Том 25 № 3 2023 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Моделирование процесса прокатки слоистого композита АМг3/ Д16/АМг3............................................................................................................................................................ 6 Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Экспериментальные исследования режимов скоростного шлифования рельсов.................................................................................................... 19 Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Концепция микромоделирования процесса соединения разнородных материалов пластической деформацией.......................................................................................................... 36 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Тратия Д.K., Шеладия М.В., Ачарья Г.Д., Ачарья Ш.Г. Разработка экономичной конструкции коленчатого вала механического пресса с С-образной станиной на основании результатов анализа топологии............................................................................................................................................................ 50 Скиба В.Ю., Вахрушев Н.В., Титова К.А., Черников А.Д. Рационализация режимов поверхностной закалки ВЭН ТВЧ рабочих поверхностей пуансона в условиях гибридной обработки............................. 63 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Руктуев А.А., Юргин А.Б., Шикалов В.С., Ухина А.В., Чакин И.К., Домаров Е.В., Довженко Г.Д. Структура и свойства композиционного покрытия на основе высокоэнтропийного сплава, упрочненного частицами CrB.................................................................................................................................... 87 Майтаков А.Л., Грачев А.В., Попов А.М., Ли С.Р., Ветрова Н.Т., Плотников К.Б. Исследование рассеяния энергии и жесткости сварных соединений стыковой сварки давлением................................... 104 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний волокнистого полимерного композита на основе обработанных волокон муньи........................................ 117 Прибытков Г.А., Барановский А.В., Коржова В.В., Фирсина И.А., Кривопалов В.П. Синтез интерметаллидов системы Ti–Fe из смесей элементарных порошков......................................................... 126 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний полимерного композита на основе переплетенных обработанных волокон джута..................................... 137 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 152 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 163 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 06.09.2023. Выход в свет 15.09.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 20,5. Уч.-изд. л. 38,13. Изд. № 167. Заказ 245. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 3 2023 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 3 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Salikhyanov D.R., Michurov N.S. Simulation of the rolling process of a laminated composite AMg3/ D16/AMg3.......................................................................................................................................................... 6 Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of high-speed grinding rails modes.......................................................................................................................................................... 19 Salikhyanov D.R., Michurov N.S. The concept of microsimulation of processes of joining dissimilar materials by plastic deformation......................................................................................................................... 36 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Tratiya D.K., Sheladiya M.V., Acharya G.D., Acharya S.G. Economical crankshaft design through topology analysis for C type gap frame power press SNX-320.......................................................................... 50 Skeeba V.Yu., Vakhrushev N.V., Titova K.A., Chernikov A.D. Rationalization of modes of HFC hardening of working surfaces of a plug in the conditions of hybrid processing................................................................ 63 MATERIAL SCIENCE Ruktuev A.A., Yurgin A.B., Shikalov V.S., Ukhina A.V., Chakin I.K., Domarov E.V., Dovzhenko G.D. Structure and properties of HEA-based coating reinforced with CrB particles.................................................. 