Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2015

Для визуализации вихрей, полученных с помощью данного модельного генератора, использовались два метода: дымовая визуализация и метод «лазерного ножа». Дымовая визуализация основывается на добавлении в генератор струи дымы, после запуска удается увидеть дымовое вихревое кольцо. Однако при этом методе затруднено определение действительных размеров вихревого кольца, так как не удается различить ядро на фоне турбулентности в атмосфере вихревого кольца. Метод лазерного ножа основывается на рассечении плоским лучом света течения, подкрашенного дымом. В результате на основе рассеяния излучения на частицах дыма удается увидеть картину течения в сечении вихревого кольца.

Съемка образовавшихся вихревых колец производилась с помощью камеры с частотой 120 кадров/с и разрешением 1280×720 точек. Произведенная съемка вихревого кольца позволила зафиксировать вихревое кольцо в различные моменты времени. Также удалось произвести предварительную оценку свойств вихревого кольца в начальные моменты времени, результаты представлены в таблице.

Свойства вихревого кольца в начальный момент времени

Для определения начальной скорости использовались две контрольные точки – на расстоянии 125 и 175 мм от среза сопла. В данных точках фиксировалось положение вихревого кольца от среза сопла. Точки выбирались в соответствии с экспериментами [5]. Скорость оценивалась исходя из выражения

U0 xt ,

где x – расстояние между положениями вихря в моменты времени t1 и t2; t = t2 – t1 – разность времени между контрольными точками. Начальный диаметр вихревого кольца оценивался в первой контрольной точке.

251

Библиографический список

1.Разработка генератора вихревых колец со сменными сопловыми насадками / И.В. Храмцов, П.В. Писарев, В.В. Пальчиковский, Р.В. Бульбович, В.В. Павлоградский // Актуальные проблемы современного машиностроения: сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. / Юрг. технол. ин-т. – Томск, 2014. –

С. 194–199.

2.Численный анализ газодинамических характеристик верхнего кольца / И.В. Храмцов, П.В. Писарев, В.В. Пальчиковский, Р.В. Бульбович, В.В. Павлоградский // Актуальные проблемы современного машиностроения: сб. тр. Междунар. науч.- практ. конф. / Юрг. технол. ин-т. – Томск, 2014. – С. 186–190.

3.Моделирование формирования и динамики вихревого кольца / И.В. Храмцов, П.В. Писарев, В.В. Пальчиковский, Р.В. Бульбович // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2014. – № 39. – С. 127–144.

4.Храмцов И.В., Писарев П.В., Пальчиковский В.В. О численном исследовании размеров закона движения вихревого кольца // Математическое моделирование в естественных нау-

ках. – 2015. – Т. 1. – С. 461–463.

5.Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф. О смещении пика в спектре излучения вихревого кольца // Ученые записки ЦАГИ. – 1998. –

Т. XXIX, № 3–4. – С. 83–91.

252

УДК 621.922.3

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ СОЗДАНИЯ АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА С УПОРЯДОЧЕННО-ОРИЕНТИРОВАННЫМИ В РАБОЧЕМ СЛОЕ ЗЕРНАМИ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

А.С. Дударев, В.И. Свирщёв, С.П. Захарова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

e-mail: dudarev@pstu.ru

Показана актуальность создания надежного алмазного инструмента для операций механической обработки полимерных композиционных материалов. Среди различных путей совершенствования характеристик инструмента отмечено влияние на режущие свойства алмазоносного слоя форм и ориентации алмазных зерен. Управлением характеристиками рабочего слоя инструмента (формой, расположением, ориентацией алмазных зерен) возможно влиять на показатели срока службы алмазного инструмента и качества обрабатываемых поверхностей.

Ключевые слова: алмазный инструмент, сверление, фрезерование, полимерный композиционный материал, зерно, царапание, сверхтвердый материал.

Современные отечественные образцы авиационной и ра- кетно-космической техники содержат последние мировые разработки в области самолето- и двигателестроения, предусматривающие применение значительного объема полимерных композиционных материалов (ПКМ). Так, в конструкции среднемагистрального самолета МС-21 широко используются современные материалы, в том числе композиционные, доля которых составляет 40 % [1]. Для этого самолета в пермском двигателе ПД-14 мотогондола также выполнена из ПКМ [2].

Машиностроительные предприятия в РФ, изготавливающие агрегаты и узлы для самолетов МС-21, двигателей ПД-14, такие

253

как АО «Пермский завод «Машиностроитель» (г. Пермь), ОАО «УНИИКМ» (г. Пермь), АО «Авиастар-СП» (г. Ульяновск), в механообрабатывающем производстве ПКМ используют лезвийный и алмазный режущий инструмент. Доля применения алмазного инструмента из синтетических алмазов, так называемых сверхтвердых материалов (СТМ), в последние годы возрастает, причем не только для операций шлифования, но и для операций сверления и фрезерования.

