Введение. Нежесткая деталь – деталь, которая деформируется до такой степени, что в свободном состоянии выходит за пределы допусков размеров и/или формы и расположения, относящихся к детали в закрепленном состоянии.
Влияние остаточных напряжений сказывается на точности детали через их перераспределение в заготовке по мере ее обработки и в готовой детали. Основной причиной возникновения остаточных напряжений является неоднородность деформированного состояния ввиду различного изменения объема в разных зонах тела.
В процессе предварительной обработки при черновой обдирке отливки и, особенно, при неравномерном снятии припуска, происходит перераспределение остаточных напряжений, сопровождаемое короблением заготовки. Для релаксации напряжений и прекращения процесса коробления заготовки после обработки подвергают естественному или искусственному старению. Естественное старение производится несколько суток, месяцев или даже лет [1, 2].
Для получения деталей с необходимыми параметрами точности используют методику обработки с несколькими получистовыми и чистовыми проходами для нивелирования коробления заготовки после черновой обработки и естественного старения [3].
Целью данной работы являлось определение технологического подхода для процесса фрезерной обработки, который приведет к снижению деформаций заготовки в процессе производства, что положительно скажется на величине отклонений контролируемых размеров и снижению времени обработки, а также применение методики интерпретирования внутренних напряжений заготовки во внешнюю нагрузку, для получения приближенных значений отклонений геометрических параметров на промежуточных этапах обработки.
Методология. Изучение технологического подхода и методики моделирования построено на примере обработки детали «Фланец», применяемой в авиастроительной отрасли (рис. 1).
Материал исследуемой заготовки В95.Т1 – закаленный сплав алюминия, содержащий в составе цинк, магний и медь, в искусственно состаренном состоянии при t=125 ºC [4].
Габариты изделия 448×360×195 мм. Средняя толщина стенок 5±0,5 мм.
Структурные изменения материала заготовки, сопровождаются перераспределением остаточных напряжений [5].
Рис. 1. Общий вид детали «Фланец»
Контроль готовой детали производится на поверочном столе, применяется измерительное оборудование c использованием комплексного ПО Autodesk PowerInspect.
Моделирование фрезерной обработки выполнено в САПР NX CAM с использованием стратегии «Cavity Mill» (глубинное фрезерование по уровням) в автоматическом режиме с постоянным остаточным припуском для черновых проходов 5 мм, для получистовых 0,3 мм и с окончательной контурной обработкой.
Основная часть. Базовый технологический процесс подразумевает снятие основной массы припуска при черновой обработке за одну операцию концевого фрезерования с остаточным припуском 5 мм, и последующим естественным старением на открытом воздухе в течении 7–10 дней [6] (рис. 2).
Рис. 2. Заготовка после черновой обработки
При снятии припуска с заготовок, имеющих остаточные напряжения, распределение последних изменяется. После снятия заготовки деформируются до наступления равновесного состояния оставшихся в них остаточных напряжений. Уровень остаточных напряжений и величина снимаемого припуска прямо пропорционально деформации заготовки.
Возникающие непосредственно при обработке концевыми фрезами остаточные напряжения также вызывают деформации заготовок после их раскрепления. Наиболее существенны деформации для маложестких заготовок с несимметричным профилем, для которых осуществляется снятие разных по величине припусков с противоположных сторон с противоположных сторон которых снимаются разные припуски.
Предварительные измерения базовой поверхности в продольном (рис. 3а) и поперечном (рис. 3а, 3б) направлениях после операции черновой обработки на первом установе показали, что заготовка теряет свои первоначальные геометрические параметры. Это указывает на изменения внутренних напряжений в теле заготовки.
Последующее прослабление заготовки путем снятия материала изменяет отклонения поверхностей в большую сторону. Черновая обработка обратной стороны заготовки приводит к аналогичным результатам. Дальнейшая получистовая и чистовая обработка направлена на приведение деформируемых элементов обрабатываемой заготовки к требуемым параметрам допусков на детали. Базовый технологический процесс подразумевает дальнейшую обработку в 8 установов, с перебазированием заготовки на другую сторону для каждой получистовой и чистовой операции.
Для исключения деформации заготовки в сторону удаленного материала используют комбинированную вакуумную объёмную оснастку, фрезы малого диаметра на чистовых проходах. Эти методы снижают вероятность деформации заготовки, при этом увеличивая основное и вспомогательное время обработки детали [7].
а) б)
Рис. 3. Изменение геометрии базовой плоскости после черновой обработки:
а) поперечный прогиб в сторону снятого материала, б) продольный прогиб в сторону снятого материала
Контроль параметров готовой детали выполняются на поверочном столе c использованием комплексного ПО Autodesk PowerInspect, который позволяет выводить отчет об измерениях в виде карты точек с величинами отклонений [8–10] (рис. 4, 5).