87 Maytakov A.L., Grachev A.V., Popov A.M., Li S.R., Vetrova N.T., Plotnikov K.B. Study of energy dissipation and rigidity of welded joints obtained by pressure butt welding................................................... 104 Singh S.P., Hirwani C.K. Analysis of mechanical behavior and free vibration characteristics of treated Saccharum munja fi ber polymer composite...................................................................................................... 117 Pribytkov G.A., Baranovskiy A.V., Korzhova V.V., Firsina I.A., Krivopalov V.P. Synthesis of Ti–Fe intermetallic compounds from elemental powders mixtures.............................................................................. 126 Singh S.P., Hirwani C.K. Free vibration and mechanical behavior of treated woven jute polymer composite............................................................................................................................................................ 137 EDITORIALMATERIALS 152 FOUNDERS MATERIALS 163 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 50 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Разработка экономичной конструкции коленчатого вала механического пресса с С-образной станиной на основании результатов анализа топологии Даршан Тратия 1, a, *, Маноджкумар Шеладия 1, b, Ганшьям Ачарья 1, c, Шейли Ачарья 2, d 1 Университет Атмия, г. Раджкот, 360005, Индия 2 Технологический институт им. Сардара Валлаббхай Пателя, филиал Гуджаратского технологического университета, г. Васад, 388306, Индия a https://orcid.org/0000-0002-0573-6880, tratiyadarshan@gmail.com, b https://orcid.org/0000-0002-9154-3355, mvsheladiya@gmail.com, c https://orcid.org/0000-0002-3580-3116, ghanshyam.acharya@atmiyauni.ac.in, d https://orcid.org/0000-0001-6428-8961, shailee.acharya@gmail.com Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 3 с. 50–62 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-50-62 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Прессы представляют собой приводные механизмы со стационарными станинами и ползунами, которые передают скользящее движение по направлению к столу и от него, направляемое стойками. С помощью механических прессов ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.73+ 624.042 История статьи: Поступила: 31 мая 2023 Рецензирование: 06 июня 2023 Принята к печати: 07 июля 2023 Доступно онлайн: 15 сентября 2023 Ключевые слова: Расчет коленчатого вала на прочность Система автоматизированного проектирования Анализ методом конечных элементов Анализ топологии Благодарности Группа авторов глубоко признательна г-ну Аджиту Сингху Чавла, управляющему директору Singhal Power Presses Pct. ltd., Раджкот, Гуджарат, Индия, за предоставление поддержки и оборудования для исследовательской работы, а также г-ну Шиванга Джани, доценту кафедры машиностроения Университета Атмия, Раджкот, Гуджарат, Индия, за необходимое руководство. АННОТАЦИЯ Введение. Прессы представляют собой приводные механизмы со стационарными станинами и ползунами, которые передают скользящее движение по направлению к столу и от него, направляемое стойками. Механический пресс позволяет выполнять следующие операции с металлом: пробивку, вырезку, гибку, вытяжку и пр. Коленчатый вал является одним из основных компонентов передачи мощности, он преобразует вращательное движение привода в поступательное движение ползуна. Именно вокруг этого элемента и сосредоточены все напряжения и деформации. Цель исследования: рационализация конструкции коленчатого вала с учетом прочностных характеристик стоек, соединительных винтов и стяжных колонок. Методы включают в себя два этапа разработки конструкции коленчатого вала: 1) создание модели посредством автоматизированного проектирования; 2) анализ методом конечных элементов в программе Ansys-22R1. Существующая, а также улучшенная конструкции коленчатого вала исследованы методом КЭА с анализом топологии. Топология является частью КЭ-анализа, а также генеративного проектирования. Результаты и обсуждения. Конструкция коленчатого вала, включающая в себя подшипниковый узел, во многом зависит от максимального давления, которое будет создано в нижней точке хода, и это тщательно учитывается при проектировании других частей прессов. На основе результатов анализа топологии конструкции коленчатого вала было выявлено, что увеличение прочности данного конструктивного элемента возможно за счет добавления дополнительного материала в области потенциального разрушения. В ходе исследования удалось разработать рациональную конструкцию коленчатого вала с повышенными механическими свойствами по сравнению с существующей конструкцией, что позволит увеличить срок службы коленчатого вала, предотвращая его выход из строя. Для цитирования: Разработка экономичной конструкции коленчатого вала механического пресса с С-образной станиной на основании результатов анализа топологии / Д.K. Тратия, М.