CC BY
74
УДК 621.7.044
Технологии машиностроения
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ЗАУСЕНЦЕВ ФРОНТОМ ПЛАМЕНИ И.А. Чечета, В.Л. Зенин, А.Е. Чечета
Изложен анализ производственных приёмов для удаления заусенцев фронтом пламени и дано математическое описание основных параметров
Ключевые слова: фронт пламени, температура, зачистка
В общем случае термоимпульсная зачистка заусенцев сводится к тому, что в герметизируемой камере, куда помещены обрабатываемые детали, сжигают заряд газообразной топливной смеси, и это является источником энергии для разогрева и сжигания заусенцев, которые появляются на
пересечениях поверхностей при обработке деталей резанием.Обычно топливный заряд представляет собой смесь воздуха с пропаном, хотя в ряде случаев используют и другие топливные компоненты. Величину топливного заряда выбирают, исходя из условия, что выделяемой тепловой энергии будет достаточно для достижения намеченной цели. При этом весовую величину топливного заряда регулируют путем повышения или понижения начального давления этой смеси, устанавливая на вводном газовом тракте соответствующие регуляторы давления. В ряде отраслей машиностроения термоимпульсная зачистка заусенцев оказалась приоритетной в связи с особыми требованиями, предъявляемыми к изготовляемым изделиям. Так, надежность работы жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) предопределяется мерой стабильности его номинальной удельной тяги.
Важнейшими источниками этой стабильности являютсягеометрические
параметры сопла,сквозь которое истекают продукты сгорания и этим обеспечивают движение летательному аппарату, и форсуночный блок, реализующий распыл поступающих в камеру сгорания топливных компонент.
Так как геометрические параметры сопла всегда достаточно стабильны, то наиболее влияющим на номинальную тягу двигателя
Чечета Иван Алексеевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 222-53-85
Зенин Виктор Леонидович - ОАО «НКТБ Феррит», канд. техн. наук, ведущий конструктор, тел. (473) 247-70-63 Чечета Антон Евгеньевич - ВГУ, инженер, тел. (473) 272-26-77
оказывается форсуночный блок, поскольку распыл каждой форсунки существенно зависит от геометрии имеющихся на форсунках отверстий, сквозь которые в камеру сгорания поступают топливные компоненты. По этой причине на рабочих чертежах форсунок сформулированы очень жесткие требования типа «заусенцы удалить, сохранив острую кромку».
Жесткость этих требований в том, что технолог вынужден резко сокращать набор средств, необходимых для надлежащей зачистки заусенцев.
Например, для удаления заусенцев с кромок отверстий оказывается недопустимым применение лезвийного инструмента по той причине, что здесь не гарантируется идентичность радиусов скруглений (или образующихся фасок), неизбежно
появляющихся как следствие применения
лезвийного инструмента. Более того, в ряде случаев места, где появляются заусенцы, оказываются ещё и недоступными для
лезвийного инструмента.
В современном машиностроении простота воздействия на заусенцы пламенем сжигаемого в камере топливного заряда открыла широкий путь термоимпульсной
зачистке заусенцев, несмотря на то, что процессу этой зачистки присуще противоречие, состоящее в том, что
длительность горения в камере топливного заряда, как правило, меньше времени, необходимого для разогрева заусенцев до температуры их воспламенения. Этим
предопределена необходимость раздельно анализировать процессы горения топливного заряда и металлических заусенцев, чтобы рационально выбирать условия и
предпосылки, достаточные для формирования работоспособного процесса термоимпульсной зачистки заусенцев. Тем более, что системного анализа термоимпульсной зачистки по указанному направлению в литературе пока нет, а в имеющихся публикациях
рассматриваются преимущественно частные вопросы, возникающие в случаях введения в рабочую камеру дополнительных веществ, флегматизирующих горение топливного заряда, приёмов герметизации камеры силопередающими механизмами,
распределения обрабатываемых деталей в полости рабочей камеры, выбора топлива более высокой калорийности и тому подобные другие мероприятия.
1.Термодинамический расчёт горения топливного заряда.
1.1. Исходные условия. Тепловая камера представляет собой вертикально
расположенный цилиндр, у которого верх закрыт крышкой, несущей на себе конструктивные элементы впуска топливных компонент и зажигания. Крышка жёстко закреплена на теле цилиндра (или выполнена с цилиндром в виде единого узла). Нижняя крышка цилиндра отъёмная и обычно служит местом для укладки обрабатываемых деталей.
Топливом является применяемый в производстве горючий газ, обычно состоящий из смеси пропана С3Н8 с бутаном С4Н10.
В представленном анализе учтено, что достаточная стабильность горения и скорость распространения пламени данного топлива достигаетсяпри коэффициенте избытка воздуха а = 1.Так как объёмные доли горючего (газа) и окислителя (кислорода воздуха) в свежей стехиометрической топливной смеси находятся в соотношении, примерно, 1: 24, то при смесеобразовании внутри камеры порядок подачи в камеру топливных компонент полагает сначала подачу газа, а затем -воздуха. Величина парциального давления компонент устанавливается с учётом фактического объёма камеры и других эксплуатационных условий.
