CC BY
88
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
УДК 621.7
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ОХЛАЖДЕНИЯ ЗАГОТОВОК РАСПЫЛЕННЫМИ СОТС В ТЕХНОЛОГИИ ЛЕЗВИЙНОЙ
ОБРАБОТКИ
Н.Е. Курносов, А. Д. Семенов, А.В. Тарнопольский, А. А. Николотов
Рассмотрен вопрос интенсификации охлаждения заготовки при резании с использованием распыленных смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). Предложена имитационная модель охлаждения заготовок. Приведены результаты экспериментальных исследований процесса охлаждения заготовок при резании с использованием распыленных СОТС подтверждающие адекватность предложенной имитационной модели.
Ключевые слова: резание, охлаждение, СОТС, моделирование, заготовка, инструмент.
Самой распространённой операцией при изготовлении машин является механическая обработка. Качество механической обработки определяется точностью размеров, формы, взаимного расположения и качеством обработанной поверхности. Достижение высокой точности размеров, формы, взаимного расположения и качества обработанной поверхности определяет высокие эксплуатационные характеристики машин и механизмов. На достижение точности размеров, формы, взаимного расположения поверхностей значительное влияние оказывает тепловая стабилизация процесса механической обработки. Качество обработанной поверхности при механической обработке в значительной мере зависит от протекающих при резании металлов процессов, которые характеризуются высокими скоростями, температурами и давлениями.
Одним из эффективных способов тепловой стабилизации и
повышения качества обработанной поверхности является использование смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). Использование СОТС обеспечивает выравнивание температуры заготовки, что позволяет достичь требуемой точности размеров и формы обработанных поверхностей. Кроме того за счет увеличения стойкости инструмента повышается качество обработанной поверхности, снижаются силы резания.
Известно, что при изменении режима кипения наблюдается изменение эффективности теплоотдачи [3, 4, 5]. Анализ исследований
посвященных теплоотводу при кипении показывает, что обеспечение соответствующего режима кипения позволяет значительно повысить эффективность охлаждения при использовании минимального количества охлаждающей жидкости. Однако для обеспечения эффективного режима охлаждения необходима методика определения количества подаваемых СОТС для конкретной операции лезвийной обработки.
Для решения вышеозначенного вопроса разработана имитационная модель процесса охлаждения заготовки при резании с использованием распыленных СОТС.
При резании с естественным охлаждением уравнение теплового баланса имеет вид:
Оо = Одеф + Отр.п + бтр.з _ Qс + Од + Ои + Qo.с, (1)
где Оо ■ общее количество тепла образующееся при резании, Дж; Одеф -количество тепла выделяющееся от работы деформирования при превращении срезаемого слоя в стружку, Дж; Отр.п - количество тепла выделяющееся от работы сил трения на передней поверхности инструмента, Дж; Отр.з - количество тепла выделяющееся от работы сил трения на задней поверхности инструмента, Дж; Ос - количество тепла преходящее в стружку, Дж; Од - количество тепла преходящее в деталь, Дж; Ои - количество тепла преходящее в инструмент, Дж; Оос. - количество тепла преходящее в окружающую среду, Дж.
Известно, что значительная часть выделяемого при резании тепла переходит в обрабатываемую заготовку, что вызывает ее нагрев, и линейное расширение которое приводит к снижению точности изготовления [1].
Уравнение теплового баланса процесса резания с применением СОТС имеет вид:
°о = Ос + Од + Ои + Оо.с + ОСОТС, (2)
где ОСОТС - количество тепла которое переходит в СОТС, Дж.
Используя метод источников теплоты, определим суммарную мощность выделяемого тепла при резании и мощность отдельных источников.
Общее количество тепла, образующееся при резании определяется из выражения [1, 2]
Qo = PzV, (3)
где Р2 - главная сила резания, Н; у - скорость резания, м/с.
Количество тепла, выделяющееся от работы сил трения на передней поверхности инструмента равно, Вт
бтр.п = ^п ус , (4)
V
где ¥п - сила трения на передней поверхности резца, Н; ус =------скорость
К1
скольжения стружки по передней поверхности, К - коэффициент укорочения стружки.
Количество тепла, выделяющееся от работы сил трения на задней поверхности инструмента;
бтр.з = рз ус (5)
где Р3 - сила трения, действующая на площадке контакта задней поверхности инструмента с заготовкой, Н.
Для предотвращения нагрева заготовки и инструмента необходимо чтобы тепло образующееся при резании отводилось в стружку или СОТС.