В. Шеладия, Г.Д. Ачарья, Ш.Г. Ачарья // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 3. – С. 50–62. – DOI:10.17212/1994-6309-2023-25.3-50-62. ______ *Адрес для переписки Тратия Даршан Камлешбхай, к.т.н., научный сотрудник Университет Атмия, 360005, г. Раджкот, Индия Тел.: +91-9974364458, e-mail: tratiyadarshan@gmail.com
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 51 EQUIPMENT. INSTRUMENTS металл можно обрабатывать самыми разными методами. Обычно одну и ту же операцию, необходимую для конкретной детали, можно выполнить несколькими способами [1–4]. Прессы с давних времен используются практически во всех сферах деятельности, касающихся обработки различных материалов в холодном или горячем состоянии: для прессования, дробления, формования, нанесения покрытий, раздачи. В любом случае благодаря технологическим свойствам металлов и их широкому ассортименту к ним можно применять широкий спектр технологических операций [4]. Длина хода приводного пресса зависит от эксцентриситета коленчатого вала. На рис. 1 представлена полная номенклатура приводного пресса [1]. Такой пресс используется для быстрого, точного и экономичного производства большого количества изделий путем холодной обработки мягкой стали и других пластичных материалов. Прессы классифицируются по количеству действий (простого, двойного, тройного действия и т. д.); направлению движения штампа (вертикальное, горизонтальное, наклонное и др.); виду энергии, используемой для приведения в действие штампов (механическая или гидравлическая); типу передаточных механизмов (кривошипные, поворотные, фрикционные, винтовые, рычажные и др.) [2]. Коленчатый вал можно назвать основным конструктивным элементом пресса: именно он воспринимает все напряжения и деформации. Прочность рамы и стоек, шатуна, рулевых тяг, соединительных винтов, стяжных колонок и других важных деталей зависит от эксплуатационных характеристик коленчатого вала. Целью исследований является рационализация конструкции коленчатого вала с учетом прочностных характеристик стоек, соединительных винтов и стяжных колонок. Конструкция коленчатого вала, включая расположение подшипников, во многом зависит от максимального давления, которое может быть создано в нижней части хода, что показано на рис. 2. Стандартные коленчатые валы изготовляют из углеродистых, хромомарганцевых, хромоникельмолибденовых и других сталей, а также из специальных высокопрочных чугунов. Для тяжело нагруженных коленчатых валов испольРис. 1. Устройство приводного пресса Fig. 1. Press machine arrangement
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 52 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Рис. 2. Компоновка коленчатого вала Fig. 2. Crankshaft layout зуют сталь марок 40ХН2МА, 20ХНЗА, 18ХНВА, 25ХГТ и др. После штамповки перед механической обработкой заготовки валов подвергают термической обработке (ТО). Для тяжело нагруженного вала обычно применяют следующие режимы ТО: нормализация, закалка + высокий отпуск (улучшение). Временное сопротивление разрушению и предел упругости вала в некоторых случаях могут быть значительно повышены за счет специальной термообработки. Могут также использоваться специальные марки стали с более высоким пределом упругости, чем у стандартных валов. Однако в большинстве случаев термическая обработка или специальные стали не требуются. Следует учитывать, что термическая обработка или специальные стали часто повышают прочность коленчатого вала, и она существенно превосходит прочность остальных деталей. Методика исследований Все исследования конструкции коленчатого вала были разбиты на два этапа разработки данного конструктивного элемента: 1) создание 3D-модели посредством систем автоматизированного проектирования; 2) анализ методом конечных элементов в программе Ansys-22R1. Существующая, а также улучшенная конструкции коленчатого вала исследованы методом конечных элементов (МКЭ) с анализом топологии. Топология является частью КЭ-анализа, а также генеративного проектирования, т. е. технологии, при которой 3D-модели создаются и оптимизируются с помощью облачных вычислений и искусственного интеллекта [2–14]. Любое физическое явление, такое как поведение