Режим эксплуатации камеры (полное открытие камеры для снятия обработанной и укладки очередной детали) даёт основание считать, что коэффициент остаточных продуктов сгорания в камере у = 0, а вследствие принудительного наполнения камеры свежей газовоздушной смесью коэффициент наполнения камеры = 1.
Температуру свежей газовоздушной смеси допустимо приниматьТс =300 оК, а давление Рс наполнения предопределяется давлением вводимого в камеру воздуха.
Применительно к процессу
термоимпульсного удаления заусенцев целью предстоящего теплового расчёта является определение величин:
а) давления Р2конца сгорания газовоздушной смеси;
б) температуры Т2в конце сгорания.
Эти величины необходимы как для эффекта сгорания заусенцев, так и для расчёта прочностных и эксплуатационных показателей камеры в целом.
1.2. Характеристика топлива. Одной из важных характеристик любого топлива является его теплотворная способность, то есть, количество тепла в килокалориях, выделяющееся при полном сгорания 1 кг твёрдого и жидкого, или 1 м3 газообразного топлива. Различают высшую теплотворную способность топлива, которая включает тепло, затраченное на испарение воды в процессе сгорания, и низшую (или рабочую) теплотворную способность Ни, в которую указанное тепло не включается. В изложенном расчете использована величинаНи. Для газовой смеси пропан-бутана (при составе компонент 50% на 50% по весу пропана и бутана) она в среднем составляет 11000 ккал/кг топлива.
К числу исходных данных для теплового расчёта камеры относятся состав и соотношение компонент свежей топливной смеси и образующихся газов в конце сгорания.
Для рассматриваемой камеры в качестве горючей компоненты топлива взята применяемая в народном хозяйстве смесь пропана С3Н8 с бутаном СД0 как наиболее доступная и дешевая, а окислителем взят кислород воздуха. В общей формуле СпНт углеводородного топлива весовые доли £суглерода щ„ водорода составляют gc =пС/(пС+тН); gн =тН/(пС+тН),
где п, т - число атомов вмолекуле; С, Н
- атомный вес углерода и водорода, соответственно.
Следовательно, весовые доли углерода и водорода в пропанеС3Н8 составляют:
gc= 0,817; gн = 0,183. Для бутана С4Н10 эти же величины 0,826 и 0,174 ,
соответственно.
При долях углерода и водорода в смеси 50 % на 50 % по весу пропана и бутана -gc= 0,822; gн = 0,178.
Молекулярный вес Лт топлива при нормальных условиях:
Л т = пС+тН.
Соответственно, молекулярный вес смеси бутана с пропаном (по весу 50 % на 50 %) составляет ц т = 51,11.
1.3. Топливно-воздушная смесь. Компоненты топливно-воздушной смеси определены в кмоль/кг топлива. Основные показатели следующие
1). Теоретически минимально необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг горючего:
Мвозд = Ьо = (1/0,21)[(§с / 12) + (§н /
4)].
2). Количество свежего заряда в конце наполнения:
Мс = аЬо + (1 / ц т).
3). Мольные доли компонент газовоздушной смеси (воздух и горючее):
чвозд. + чгор. = 1;
чвозд.=Мвозд/Мс; чгор =1-(Мвозд
/Мс)= Мгор./Мс.
4). Теплоёмкость воздуха, ккал/моль градус:
ц Су= 4,6 + 0,0006Тс
1.4. Продукты сгорания. В числе
веществ, вступающих в химическую
реакцию, водород является более активным, чем углерод. Это даёт основание считать, что весь водород окислится. Если принять, что молекулы углерода окислятся до двуокиси СО2, а молекулы азота в химическую реакцию вступать не будут, то количество
продуктов сгорания можно определять по зависимостям (в киломолях на килограмм топлива):
1) количество СО2 - Мсо2 =gc / 12; 2) количество Н2О - Мн2о=gн /2;
3) количество N2 - = 0,79аЬа.
Общее количество продуктов сгорания:
Мх = Мсо2 +Мн2о+ М№.
Соответственно, коэффициент
молекулярного изменения в = Мх / Мс.
Теплоёмкость продуктов сгорания составляет
цСуе = 4,89 + 0,00086 Тх.
1.5. Температура в конце сгорания. Температуру, возникающую в конце сгорания представляется возможным вычислить на основе баланса энергии
Qc + ис= И ,
где приняты обозначения:
Qc = ^Ни - количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 кг топлива, ккал/кг топл.;
- коэффициент выделения тепла, находится в диапазоне 0,85^0,95; для тепловых камер с внутренним смесеобразованием ^=0,85;
Ис=Мс цСусТс - внутренняя
энергияМсмолей на 1 кг топлива перед сгоранием;
Их= Мх цСухТх - внутренняя энергия продуктов сгорания.
