, В. А. Методика численной оценки показателей прочности обрабатываемого материала по его модели / В. А. Залога, Д. В. Криворучко, С. С. Некрасов //Компрессорное и энергетическое машиностроение.-2008-2009. - №4(14), 1(15). -С. 47-50.

Здобувачем поставлено задачі, розроблено конструкції пристроїв, методики, сплановано і проведено експерименти та встановлено нові закономірності щодо фізико-термомеханічних властивостей оброблюваних матеріалів.

Залога, В. О. Про вибір адекватних умов імітаційного моделювання процесу прямокутного різання / В. О. Залога, Д. В.Криворучко, С. М.Селівоненко, М. Г. Сторчак // Проектування, виробництво, експлуатація автотранспортних засобів і поїздів. -Львів, 2009.- Вип. 3. -С. 58-65.

Здобувачем розроблено 3D-модель прямокутного різання, проведені розрахункові та натурні експерименти, порівняні їх результати та встановлені умови порівнянності модельних досліджень з реальним процесом різання.

Криворучко, Д. В. Повышение производительности 3D-моделирования нестационарных процессов резания методом конечных элементов путем выбора рациональных параметров решателя / Д.В.Криворучко, В.А.Залога, А. Н. Сорокин //Високі технології в машинобудуванні. - Харків:НТУ«ХПІ»,2009.-Вип. 2(19). - C.48-55.

Здобувачем поставлено задачу, розроблено план розрахункового експерименту, виконано аналіз його результатів та сформульовано умови ефективного застосування розв'язувача LS-DYNA для моделювання 3D- процесів різання.

Залога, В. О. Прогнозування деформаційної складової сил тертя на контактних поверхнях різального інструмента / В.О.Залога, Д.В.Криворучко, О.О.Залога // Процеси механічної обробки в машинобудуванні. - Житомир: ЖДТУ, 2009. - №3 (50). - С. 38 - 45.

Здобувачем поставлено задачу, розроблено модель, план розрахункового експерименту та виконано аналіз результатів досліджень деформаційної складової сили тертя.

Залога, В. А. Перспективы создания прогнозирующей модели процесса резания на основе базового процесса - тангенциального точения/В. А. Залога, Д. В. Криворучко //Матеріали міжнародної науково-практичної конференції «Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я». -Харків: Курсор, 2005. -С.101 - 108.

Виконано порівняння робочих процесів різання та проаналізовано можливість та необхідність створення узагальненої моделі процесу різання.

Heisel, U. Cause Analysis of Errors in FE Prediction Orthogonal Cutting Performances/ U.Heisel, D. V. Kryvoruchko, V. A. Zaloha, M.Storchak // Proceedings of the 10th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations. -Calabria, 2007. -C.141-148.

Здобувачем поставлено задачу, розроблено план розрахункового експерименту, виконано аналіз його результатів та сформульовано умови ефективного застосування розв'язувача LS-DYNA для моделювання 2D-процесів різання.

Heisel, U. Finite Element Analysis of Cutting Force Dynamics / U.Heisel, D. V. Kryvoruchko, V. A. Zaloha, M. Storchak, S. S. Emelyanenko, S. N. Selivonenko //Proceedings of the 11th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations. -Gaithersburg: NIST, 2008. -C. 163- 170.

Здобувачем поставлено задачі та виконано аналіз результатів розрахункових досліджень динаміки зміни сил при ортогональному різанні.

Криворучко, Д. В. Моделирование процессов обработки материалов резанием / Д. В. Криворучко, В.А. Залога, Н.П. Кутовой //Оборудование и инструмент для профессионалов. -2009. -№6 (117).-С.20-23.

Здобувачем розроблено моделі ортогонального різання, відрізання, свердління та фрезерування.

Heisel, U. Thermomechanische Wechselwirkungen beim Zerspanen / U.Heisel, D. V. Kryvoruchko, V. A. Zaloha, M. Storchak, T.Stehle // ZWF.- 2009.-№ 4. -С.263-272.

Здобувачем виконано критичний огляд моделей тертя та сформульовано ті, що можуть бути застосовані під час моделювання різання.

Heisel, U. Bruchmodelle fьr die Modellierung von Zerspanprozessen/ U. Heisel, D. V. Kryvoruchko, V. A. Zaloha, M. Storchak, T.Stehle // ZWF.-2009.-№5.-С.330-339.