структур или жидкостей, теплопередача, распространение волн, образование биологических клеток и другие, должно быть полностью понято и количественно оценено с помощью математики. Дифференциальные уравнения в частных производных (ДУЧП) часто используются для описания большинства перечисленных процессов. Однако за последние несколько десятилетий были разработаны численные методы, позволяющие компьютеру решать эти ДУЧП. Одним из наиболее известных численных подходов является анализ методом конечных элементов (КЭА). Метод конечных элементов – это численный метод, используемый КЭА, который имитирует любое заданное физическое состояние. Инженеры поль зуются программным обеспечением для анализа методом конечных элементов с целью ускорения разработки более качественных изделий при одновременном снижении затрат за счет сведения к минимуму потребности в физических моделях и натурных экспериментах, а также оптимизации компонентов в процессе проектирования. Результаты и их обсуждение Анализ методом конечных элементов существующего коленчатого вала с помощью Ansys-22R1 По точному двухмерному чертежу была создана объективная трехмерная параметрическая геометрия коленчатого вала механического приводного пресса с использованием CAD-системы (системы автоматизированного проектирования), например, программного комплекса Pro/
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 53 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Engineer. Для использования в структурном моделировании существующего проекта эта объемная геометрия была импортирована в .STEPформат. В настоящее время Singhal Power Presses Pvt. Ltd. собирает данные по конструкции коленчатого вала механического пресса именно в таком формате. Для создания модели, показанной на рис. 3, использовался программный продукт Creo-5.2, который позволяет создать файлы по стандарту .STEP [15–18]. Выделенная область на рис. 4 показывает результаты общей деформации после приложения силы 320 т к центру коленчатого вала. Максимальная деформация приходится на середину коленчатого вала, где действует нагрузка 320 т, а величина деформации составляет 0,050 мм, тогда как прогиб в районе подшипника практически равен 0 мм. На рис. 5 показано эквивалентное напряжение в углах возле щеки коленчатого вала при нагрузке 320 т с максимальным значением 162,05 МПа и минимальным 9,64 МПа в зоне подшипника. Из рис. 6 очевидно, что при приложении нагрузки в 320 т коленчатый вал испытывает наибольшее растяжение, при этом максимальное напряжение сдвига составляет 93,008 МПа, а минимальное напряжение сдвига равно 0,106 МПа. При приложении нагрузки силой 320 т область подшипника коленчатого вала испытывает максимальное напряжение (рис. 7). Максимальное главное напряжение здесь составляет 132,01 МПа, а минимальное главное напряжение составляет −58,67 МПа, вызывая отрицательные напряжения на торцевой поверхности. Результаты собраны для анализа в табл. 1. Рис. 3. Конструкция существующего коленчатого вала Fig. 3. Existing design of crankshaft Рис. 4. Полная деформация в существующем коленчатом валу Fig. 4. Total deformation of existing crankshaft
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 54 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Рис. 5. Эквивалентное напряжение в существующем коленчатом валу Fig. 5. Equivalent stress of existing crankshaft Рис. 6. Максимальное напряжение сдвига в существующем коленчатом валу Fig. 6. Maximum shear stress in existing crank shaft Рис. 7. Максимальное главное напряжение в существующем коленчатом валу Fig. 7. Maximum principal stress in existing crankshaft
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 55 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Анализ результатов расчета существующего коленчатого вала Structural analysis results of existing crankshaft Общее смещение, мм Теория напряжений по Мизесу, МПа Максимальное главное напряжение, МПа Максимальное напряжение сдвига, МПа 0,050 162,05 132,01 93,008 Анализ методом конечных элементов оптимизированного коленчатого вала с использованием Ansys-22R1 Очевидно, что практически каждый компонент кинематической цепи в сборке, для которого не была проведена топологическая оптимизация, обладает избыточным весом. Дополнительный вес конструктивных элементов приводит к использованию излишнего материала, что является причиной формирования чрезмерной нагрузки на движущиеся компоненты, снижения энергоэффективности и увеличения транспортных расходов [19–25]. Благодаря технологии топологической оптимизации (ANSYS Mechanical) появляется