С учётом принятых обозначений уравнение баланса энергии получает вид:
^Ни/рМс+(4,6+0,0006Тс)Тс/р=
=(4,89+0,00086 Тх)Тх.
То есть, уравнение преобразуется к виду:
АТх2 +ВТх - С = 0.
Соответственно, температура в конце сгорания топливного заряда составляет:
Тх=[-В ± (В2 +4АС)0,5]/2А.
1.6. Степень повышения давления в камере. Анализ уравнений состояния газов даёт возможность располагать зависимостями между давлением Р и температуройТ в виде:
РхУх = МхТх ; РсУс = МсТс.
Так как по условиям термоимпульсной зачистки заусенцев объём камеры остаётся постоянным (Ух = Ус), соотношение между давлением и температурой имеет вид:
Рх / Рс = в Тх /Тс.
При этом степень повышения давления в камере после сгорания топлива составляет:
X = Рх / Рс.
Представленные числовые значения параметров характеризуют энергетические возможности топливных зарядов, сжигаемых в камере. При этом весовое количество заряда влияет:
1.7. Результат расчёта параметров топливной смеси
Параме тры 00 Д О С3Н8-С4Н10 (50%+50%) 0 Д 4 С4
gc 0,817 0,822 0,826
gn 0,185 0,178 0,173
Мн2о 0,092 0,0890 0,0865
MN2 0,428 0,4250 0,4219
Mz 0,588 0,5825 0,5772
в 1,041 1,045 1,081
Tz 2465 2480 2437
Л 8,55 9,15 8,78
Мсо2 0,068 0,0685 0,0688
Мс 0,565 0,558 0,551
ft т 44,097 51,110 58,124
-Мвозд 0,542 0,538 0,534
а) на величину предельного давления Рг газообразных продуктов сгорания;
б) на величину предельной температуры Тг в камере.
В соответствии с этим разработчик технологии термоимпульсной зачистки заусенцев обязан корректно решить две задачи.
1). Обосновать прочностные
возможности камеры, так как в её полости практически мгновенно возникает высокое давление Р2 газообразных продуктов сгорания. В основу расчёта камеры представляется возможным положить методику расчёта на прочность ствольных стрелковых систем, так как процесс горения газообразных топливных зарядов относится к категории горения метательных взрывчатых веществ (типа -порох).
2). Предопределить численное значение температуры, возникающей при горении топлива, и отрезок времени её существования, а затем сопоставить с временем, достаточным для разогрева заусенца до температуры его воспламенения и сгорания.
Требуемый уровень температуры Тср, достаточный для сжигания заусенцев, может быть выбран исходя из физико-химических свойств их материала. Но
систематизированных сведений такого рода в литературе практически нет. В то же время есть достаточно обширные данные о
температурах самовоспламенения и воспламенения порошков различных материалов в слое, состоящем из частиц определённого диаметра. [1]. Считая в
определённой мере допустимым
сопоставление воспламеняемости порошка, находящегося в слое на опорной поверхности, с воспламенением заусенцев, расположенных вдоль конкретных пересечений механически обработанных поверхностей, можно получать предварительные сведения о минимально необходимой температуре Тср в камере.
За максимальное значение Тср предварительно может быть взята температура плавления сплошного материала, из которого состоит порошок и заусенец. Таким образом, оптимальное значение температуры Топт , которое должно возникать в камере после сгорания топливного заряда, может находиться в диапазоне Тср < Топт < Т2.
Как видно, устанавливаемые для каждого материала диапазоны температуры являются достаточными исходными сведениями, чтобы для изделий из конкретного материала отладить температурный режим тепловой камеры, а затем опробовать процесс термического удаления заусенцев
Безусловно, существует возможность и более тщательного установления верхнего предела указанного температурного диапазона, например, выбирая в качестве максимальной не температуру плавления, а температуру тех или иных возможных химико-физических превращений в теле детали, с которой необходимо удалить заусенцы [2].
Но главное состоит в том, что определение диапазона температурыТ делает замкнутой формируемую модель
процессатермоимпульсного удаления
заусенцев.
Литература
1. Недин В.В. Взрывоопасность металлических порошков / В.В. Недин, О.Д. Нейков, А.Г. Алексеев, В.А. Кривцов. - Киев: Наукова думка. 1971.
2. Справочник по машиностроительным
материалам.В 4-х томах, т. 2 / Под ред. Погодина-Алексеева. - М.: ГНТИ, 1959. - 639 с.
Воронежский государственный технический университет
Открытое акционерное общество Научное конструкторско-технологическое бюро "Феррит", г. Воронеж
HIGH EFFEKT MASHINED METHODS FOR DEBURRING BY IMPACT FLAME I.A. Checheta, V.L. Zenin, A.E. Checheta
High effect machined methods for deburring by impact flame are presented. The results have some mathematical description
Key words: front of flame, temperature, deburring