Наибольший практический интерес представляет определения количества тепла, которое переходит в СОТС, так как значительная часть тепла переходящего в стружку также будет переходить в СОТС. Если пренебречь явлениями конвекции и теплового излучения, то количество тепла преходящее в СОТС при аэрозольном охлаждении определится из зависимости. [3]
бСОТС = биагр + бисп , (6)
где бнагр и бисп - количество теплоты необходимое для нагревания жидкости до температуры кипения и количество теплоты необходимое для её испарения, Дж.
В свою очередь
бнагр = сртж (Тк — То) , (7)
Дж ГГ
где ср - удельная теплоёмкость жидкости, ——; тж - масса жидкости, кг; Т к
кг К
и То - температура кипения и начальная температура жидкости соответственно, °К.
бисп = гтиж, (8)
Дж
где г- удельная теплота испарения жидкости, ; тиж - масса испаряемой
кг
жидкости, кг.
Для рассматриваемого случая жидкость, нагревается до
температуры насыщения и кипение происходит при свободной конвекции в большом объеме, причём для обеспечения максимальной теплоотдачи режим кипения должен быть пузырьковым. [4, 5]
Зависимость теплоотдачи q от разности температур охлаждаемого
тела Тд и охлаждающей жидкости Тж при её кипении показана на рис. 1[3].
Точка О соответствует началу процесса кипения до этой точки охлаждение заготовки происходит за счет теплоотдачи с её поверхности и нагрева охлаждающей жидкости. Это область неразвитого пузырькового кипения. Характеризуется повышением интенсивности теплообмена за счет переноса образующихся пузырьков от поверхности заготовки на границу раздела жидкость -воздух.
В точке А происходит пузырьковое кипение охлаждающей жидкости. Это область развитого пузырькового кипения. Характеризуется высокой интенсивностью теплообмена за счет интенсивного испарения жидкости и переноса образующихся пузырьков от поверхности заготовки на границу раздела жидкость -воздух.
Точке С соответствует область устойчивого пленочного кипения. Характеризуется покрытием обогревающей поверхности сплошной пленкой пара и, как следствие, низкой теплоотдачей.
Рис. 1. Зависимость теплоотдачи от разности температур охлаждаемого тела и охлаждающей жидкости
Между точками А и С существует область неустойчивого пленочного кипения. Характеризуется слиянием отдельных пузырьков на поверхности заготовки. Из-за уменьшения центров парообразования, а также нарастания паровой пленки у обогревающей поверхности, теплоотдача падает.
Точка В характеризуется значительными значениями разности температур охлаждаемого тела и охлаждающей жидкости при которых теплоотвод в значительно степени осуществляется в результате теплового излучения от охлаждаемой поверхности к взвешенной в воздухе капельной влаге и содержащемуся в нем водяному пару, а затем через испарение и конвекцию к воздуху. Такие значения разности температур охлаждаемого тела и охлаждающей жидкости в рассматриваемых нами технологических процессах не возникают поэтому окрестности точки В исключим из рассмотрения.
Рассмотренная зависимость позволяет сделать вывод о том, что для
60
С — = Ф -Ф (9)
^от? \у)
наиболее эффективного охлаждения заготовки на ее поверхности необходимо добиться и поддерживать пузырьковое кипение охлаждающей жидкости. Для этого на поверхности заготовки должен быть обеспечен тепловой баланс, который позволяет поддерживать разность температур охлаждаемого тела и охлаждающей жидкости в необходимом диапазоне.
Запишем уравнение теплового баланса для обрабатываемой заготовки.
ст ж
где Сд = Ср тд - теплоёмкость заготовки равная произведению удельной
Дж ^
теплоёмкости сд на её массу тд, ; Фд -тепловой поток поступающий в
К
заготовку, Вт; Фот -тепловой поток отводимого от заготовки, Вт.
Допустим, что мощность теплового потока отводимого от заготовки, в первую очередь, обусловлена теплоотдачей с ее поверхности Рп.
Оп = а 8(Гд -Тж), (10)
где а - коэффициент теплоотдачи ; S - площадь охлаждаемой
м К
заготовки м2.
При плёночном кипении коэффициент теплоотдачи будет равен [6] а = 5,6 + 4у ,(воздух гладкая поверхность) (11)
а при пузырьковом кипении или при отсутствии кипения:
а = 350 + 2100л/у (текущая вода металлическая стенка) (12)
где V - скорость течения охлаждающего воздуха или жидкости, м/с.