Причинами расширения сферы использования алмазного инструмента являются, во-первых, его технологические возможности в повышении производительности обработки и улучшение показателей качества обработанных поверхностей ПКМ. Во-вторых, применение фасонных алмазных фрез и кругов открывает широкие возможности для фрезерования и шлифования сложных поверхностей изделий. На этапе конструкторскотехнологической подготовки производства алмазный фасонный инструмент возможно спроектировать и изготовить практически любого профиля.

Внастоящее время характерно возрастание требований как

кпоказателям процессов сверления, фрезерования, шлифования, так и к характеристикам инструмента. Определяющим этого являются основные концепции построения современного обрабатывающего оборудования, которое становится все более универсальным, скоростным и др. Поэтому к инструменту, помимо возможностей высокопроизводительной обработки, высокие требования предъявляются к точности положения режущего профиля и размерной стойкости.

Вследствие вышеизложенного в последнее время наблюдается повышенный интерес к исследованию структуры алмазного или абразивного рабочего слоя инструмента, включающий изучение расположения, ориентации, объемно-поверхностного распределения большого количества алмазных или абразивных зерен, формирующих режущий рельеф [3, 4].

Из литературы известно [5], что основные показатели процесса шлифования связаны со структурным строением шлифо-

254

вального инструмента. Это одновременно определяет качество обработки, производительность и стойкость инструмента.

Алмазное фрезерование и сверление ПКМ по модели структурного строения нанесенного (осажденного) рабочего алмазного слоя инструмента соответствует модели шлифования, причем по физической природе происходит не столько микрорезание, сколько механическое скалывание волокон ПКМ.

Расположение алмазных зерен в рабочем слое инструмента является случайным, а их выступание подчиняется различным законам распределения. Если рассматривать положение зерен по высоте, то наиболее выступающие зерна из-за высоких нагрузок резания либо ломаются, либо вырываются из связки, при этом они не только не принимают участия в процессе резания, но и зачастую портят обрабатываемую поверхность ПКМ, оставляя на ней глубокие царапины и сколы. В работе [6] описано имеющее место противоречие, когда для обеспечения высокого качества обработки необходимо уменьшать зернистость используемых алмазных зерен, а для повышения производительности, наоборот, увеличивать ее.

Зерна, выступающие из связки меньше определенной величины, также не способствуют повышению эффективности процесса механической обработки из-за очень незначительной толщины срезаемого слоя – они интенсивно изнашиваются по задней поверхности и быстро затупляются, участвуя, таким образом, не столько в процессе резания с эффектом царапания, сколько в процессе трения с обрабатываемой поверхностью ПКМ, дополнительноповышаяинтенсивностьтепловыделениявзонеобработки.

Таким образом, совершенствование и повышение эффективности процессов обработки требует разработки и использования принципиально нового алмазно-абразивного инструмента. Алмазным инструментом нового поколения является инструмент с упорядоченной структурой, что позволяет достичь необходимых физико-механических и функциональных показателей конкретных зон рабочего слоя инструмента и таким образом обеспечить указанные выше требования.

255

Анализ рынка инструмента показывает, что среди алмазного инструмента начинают появляться алмазные круги нового поколения, у которого алмазные зерна расположены не произвольно в связке. Появились работы [3, 7, 8], посвященные разработке многослойных шлифовальных инструментов со спеченным рабочим слоем и упорядоченным расположением зерен СТМ.

Для создания нового алмазного инструмента для обработки ПКМ необходимо провести комплекс работ, предусматривающий решение следующих задач:

–классификации различных форм алмазных зерен;

–определение характеристик упорядоченного алмазоносного слоя;

– разработка вопросов теории обработки инструментом

супорядоченными и ориентированными зернами;

–установление показателей процессов алмазного сверления, фрезерованияи показателей качестваобработанного слояПКМ;

–разработка способа и оборудования для сортировки алмазных зерен по форме для групп зернистости;

–разработка способа изготовления алмазного инструмента

сконтролируемой формой зерен;

–разработка способа изготовления алмазного инструмента

сзаданной упорядоченной ориентацией зерен;

–разработка и создание режущего инструмента с упорядоченным и ориентированным расположением алмазных зерен;

–исследования эксплуатационных показателей инструмента с контролируемой ориентацией зерен.

Решение указанных задач приведет к повышению стойкости алмазонесущего слоя, повышению качества обработанной поверхности ПКМ.

Библиографический список

1. МС-21: передовые технологии [Электронный ресурс]. – URL: http://www.irkut.com/products/16/242/ (дата обращения 06.11.2015).

256

2.Сайт ОАО «Авиадвигатель». – URL: http://www.avid.ru/ pd14/ (дата обращения: 06.11.2015).

