CC BY
31
Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки
УДК 621.924.079
Д. М. Турилов, И. А. Ларкина Научный руководитель - В. А. Левко Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
КАРТИНА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПОТОКА РАБОЧЕЙ СРЕДЫ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ АБРАЗИВНО-ЭКСТРУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ В КАНАЛЕ КРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ
Изменение динамического давления потока абразивных зерен, внедренных в вязкоупругую связку с полимерной основой (РС), является одним из основных параметров, оказывающим влияние на процесс абразив-но-экструзионной обработки (АЭО). Моделирование процесса АЭО в пакете COSMOS FlowWorks позволяет получить картину распределения давления потока РС по длине канала и определить степень состояния и условия течения в интересующей точке канала.
Основная задача моделирования - расчет поля распределения давления потока РС по времени и по длине исследуемого канала. Моделирование выполнено в программной среде С08М08 FloWorks. Условия течения, характеристики рабочей среды и коэффициент вязкости среды выбраны из методики [1]. Длина моделируемого участка L = 0,07 м, диаметр D = 0,025 м, давление на входе в канал Pвх = 6,0 МПа, коэффициент эффективной вязкости п = 37 000 Па-с, зернистость абразива Ba' = 300 мкм.
На рисунке приведены основные моменты формирования поля распределения давления во временном интервале от начала течения до выхода на установившийся режим течения. В первоначальный момент приложения нагрузки, показанный на временной отсечке 1, происходит сжатие вязкоупругих цепочек абразивных зерен, описанных преобразованной
моделью Каргина-Слонимского-Рауза, как по длине, так и по диаметру канала. Достоинства этой модели определяются возможностью аналитического исследования достаточно сложных эффектов, а сформулированные на ее основе реологические определяющие соотношения дают хорошие практические результаты [2]. Происходит формирование зон деформирования. Деформация может быть описана моделью плоской вязкоупругой цепочки при АЭО [3], учитывающей ее размеры и разность скоростей потока РС.
В начале канала (у стенки штока) формируется зона с максимальным напряжением. Со стороны штока на сегменты цепочки действует сдвигающее давление. С другой стороны их течению препятствует упругость цепочки абразивных зерен. На выходе канала формируется зона, в которой напряжение отсутствует.
t= 1.9-10 3 сек.
t= 3,3-10 сек.
Напрааление потока
1 = 2,4-10 "сек.
1 = 3,5-10 сек.
Давление среды 101325 Па ■ | ■ 5542570 Па
Фрагменты моделирования распределения давления потока рабочей среды
На стенке канала условия деформации цепочки отличаются от условий деформации цепочек в центре канала. На стенке канала образуется зона, с разной скоростью вязкого течения верхней и нижней границы с проявлением пространственных эффектов.
В центре канала формируется зона напряжения. Происходит мгновенное увеличение напряженно-деформированного состояния РС во всех зонах. Напряжение возрастает. При этом картина распределения, показанная на временной отсечке 2, остается аналогичной.
Секция «Технологияпроизводства ракетно-космической техники»
На временной отсечке 3 показан момент, начала процесса сдвигового течения РС в центре канала с отчетливо выраженным градиентом давления по длине. Появление зоны повышенного давления на стенке на входе канала, изображенное на временной отсечке 4, сжатие вязкоупругих цепочек максимально. Этот момент характеризует начало сдвигового течения среды на стенке. При этом меняются условия деформирования. Коэффициент трения скольжения цепочек больше по своей величине, чем коэффициент трения покоя. Начальный коэффициент вязкости среды существенно выше коэффициента вязкости. Это приводит к тому, что наблюдается скачок градиента давления в поперечном сечении канала. Происходит начало формирования двух зон: в центральной области канала и в пристеночной области канала (временная отсечка 5). На временной отсечке 6 в пристеночной зоне градиент давления по длине канала практически отсутствует. Это свидетельствует о том, что все сегменты вязкоупругих цепочек этой области деформированы приблизительно одинаково. В центральной зоне градиент по длине канала существенен. Начальные сегменты цепочки (возле штока) испытывают максимальное сжатие, конечные сегменты цепочки (свободный конец) деформируются только из-за градиента давления по сечению канала.
С течением времени происходит выравнивание условий нагрузки сегментов и градиент давления в центральной части канала уменьшается. Этот момент показан на отсечке 7.
Окончательная картина распределения давлений в установившемся потоке РС показана на временной отсечке 8. Наблюдаются три зоны деформирования потока РС. В центре канала формируется зона, на-
зываемая «ядром потока» [1]. Скорость течения в ней максимальна, а давление минимальное.
На стенке канала образуется зона, в которой скорость потока минимальна, а давление - наоборот. Между двумя этими зонами располагается переходная область. Для всех трех зон градиент давления в потоке РС по длине канала минимален.
Результаты моделирования показали, модель течения среды совпадает с экспериментальными данными при индексе течения п = 0,75. Максимальное напряженно-деформированное состояние РС на стенке канала положительно влияет на условия обработки, так как именно в этой области находятся активные абразивные зерна, микронеровности которых вступают в контакт с микронеровностями обрабатываемого поверхностного слоя.
Библиографические ссылки
1. Левко В. А. Абразивно-экструзионная обработка: современный уровень и теоретические основы процесса : моногр. ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2007.
2. Макарова М. А., Гусев А. С., Пышнограй Г. В., Рыбаков А. А. Нелинейная теория вязкоупругости линейных полимеров // Электронный физико-технический журнал. 2007. Т. 2. С. 1-54.
3. Левко В. А. Модель течения рабочей среды при абразивно-эструзионной обработке тонких осесимметричных каналов большой длины // Вестник ЧГПУ им. И. Я. Яковлева : Механика предельного состояния. 2008. № 2. С. 85-94.
© Турилов Д. М., Ларкина И. А., Левко В. А., 2010
УДК 621.6.9
С. А. Цетыркина, И. Ф. Зуйков, И. В. Чумакова, А. В. Чумакова Научный руководитель - Ю. А. Филиппов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ТЕХНОЛОГИЯ РЕЗКИ СТЕРЖНЕЙ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ
Рассмотрены особенности раскроя стержней монокристаллов кремния с целью совершенствования технологии и повышения конкурентоспособности изделий КА.
В производстве космических аппаратов (КА) широко используются полупроводниковые материалы, обладающие высокими эксплуатационными свойствами, но они плохо поддаются механической обработке при выполнении операций точения, фрезерования, сверления. Поэтому для механической обработки полупроводниковых материалов широко используются абразивные материалы на основе алмаза и эльбора.
Одним из режущих инструментов являются металлические диски с внутренней или внешней режущей кромкой, армированные искусственными или природными алмазами. При резке слитков диском с наружной режущей кромкой из-за его боль-
шой толщины получается большая ширина пропила. Поэтому область применения данного метода ограничена резкой слитков на мерные заготовки. Наибольшее распространение при резке слитков на пластины получил метод резки алмазными кругами с внутренней режущей кромкой (АКВР). Для оснащения кругов АКВР, предназначенных для резки кремния, рекомендуется использование натурального или синтетического алмаза высокой прочности с величиной зерна основной фракции 60...80 мкм. Выбор зернистости влияет на производительность и качество поверхности пластин - глубину дефектного слоя и шероховатость поверхности. Так, при