Здобувачем виконано огляд моделей руйнування при різанні та визначено ті, що можуть забезпечити одночасне прогнозування в'язкого та крихкого руйнування.

Heisel, U. Thermomechanische Materialmodelle zur Modellierung von Zerspanprozessen/ U. Heisel, D. V. Kryvoruchko, V. A. Zaloha, M. Storchak, T.Stehle // ZWF. - 2009. -№ 6. -С. 482-491.

Здобувачем виконано критичний огляд визначальних рівнянь та рівнянь стану та запропоновано використовувати модель Джонсона-Кука як базову під час моделювання різання металів.

Heisel, U. Die FEM-Modellierung als moderner Ansatz zur Untersuchung von Zerspanprozessen/ U. Heisel, D. V. Kryvoruchko, V. A. Zaloha, M. Storchak, T. Stehle // ZWF. - 2009. -№7-8. -С. 604-616.

Здобувачем виконано аналіз особливостей реалізації методу скінченних елементів при різанні та визначені елементи обчислювальної процедури, що підлягають удосконаленню.

Криворучко, Д. В. Моделирование процессов обработки материалов резанием / Д. В. Криворучко, М. Г. Сторчак, В. А. Залога //Оборудование и инструмент для профессионалов. -2009. -№4 (115). - С. 46-48.

Здобувачем розроблено моделі ортогонального різання, відрізання, свердління та фрезерування.

Криворучко, Д. В. Основи 3D-моделювання процесів механічної обробки методом скінченних елементів: навчальний посібник / Д. В. Криворучко, В.О. Залога, В.Г. Корбач. -Суми: Вид-во СумДУ, 2010. -208 с.

Здобувачем розроблено методологію прогнозуючого моделювання робочих процесів різання.

35.Heisel U. Modeling of Interaction Processes in Cutting [Електронний ресурс]/ U. Heisel, M. Storchak, D. V. Kryvoruchko, S. Braun // Proceedings of 2nd International CIRP Process Machine Interaction (PMI) Conference. -Vancouver: University of British Columbia, 2010. -8с.

Здобувачем досліджено процес ортогонального різання у податливій технологічній системі та доведено можливість прогнозування впливу технологічної системи на процес стружкоутворення.

Анотації

Криворучко Д. В. Научные основы моделирования процессов резания с использованием численных методов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.01 - процессы механической обработки, станки и инструменты. - Харьковский национальный университет «ХПИ», Харьков, 2010.

В диссертации представлено новое решение актуальной научно-технической проблемы прогнозирования показателей и определения на стадии проектирования оптимальных параметров рабочих процессов резания и конструкций режущего инструмента на основе данных испытаний при простых видах нагружения и ортогонального резания.

Показано, что практически во всех существующих до сих пор методологиях создания прогнозирующих моделей процесса резания, которые могут быть использованы для реализации концепции виртуального производства, в данное время используется целый ряд эмпирических допущений, которые исключают создание и практическое использование моделей в широком диапазоне условий резания - прогнозирующих моделей. С целью устранения этого существенного недостатка в работе предложен новый подход к проектированию прогнозирующих 2D- и 3D- моделей процесса резания, который предусматривает определение вида, формы и размеров стружки, границы контакта на контактных поверхностях лезвия и других показателей рабочего процесса исключительно на основе фундаментальных критериев и законов теории пластичности с применением метода конечных элементов в приложении к термомеханической пластической деформации и контактному взаимодействию инструмента с заготовкой, учитывая экспериментально определенные лишь из стандартных испытаний модели материалов (определяющее уравнение, уравнение состояния, теплофизические константы) и трибологические свойства заготовки и инструмента.

Разработана классификация задач прогнозирующего моделирования процессов резания и доказано, что производительность вычислений при решении этих задач прямо зависит от уровня детализации расчетной схемы. На уровне детализации «Лезвие» выполнены модельные и экспериментальные исследования контактного взаимодействия лезвия со стружкой и поверхностями на заготовке, которые позволили исключить предположение относительно величины и распределения сил сопротивления скольжению на контактных поверхностях инструмента путем прогнозирования методом конечных элементов соотношений между нормальными напряжениями, адгезионной и деформационной составляющими сил трения и распределением этих напряжений на контактных поверхностях.

Впервые формализованы подходы и разработана методология оценки достоверности прогнозирующих моделей процесса резания, которая состоит как в оценке корректности решения задачи, так и в оценке ее качественной и количественной адекватности.

