Интегрированный подход к выбору материала для метчика на основе CAE-моделирования

Метчик представляет собой осевой режущий инструмент, предназначенный для формирования внутренней резьбы в отверстиях. Его конструкция содержит хвостовик и рабочую часть, состоящую из режущей и калибрующей зон. Геометрические параметры рабочей части, такие как угол наклона винтовой линии и форма режущих кромок, необходимы для обеспечения работоспособности и надежности режущего инструмента [1].

Метчик работает в условиях повышенного механического и термического воздействия [2]. Он подвергается высоким крутящим и осевым нагрузкам при обработке различных материалов: углеродистых сталей обычного и высокого качества, низколегированных сталей, а также некоторых видов чугуна — серого, ковкого и высокопрочного.

В зоне резания наблюдаются крайне высокие контактные давления и сильное трение, что приводит к локальному нагреву до 500–600°C [2]. Для работы в таких условиях метчики изготавливают из быстрорежущих сталей (например, Р6М5 или Р18), которые обладают красностойкостью — способностью сохранять высокую твердость (более 60 HRC) при нагреве [1, 3]. При превышении допустимых температур материал инструмента может подвергнуться разупрочнению, диффузионному растворению и пластической деформации, что ведет к потере формоустойчивости режущего лезвия [3].

В процессе резания метчик подвергается ударным и термическим нагрузкам, возникающие при циклическом врезании в металл или контакте с дефектами материала [2]. Неправильный выбор режимов подачи или наличие включений в заготовке могут вызвать вибрации, что приводит к выкрашиванию режущих кромок, поломке зубьев или полному излому стержня инструмента [1]. При анализе прочности метчика важно уделить внимание зубам, которые испытывают изгибные нагрузки. Наименьшую прочность на кручение демонстрируют шейка и концевая часть хвостовика, поскольку их поперечное сечение имеет минимальную площадь, что делает эти участки наиболее уязвимыми к разрушению. Резкие переходы от рабочей части к шейке и от шейки к хвостовику создают концентрацию напряжений под действием крутящего момента из-за изменения формы сечения. Необходимо учитывать осевые усилия, приложенные к инструменту в процессе резания, которые вызывают дополнительные напряжения по длине режущей части инструмента. В качестве расчетной детали примем метчик на рис. 1.

Расчетным путем установлено, что крутящий момент составляет М кр = 1,63 Н•м, а осевая составляющая силы резания P0 достигает 494,4 Н. На основе полученных значений выполнен прочностной расчет, позволивший определить напряженно-деформированное состояние в опасном сечении метчика. Установлено, что максимальные касательные напряжения кручения τ max составляют 422,3 МПа, а эквивалентные напряжения, рассчитанные по теории наибольших касательных напряжений, достигают σ экв = 849 МПа.

Для более детального анализа распределения полей напряжений с учетом геометрических особенностей инструмента проведено численное моделирование методом конечных элементов (МКЭ). Исследование выполнялось в среде трехмерного твердотельного моделирования «КОМ- ПАС-3D» с использованием встроенного модуля прочностного анализа APM FEM. Данный программный комплекс, интегрированный в САПР, предназначен для решения задач линейной статики, расчета деталей и сборочных единиц, а также визуализации распределения эквивалентных напряжений и коэффициентов запаса прочности [4, 5, 6]. В результате моделирования были получены эпюры распределения напряжений по объему инструмента, позволившие идентифицировать локальные зоны концентрации напряжений, обусловленные конструктивными особенностями метчика (наличие стружечных канавок, резьбовых зубьев, галтельных переходов). Общая картина распределения напряжений вдоль оси инструмента представлена на рис. 2. Максимальные значения напряжений, зафиксированные в конечно-элементной модели, составили 1081 МПа, что подтверждает корректность аналитических расчетов и обосновывает необходимость учета конструктивных концентраторов при выборе материала.

Рисунок 1. Чертеж расчетной детали.

Рисунок 2. Распределение эквивалентных напряжений (по Мизесу) по длине инструмента, полученное методом конечных элементов. Рисунок 3. Локальная концентрация напряжений в области стружечных канавок режущей части метчика.

Рисунок 4. Зоны концентрации напряжений в месте перехода от рабочей части к шейке инструмента. Рисунок 5. Эпюра распределения напряжений по контуру (дну) стружечной канавки.

Рисунок 6. Распределение напряжений в поперечном сечении рабочей части метчика. Рисунок 7. Эпюра напряжений по длине инструмента, подтверждающая максимальные значения в зонах конструктивных концентраторов. Из прочностного расчёта в CAD-среде можно сделать вывод о том, что в рассмотренных опасных сечениях значения близки к расчётным. Но в местах изменения формы и размера сечения возникают напряжения, превышающие расчётные. Особое внимание следует уделить зонам стружечных канавок и местам изменения сечения инструмента. Как видно из рисунка 3, именно в канавках возникает ярко выраженная локальная концентрация напряжений, что обусловлено сложной геометрией режущей части. Аналогичный эффект представлен на рис. 4. Ниже приведены значения напряжений, полученные в результате расчета.

Наибольшим напряжением является 1081 МПа. Предельное напряжение с учётом коэффициента запаса n = 1,1: σ пред = 849 МПа Анализ условий эксплуатации и прочностной расчет в CAD-моделировании позволили сформулировать требования к материалу метчика:

высокий предел текучести (σ 0,2> 1189,1МПа), высокая твердость (61-65 HRC), красностойкость, износостойкость и достаточная ударная вязкость для предотвращения хрупкого разрушения.

С учетом совокупности предъявляемых требований, оптимальным материалом для изготовления метчика является быстрорежущая сталь Р6М5, что обусловлено ее распространенностью и широким применением в машиностроении.

Результатом работы является прочностной расчет метчика, выполненный аналитически и методом конечных элементов в среде «КОМ- ПАС-3D» (APM FEM). Численное моделирование позволило оценить напряженно-деформированное состояние инструмента и определить критические зоны концентрации напряжений в стружечных канавках и местах изменения сечения, как это показано на рис. 3-5. Установлено, что данные локальные зоны определяют работоспособность метчика. На основе полученных данных сформулированы требования к материалу, обеспечивающие работоспособность инструмента в условиях эксплуатации. Выбранная сталь Р6М5 полностью соответствует этим требованиям по прочности, твердости и красностойкости.