Производится измерение радиальной поверхности 
мм.
Анализируя данные, полученные при измерении, можно сделать выводы о том, что максимальные значения отклонений увеличиваются к верхнему краю детали, достигают значения -0,723 мм. Такой результат согласовывается с полученными данными после предварительного измерения после первого чернового прохода.
Наиболее достоверные методы изучения внутренних напряжений – механические, но при их использовании происходит разрушение или повреждение исследуемой заготовки, при этом также подразумевается проведение ряда измерений, для получения объемной картины исследования. Принимая во внимание дороговизну заготовки и детали, подобные методы в описываемом случае применить не имеется возможности. Аналитические методы сравнительно просто реализуются только для моделей простой геометрической формы [11].
Для исследования снижения влияния внутренних напряжений заготовки на получаемый размер, заключающийся в изменении конструкции заготовки для черновых и получистовых проходов, использован метод интерпретирования отклонений размера в перемещение узлов детали при нагружении, используя САПР Siemens NX и программный модуль Nastran для конечно-элементного анализа [12].
Рис. 4. Карта точек измерения PowerInspector
Рис. 5. Отчет PowerInspector с результатами измерения
Так как моделирование распределения остаточных напряжений внутри заготовки достаточно осложнено, используется приведение напряженного состояния заготовки к полученным значениям результатов измерения детали из партии способом внешнего нагружения, с соблюдением закрепления детали при измерении на поверочном столе.
Этот метод интерпретирования позволяет получать приближенные значения отклонений геометрических параметров детали с изменением конструктивных элементов при известных параметрах исходной детали.
Производится моделирование нагрузки на исходную деталь [13–16]. Ограничения определяются базированием заготовки при контроле на поверочном столе. Нагрузка определяется методом подбора исходя из результатов измерений.
В качестве граничного условия, для ограничения смещения модели твердого тела используется жесткая заделка по поверхности опорного фланца. Применяемая нагрузка - геометрически распределенная сила по исследуемому элементу (рис. 6). Сила определена эмпирическим методом и составляет F=1800 Н.
Согласно заданным условиям производится решение системы уравнений линейного статического анализа методами NX Nastran, для определения напряженно-деформированного состояния контролируемого изделия.
Результат нагружения детали – перемещение узлов детали на исследуемом конструктивном элементе приближен к значениям и положению отклонений из отчета Autodesk PowerInspect, полученным при контрольной операции изготовления (рис. 7).
Рис. 6. Схема нагружения исследуемой детали
Рис. 7. Интерпретация отклонений размеров детали в НДС как деталь с нагружением
Уменьшение отклонений предполагается путем добавления ребер жесткости на поверхности заготовки, в сторону которой происходит перераспределение внутренних напряжений при черновом и получистовом снятии основного припуска, для удержания напряженно-деформированного состояния заготовки в ходе обработки, с последующим удалениям на финальных этапах обработки [17] (рис. 8).
Влияние параметров добавленных элементов жесткости на величину отклонений в данной статье не рассматривается.
Конечно-элементный анализ для детали с измененной конструкцией производится аналогично детали с исходной конструкцией при одинаковых параметрах граничных условий и нагружения (рис. 9).
Рис. 8. Измененная конструкция заготовки для черновых и получистовых проходов
Рис. 9. Нагружение заготовки с измененной конструкцией
Результат конечно-элементного анализа детали с измененной конструкцией отображает перераспределение зон нагружения и снижение максимальных значений перемещения узлов детали. Максимальные значения перемещения узлов составляет 0,249 мм.
Для сравнения результатов отклонений, производится обратное интерпретирование полученных значений перемещений узлов к значениям, полученным при измерении детали на поверочном столе для детали с измененной конструкцией. Результат сравнения значений с исходным значением отклонения (Δ≈0,723 мм) отображает, что снижение отклонений заготовки при применении ребер жесткости для заготовки может достигать 65 %.
Выводы. 1. Предложенный метод интерпретирования внутренних напряжений заготовки во внешнюю нагрузку позволяет теоретически получать приближенные значения отклонений геометрических параметров на промежуточных этапах и позволяет корректировать стратегию механической обработки в направлении минимизации погрешности в ходе этапа отладки технологии при отсутствии возможности непосредственной обработки или при выполнении пробной обработки.
2. Показано, что использование методики с увеличением жесткости промежуточных заготовок на этапе черновой и получистовой обработки приводит к снижению влияния коробления отливки на величину отклонений итоговых размеров детали.
3. Уменьшение погрешности контролируемых размеров на промежуточных операциях обработки приводит к уменьшению всего времени обработки, за счет сокращения необходимого количества чистовых проходов, а также времени старения заготовки после чернового снятия припуска.