инструмент, необходимый для проектирования прочных и легких конструктивных элементов независимо от сферы их использования. Можно с легкостью определить цели и применить средства управления, чтобы обеспечить соблюдение производственных требований, установить минимальную толщину материала и определить области исключения [26–29]. Оптимизация топологии в ANSYSMechanical позволяет: 1) учесть множественные статические нагрузки в сочетании с оптимизацией собственных частот (модальный анализ); 2) выполнить требования к минимальной толщине материала; 3) соблюсти правила, касающиеся направления базирования (установки) элемента (например, для операций механической обработки); 4) получить возможность реализации как циклической, так и плоской симметрии. Выделенная область на рис. 8 отражает результаты общей деформации после приложения нагрузки в 320 т к центру коленчатого вала. Максимальная деформация приходится на середину коленчатого вала, где и приложена наРис. 8. Полная деформация в оптимизированном коленчатом валу Fig. 8. Total deformation of optimized crankshaft
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 56 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Рис. 9. Эквивалентное напряжение в оптимизированном коленчатом валу Fig. 9. Equivalent stress in optimized crankshaft грузка 320 т, а величина деформации составляет 0,046 мм, но прогиб в области подшипника практически равен 0 мм. На рис. 9 показано эквивалентное напряжение в местах торцевых поверхностей коленчатого вала. При приложении нагрузки в 320 т коленчатый вал испытывает самые высокие напряжения на торцевых поверхностях с максимальным эквивалентным напряжением 191,24 МПа, при этом минимальное эквивалентное напряжение возникает в области подшипника и равно 11,64 МПа. При приложении нагрузки в 320 т область подшипника коленчатого вала испытывает максимальное напряжение (рис. 10). Максимальное главное напряжение в этом месте равно 189 МПа, а минимальное главное напряжение на торцевой поверхности составляет −11,27 МПа, вызывая отрицательное напряжение. Из рис. 11 очевидно, что максимальные напряжения возникают в углу коленчатого вала при приложении нагрузки 320 т, причем максимальное напряжение сдвига составляет 98,124 МПа, а минимальное напряжение сдвига равно 0,2156 МПа. Результаты для анализа собраны в табл. 2. Сравнение существующего и оптимизированного коленчатых валов представлено в табл. 3. Рис. 10. Максимальное главное напряжение в оптимизированном коленчатом валу Fig. 10. Maximum principal stress in optimized crankshaft
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 57 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Рис. 11. Максимальное напряжение сдвига в оптимизированном коленчатом валу Fig. 11. Maximum shear stress in optimized crankshaft Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Анализ результатов расчета оптимизированного коленчатого вала Structural analysis results of optimized crankshaft Общее смещение, мм Теория напряжений по Мизесу, МПа Максимальное главное напряжение, МПа Максимальное напряжение сдвига, МПа 0,0463 191,34 189 98,124 Т а б л и ц а 3 Ta b l e 3 Сравнение существующего и оптимизированного коленчатых валов Comparison of the existing and optimized crankshaft Параметр Существующий коленчатый вал Оптимизированный коленчатый вал Процентное соотношение. Улучшение результатов Общее смещение, мм 0,050 0,0463 7,45 % Теория напряжений по Мизесу, МПа 162,05 191,34 15,30 % Максимальное главное напряжение, МПа 132,01 189 30,15 % Максимальное напряжение сдвига, МПа 93,008 98,124 5,21 % Выводы Из результатов, полученных методом конечных элементов как по существующей конструкции коленчатого вала, так и по модифицированной, можно сделать вывод, что оптимизация конструкции коленчатого вала механического пресса приводит к повышению его эксплуатационных показателей с точки зрения уменьшения отклонения изгиба на 4 мкм по сравнению с предыдущей конструкцией. Кроме того, по данным табл. 3, модифицированная конструкция колен-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 58 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ чатого вала показывает улучшенные результаты: по Мизесу – 15,30 %, максимальное основное напряжение – 30,15 % и максимальное напряжение сдвига – 5,21 %. Список литературы 1. Montazersadgh F.H., Fatemi A. Dynamic load and stress analysis of a crankshaft. SAE Technical Paper. – SAE International, 2007. – DOI: 10.4271/2007-01-0258. 