Путем моделирования ортогонального резания, выполняя разделение влияний процессов деформирования, трения, разрушения и теплопередачи, доказано, что: а) деформационная составляющая силы трения сопоставима по величине с силой адгезионного сцепления; б) распределение напряжений на передней поверхности более всего зависит упрочения адгезионных связей с увеличением нормального давления; в) увеличение коэффициента трения при отдалении от режущей кромки обусловлено наличием сил адгезионного сопротивления скольжению, что приводит к замедлению уменьшения касательных напряжений при уменьшении нормальных напряжений, причем этот эффект тем больше, чем больше прочность адгезионных связей и их способность к упрочнению; г) образование стружек адиабатического сдвига при малых скоростях деформации обусловлено деформационным разупрочнением, которое возникает при больших скоростях деформации за счет уменьшения объемной теплоемкости; д) среди всех исходных данных самое большое влияние на погрешность прогнозирования показателей процесса резания имеют погрешности определения радиуса округления режущей кромки, кинематического переднего угла, формы задней поверхности, среднего коэффициента трения, предела текучести обрабатываемого материала и коэффициента его теплоемкости; е) дисперсия воспроизведения расчетов составляет около 10% прогнозируемого показателя и сопоставима по величине с дисперсией воспроизведения эксперимента, что является следствием погрешности подготовки исходных данных.

Сформулированы основные принципы практического применения прогнозирующих моделей процесса резания, которые предусматривают прогнозирование допустимой погрешности расчетов показателей процесса резания, осуществление рационального упрощения расчетной схемы решаемой задачи, определение рациональных параметров решателя и сравнение результатов расчетов с результатами натурного эксперимента в эквивалентных условиях.

Разработанные теоретические положения и принципы практического применения прогнозирующих моделей рабочих процессов резания продемонстрированы на примерах моделей в среде LS-DYNA процессов ортогонального резания, точения инструментами со сложной передней поверхностью и фрезерования.

Ключевые слова: теория резания, процесс механической обработки, математическая модель, стружка, сила резания, температура, пластическая деформация, трение, разрушение, метод конечных элементов.

Криворучко Д. В. Наукові основи моделювання процесів різання з використанням числових методів. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - процеси механічної обробки, верстати та інструменти. - Національний технічний університет «ХПІ», Харків, 2010.

У дисертації розроблені наукові основи побудови 2D- та 3D-скінченно-елементних прогнозуючих моделей процесів різання і вирішена науково - технічна проблема підвищення ефективності механічної обробки шляхом прогнозування показників цих робочих процесів без проведення експериментальних досліджень безпосередньо з різання в умовах, що досліджуються. Шляхом моделювання ортогонального процесу різання, виконуючи розділення впливів процесів деформування, тертя, руйнування та теплопередачі, вивчені: співвідношення між деформаційною та адгезійною складовими сил тертя; можливість деформаційного знеміцнення за рахунок зменшення об'ємної теплоємності; вплив похибок відтворення вихідних даних на похибки прогнозування показників процесу різання. Розроблені теоретичні положення й принципи підвищення ефективності робочих процесів різання продемонстровані на прикладах прогнозуючого моделювання в середовищі LS-DYNA процесів ортогонального різання, точіння інструментами зі складною передньою поверхнею й фрезерування.

Ключові слова: теорія різання, процес механічної обробки, математична модель, стружка, сила різання, температура, пластична деформація, тертя, руйнування, метод скінченних елементів.

Kryvoruchko D. V. Scientific backgrounds of machining simulation using numeric methods. - Manuscript.

Thesis for doctor degree in technical sciences by specialty 05.03.01 - machining operations, machines and tools. - National Technical University "KhPI", Kharkiv, 2010.

In the thesis the scientific backgrounds for designing of 2D and 3D finite element models of the cutting processes are developed. Important scientific and technical problem of improving the machining efficiency by prediction of machining operation performances without conducting experimental research directly of the cutting. The ratio between the deformation and adhesion component of friction forces, the possibility of deformation softening under high strain rate by reduction of the volume heat capacity, the impact of errors in input variable values on errors of predicted performance of the cutting process are studied by simulation of orthogonal cutting following the separation of the effects of deformation, friction, heat and failure. Developed theories and principles for machining efficiency increasing shown by the examples of simulation of orthogonal cutting, turning with complex rake face tools and milling in LS-DYNA.

Keywords: cutting theory, mathematical model, chip, cutting force, temperature, plastic strain, friction, failure, finite element method.

Размещено на Allbest.ru