В свою очередь тепловой поток отводимый от заготовки разделяется на тепловой поток отводимый охлаждающей жидкостью за счёт её нагревания Фнагр и тепловой поток обусловленный испарением охлаждающей жидкости Фисп и тепловой поток, возникающий за счёт изменения теплоотдачи при переходе от режима плёночного к пузырьковому кипению.
Ф =Ф +Ф (13)
^нагр^^исп
Выражение для Рнагр получим из (7)
Фнагр = ^ (^ - Т ) , (14)
где дж - расход охлаждающей жидкости кг/с; т-время охлаждения, с. Аналогично, Рисп получим из (8)
Ф исп = ^, (15)
т
где диж - скорость испарения охлаждающей жидкости, кг/с.
При рассмотрении аэрозольного испарительного охлаждения переход от режима пленочного к режиму пузырькового кипения будет определяться коэффициентом к0.
к0 = . (16)
Уж
Подставляя сюда диж из (15) и выражая Фисп через Фп и Фнагр из (13) получим выражение для определения к0
Т
ко =------(Ф п -Ф нагр ). (17)
гЧж
Мощность теплового потока отводимого от заготовки, будет зависеть от физических свойств материала охлаждаемой детали и жидкости.
На рис. 3 представлена Simulink - модель процесса охлаждения обрабатываемой заготовки охлаждающей жидкостью. Она включает в себя следующие подмодели. Модель теплового баланса для обрабатываемо заготовки, реализует уравнение (9), модель мощности теплового потока отводимого от заготовки и в режимах плёночного и пузырькового кипения, описывается уравнениями (10 - 12), модель мощности теплового потока отводимого охлаждающей жидкостью за счёт её нагревания, описывается уравнением (14), модель мощность теплового потока отводимого от заготовки при переходе от плёночного к пузырьковому кипению, реализует уравнение (17) и модель определения теплоёмкости обрабатываемой заготовки через удельную теплоёмкость ср и массу заготовки тд.
В результате проведенного моделирования выявлены следующие закономерности:
1. При изменении режима кипения жидкости с пленочного режима на режим пузырькового кипения наблюдается снижение температуры заготовки с 300°С до 100°С.
2. В режиме пленочного кипения наблюдается монотонное нарастание мощности теплового потока отводимого от заготовки, а при переходе в режиме пузырькового кипения имеет место резкое увеличение мощности теплового потока.
Для проверки достоверности данной модели проведены экспериментальные исследования, основанные на законе распределения температур в теле при нестационарном теплообмене. Исходя из предпосылки, что эффективность теплоотвода будет определяться величиной градиента температур, в исследованиях величина теплового потока, отводимого СОТС, оценивалась через разность температур в двух точках охлаждаемого тела. Все тепловые потоки от тела ограниченного объема можно привести к результирующим потокам по осям координат Qx, Qy, Qz [8]. При экспериментальном исследовании это требует учета тепловых потоков со всей поверхности тела, что значительно усложняет методику проведения исследования и вносит значительные погрешности в измерения. Для получения большей достоверности исследований предложено использовать тело простой геометрической формы и учитывать тепловой поток только по одной оси координат.
Рис. 2. Имитационная модель процесса охлаждения обрабатываемой
заготовки распыленными СОТС
Переход от трехмерного теплового потока к одномерному осуществляется теплоизоляцией поверхности охлаждаемого тела по двум координатным осям. Качество теплоизоляции оценивалось с помощью предварительных экспериментальных исследований скорости охлаждения теплоизолированного тела.
Практически это реализовано следующим образом: в качестве тела выбран цилиндр; в процессе эксперимента охлаждалась торцевая поверхность цилиндра; остальная поверхность цилиндра теплоизолировалась. В цилиндре радиально просверлены пять отверстий, первое на расстоянии 5 мм от охлаждаемой поверхности, остальные с шагом 5 мм. В отверстия помещены термопары. Цилиндр нагревали и помещали в теплоизолиро-
63
ванный кожух, при этом открытой оставалась только торцевая поверхность цилиндра, которая и охлаждалась распыленной жидкостью. Распределение температур в теле и, следовательно, температурный градиент определяет величину и направление теплового потока. Количество теплоты, проходящей через единицу площади в единицу времени (плотность теплового потока), определяется соотношением (18) [8],
q = —X grad t, (18)
где X — коэффициент теплопроводности, Вт/(м °С); grad t - градиент температур.