3.Исследование особенностей спеченного композита с упорядоченной структурой / В.И. Лавриненко, О.О. Пасичный, Б.В. Сытник [и др.] // Процеси механічної обробки в маши-

нобудуванні. – 2009. – Вып. № 7. – С. 105–112.

4.Коротков В.А. Повышение эксплутационных возможностей отрезных шлифовальных кругов на основе использования зерен с контролируемой формой и ориентацией: автореф. дис. … канд. техн. наук. – Томск, 2008. – 18 с.

5.Маслов Е.Н., Постникова Н.В. Основные направления

вразвитии теории резания абразивным, алмазным и эльборовым инструментом. – М.: Машиностроение, 1975. – 48 с.

6.Дударев А.С. Конструкции сверл и фрез для алмазноабразивной обработки стеклопластиков и углепластиков // Из-

вестия ТулГУ. – 2012. – № 1. – С. 361–370.

7.Коротков В.А., Минкин Е.М. Геометрия и напряженное состояние ориентированных шлифовальных зерен с контролируемой формой // Обработка металлов. – 2014. – № 2. – С. 62–77.

8.Коротков В.А., Видин Д.В., Рыжикова А.В. Лабораторное оснащение и методика количественной оценки формы шлифованных зерен // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2015. – № 3. – С. 71–76.

257

УДК 669.017:539.4

ЧИСЛЕННОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ АВИАСТРОЕНИЯ

Д.А. Билалов, М.А. Соковиков, Ю.В. Баяндин, В.В. Чудинов, О.Б. Наймарк

Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия e-mail: ledon@icmm.ru

Исследование посвящено экспериментальному и численному изучению прочностных характеристик перспективных материалов авиастроения при динамическом нагружении на примере задачи пробивания преград ударником. На базе широкодиапазонных определяющих соотношений была построена математическая модель, описывающая поведение металлов в условиях высокоскоростного деформирования. Предложен критерий разрушения в терминах тензор-значного параметра поврежденности. Проведено трехмерное численное моделирование процесса пробивания преграды ударником и выноса «пробки» в пакете прикладных программ Abaqus. Результаты моделирования находятся в удовлетворительном соответствии с экспериментальными данными.

Ключевые слова: численное моделирование, динамическое нагружение.

Работа посвящена численному моделированию процесса пробивания преград из алюминиевого сплава АМг6 и стали. Соответствующая экспериментальная схема изображена на рис. 1. При помощи газовой пушки разгоняют цилиндрический снаряд (ударник), который пробивает цилиндрическую мишень, выбивая из нее «пробку» (рис. 2).

Для моделирования вышеуказанного процесса использовалась модель деформируемого твердого тела с дефектами [1, 2]. Полная система уравнений имеет следующий вид:

258

Рис. 1. Схема установки для испытания образцов на пробивание: 1 – камера высокого давления; 2 – ствол; 3 – фотодатчики; 4 – поддон; 5 – ударник; 6 – отсекатель; 7 – рама; 8 – устройство для крепления мишени; 9 – мишень; 10 – приемнаякамера; 11 – улавливатель

и состоит из: уравнения движения (1), уравнения неразрывности (2), геометрического уравнения (3), определяющих соотношений (4)–(7) и уравнения тепловыделения (8).

В (1)–(8) приняты следующие обозначения: E – единичный тензор, ρ – плотность материала; v – вектор скорости; σ – тензор напряжений; σs , σd – его шаровая и девиаторная части;

ε – тензор скорости деформации; εp – пластическая составляющая тензора скорости деформации; p – тензор плотности микродефектов; λ и G – упругие константы материала; T – температура; Cp – теплоемкость; F – свободная энергия, которая является функцией от p, σ; l1, l2, l3 – положительные кинетические коэффициенты, в общем случае зависящие от параметров состояния, удовлетворяющие следующему соотношению: l1l3 – l2l2 > 0.

Система уравнений (1)–(8) решалась численно в конечноэлементном пакете прикладных программ Abaqus. Для этого уравнения (4)–(8) были внедрены в Abaqus при помощи пользовательской подпрограммы. При проведении трехмерного численного моделирования использовался следующий критерий

разрушения: p132 p122 p232 pc , где pc – характерное значе-

ние интенсивности сдвиговых компонент тензора плотности микродефектов, при котором наступает разрушение.

В качестве граничных условий были заданы нулевые перемещения по всем направлениям на боковой поверхности мишени. Для остальных поверхностей мишени (лицевая и тыльная) задавались условия свободной границы. Начальные условия для всей мишени были однородными и нулевыми. Для моделирования соударения в начальный момент времени ударник устанавливался впритык к мишени, и ему присваивалась начальная скорость, известная из эксперимента (скорость соударения).

260