2. Shahane V.C., Pawar R.S. Optimization of the crankshaft using fi nite element analysis approach // Automotive and Engine Technology. – 2017. – Vol. 2 (1–4). – P. 1–23. 3. Garg R., Baghla S. Finite element analysis and optimization of crankshaft design // International Journal of Engineering and Management Research (IJEMR). – 2012. – Vol. 2 (6). – P. 26–31. 4. Failure mode analysis of two crankshafts of a single cylinder diesel engine / M. Fonte, P. Duarte, L. Reis, M. Freitas, V. Infante // Engineering Failure Analysis. – 2015. – Vol. 56. – P. 185–193. 5. Meng J., Liu Y., Liu R. Finite element analysis of 4-cylinder diesel crankshaft // International Journal of Image, Graphics and Signal Processing. – 2011. – Vol. 3 (5). – P. 22–29. 6. Sachs J.D. From millennium development goals to sustainable development goals // The Lancet. – 2012. – Vol. 379 (9832). – P. 2206–2211. 7. Ban K.M. Sustainable development goals // News Survey. – 2016. – Vol. 37 (02). – P. 18–19. 8. Benjeddou A. Advances in piezoelectric fi nite element modeling of adaptive structural elements: a survey // Computers & Structures. – 2000. – Vol. 76 (1–3). – P. 347–363. 9. Gu Y., Zhou Z. Strength analysis of diesel engine crankshaft based on PRO/E and ANSYS // 2011 Third International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation. – IEEE, 2011. – Vol. 3. – P. 362–364. 10. Khichadia B.N., Chauhan D.M. A review on design and analysis of mechanical press frame // International Journal of Advance Engineering and Research Development. – 2014. – Vol. 1 (6). – P. 1–7. 11. More R.S., Kulkarni S.R. Finite element analysis and optimization of ‘c’Types // International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET). – 2015. – Vol. 2 (3). – P. 1385–1391. 12. Dar F.H., Meakin J.R., Aspden R.M. Statistical methods in fi nite element analysis // Journal of Biomechanics. – 2002. – Vol. 35 (9). – P. 1155–1161. 13. Halicioglu R., Dulger L.C., Bozdana A.T. Mechanisms, classifi cations, and applications of servo presses: A review with comparisons // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. – 2016. – Vol. 230 (7). – P. 1177– 1194. 14. More S.T., Bindu R.S. Eff ect of mesh size on fi - nite element analysis of plate structure // International Journal of Engineering Science and Innovative Technology. – 2015. – Vol. 4 (3). – P. 181–185. 15. Choi K.S., Pan J. Simulations of stress distributions in crankshaft sections under fi llet rolling and bending fatigue tests // International Journal of Fatigue. – 2009. – Vol. 31 (3). – P. 544–557. 16. Evaluation of FEM based fracture mechanics technique to estimate life of an automotive forged steel crankshaft of a single cylinder diesel engine / R.M. Metkar, V.K. Sunnapwar, S.D. Hiwase, V.S. Anki, M. Dumpa // Procedia Engineering. – 2013. – Vol. 51. – P. 567– 572. 17. Guangming Z., Zhengfeng J. Study on torsional stiff ness of engine crankshaft // 2009 International Forum on Computer Science-Technology and Applications. – IEEE, 2009. – Vol. 3. – Р. 431–435. – DOI: 10.1109/IFCSTA.2009.345. 18. SDG 12: Responsible consumption and production – Potential Benefi ts and impacts on forests and livelihoods / P. Schröder, A.S. Antonarakis, J. Brauer, A. Conteh, R. Kohsaka, Y. Uchiyama, P. Pacheco // Sustainable development goals: their impacts on forests and people. – Cambridge University Press, 2019. – P. 386–418. 19. Experimental and analytical modal analysis of a Crankshaft / C. Azoury, A. Kallassy, B. Combes, I. Moukarzel, R. Boudet // IOSR Journal of Engineering. – 2012. – Vol. 2 (4). – P. 674–684. 20. Analysis of piston, connecting rod and crank shaft assembly / G. Gopal, L.S. Kumar, K.V.B. Reddy, M.U.M. Rao, G. Srinivasulu // Materials Today: Proceedings. – 2017. – Vol. 4 (8). – P. 7810–7819. 21. Optimization of a crankshaft rolling process for durability / S. Ho, Y.L. Lee, H.T. Kang, C.J. Wang // International Journal of Fatigue. – 2009. – Vol. 31 (5). – P. 799–808. 22. Stress and failure analysis of the crankshaft of diesel engine / L. Witek, M. Sikora, F. Stachowicz, T. Trzepiecinski // Engineering Failure Analysis. – 2017. – Vol. 82. – P. 703–712. 23. Halicioglu R., Dulger L.C., Bozdana A.T. Structural design and analysis of a servo crank press // Engineering Science and Technology, an International Journal. – 2016. – Vol. 19 (4). – P. 2060–2072. 24. Research perspectives on responsible tourism / B. Bramwell, B. Lane, S. McCabe, J. Mosedale, C. Scarles // Journal ofSustainableTourism. –2008. –Vol. 16 (3). – P. 253–257. – DOI: 10.1080/09669580802208201.
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1