На рис. 3 представлены экспериментально полученные распределения температуры по сечению образца в зависимости от количества поступающей охлаждающей жидкости.
Расстояние от поверхности, мм
■10 г/мин ■30 г/мин ■50 г/мин ■70 г/мин ■90 г/мин ■110 г/мин ■ 130 г/мим
Рис. 3. Зависимость температуры образца от количества охлаждающей жидкости.
Из полученных результатов следует, что величина теплового потока зависит от количества подаваемой жидкости, причем эта зависимость имеет не линейный характер. При увеличение подачи жидкости более 50 г/мин приводит не к увеличению теплового потока, а к его уменьшению. Данный эффект объясняется изменением режима кипения на поверхности с пузырькового на пленочный. Полученные экспериментально данный хорошо
соотносятся с результатами моделирования на Simulink - модели процесса охлаждения обрабатываемой заготовки распыленными СОТС.
Разработанная модель позволяет с достаточной достоверностью прогнозировать характер процесса кипения охлаждающей жидкости при изменении ее количества. Поддержание наиболее эффективного режима кипения позволяет минимизировать количество охлаждающей жидкости что приводит к снижению затрат на изготовление деталей за счет уменьшения издержек на приготовление, поддержание в работоспособном состоянии и утилизацию СОТС.
Список литературы
1. Резников, А. Н. Теплофизика резания / А. Н. Резников. М.: Машиностроение, 1969. 288 с.
2. Трент, Е. М. Резание металлов / Е. М. Трент; перевод с англ. Г. И. Айзеншток. М.: Машиностроение, 1980. 263 с.
3.Исаченко, В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. М.: Энергия, 1975. 488 с.
4. Кириллов, П. Л. Справочник по теплогидравлическим расчетам / П. Л. Кириллов, Ю. С. Юрьев, В. П. Бобков. М.: Энергоатомиздат, 1990. 360 с.
5. Кикоин И. К. Молекулярная физика / И. К. Кикоин, А. К. Кикоин М.: Наука, 1976. 480 с.
6. Кузмичёв В. Е. Законы и формулы физики / В. Е. Кузмичёв. Киев: Наукова думка, 1989. 864 с.
7. Кремнев, О. А. Воздушно-водоиспарительное охлаждение оборудования / О. А. Кремнев, А. Л. Сатановскнй - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1967. 235 с.
8. Ящерицын, П.И Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах / П.И. Ящерицын, М.Л. Еременко, Е.Э. Фельдштейн. Мн.: Выш. шк., 1990. 512 с.: ил.
Курносов Николай Ефимович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ttmo-pxii a niail.ni. Россия. Пенза, Пензенский государственный университет,
Семенов Анатолий Дмитриевич, д-р техн. наук, проф., ttmo-
pgнa.mail.rн.Россия, Пенза, Пензенский государственный университет,
Тарнопольский Александр Владимирович, канд. техн. наук, доцент, ttmo-pgua,mail.ru. Россия, Пенза, Пензенский государственный университет,
Николотов Андрей Александрович, аспирант, nikololova,mail.ru.Россия, Пенза, Пензенский государственный университет.
IMITATINGMODEL COOLINGFEEDSTOCKSPRAYED LUBRICANT-COOLING AGENT IN PRODUCTION ENGINEERING EDGE CUTTING MACHINING.
N. E. Kurnosov, A. D. Semenov, A.V. Tarnopolskiy, A.A. Nikolotov
The question of an intensification of cooling of a detail is considered at cutting with use sprayed lubricant-cooling agent. The imitating model of cooling of preparations sprayed lubricant-cooling agent is offered at edge cutting machining. Results of experimental researches of process of cooling of a detail are resulted at cutting with use sprayed lubricant-cooling agent confirming adequacy of the offered imitating model..
Key words: cutting, cooling, lubricant-cooling agent, simulation, a detail, the instrument.
Kurnosov Nikolai Efimovich, doctor of technical science, professor, manager of department, ttmo-pgu@,mail.ru, Russia, Penza, Penza State University,
Semenov Anatolii Dmitrievich, doctor of technical science, professor, ttmo-pxu a jvail.ru. Russia, Penza, Penza State University,
Tarnopol'skii Aleksandr Vladimirovich, candidate of technical science, docent, ttmo-pgu@mail.ru. Russia, Penza, Penza State University,
Nikolotov Andrei Aleksandrovich, postgraduate, nikolotov@,mail.ru, Russia, Penza, Penza State University.
