Применение теплообменников в процессе шлифования Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

рументе, на деталях, работающих в различных коррозионных средах или в условиях трения. Покрытие также имеет отличный декоративный вид.

Для проведения процесса химического осаждения необходимо дорогостоящее оборудование, а именно вакуумные установки, в которых, в основном, используется радиационный нагрев подложки, приводящий к разложению части реакционных паров на теплоизлучающих элементах. Так как стоимость используемого исходного химсоединения МОС "Бархос" достаточно высока [3], то это приводит к повышению затрат на проведение процесса осаждения. В связи с чем представляется важным повышение коэффициента использования исходного химсоединения и оптимизация условий осаждения.

Высокие скорости осаждения (1 - 2 мкм/мин), достигаемые при осаждении из паров МОС [4], являются одним из важнейших факторов, определяющих состав и структуру покрытия.

Использование нагрева подложки токами высокой частоты (ТВЧ) позволяет повысить коэффициент использования исходного МОС исключая осаждение на стенки реактора, тем самым увеличивая скорость осаждения покрытия, а отказ от вакуумного оборудования при осаждении в среде аргона приводит к сокращению времени проведения процесса осаждения и удешевления технологии.

Типы микроструктур покрытий формировались аналогично вакуумным: аморфные не травящиеся 390 - 410оС, горизонтально-слоистые 420 - 450оС, слоисто-столбчатые 520 - 540оС.

Наибольшей износостойкостью и лучшими физико-механическими свойствами по результатам проведенных исследований обладают горизонтально-слоистые покрытия. Микроструктуры покрытий, полученных в вакууме [1] и по безвакуумной технологии при использовании нагрева подложки ТВЧ показаны на рис. 1.

х 625

а)

б)

Рис.

1. Микроструктуры горизонтально-слоистых покрытий

а - полученной в вакууме с использованием тлеющего разряда; б - полученной при атмосферном давлении с использованием нагрева ТВЧ

При работе деталей машин и инструментов с покрытиями происходит естественный износ защитного слоя или непосредственное разрушение защитного покрытия (отслоения, сколы). Разрушению упрочняемого слоя способствуют такие факторы, как недостаточная адгезионная прочность, высокие механические нагрузки, а также внутренние напряжения. Огромную роль, влияющую на качество работы покрытия, оказывает равномерность распределения толщины слоя по поверхности подложки. Достижение одинаковой толщины слоя покрытия приводит к более равномерному распределению внутренних напряжений в покрытии при его работе, а следовательно, увеличению срока службы упрочненного изделия.

При осаждении ПХП с применением высокочастотного нагрева отмечается улучшение равномерности толщины слоя покрытия по поверхности подложки. Это объясняется воздействием электромагнитного поля индуктора на осаждаемые атомы хрома.

На рис. 2 представлены структуры образцов с покрытием на рельефной поверхности. Видно, что при использовании радиационного нагрева подложки, (рис. 2, а) толщина покрытия на вершинах больше, чем во впадине. Следовательно, вероятность разрушения покрытия под действием нагрузки в этих местах выше из-за более высоких внутренних напряжений. Исследования показали, что оптимальная толщина покрытия для режущего инструмента составляет 3 - 5 мкм, что хорошо согласовывается с литературными данными [5].

Таким образом, применение высокочастотного нагрева и осаждение при атмосферном давлении в среде аргона позволяет увеличить равномерность осаждаемого слоя и существенно сократить время технологического процесса осаждения за счет исключения вакуумного оборудования.

х50

х50

а)

б)

Рис. 2. Профили поверхности резьбы с хромовым покрытием, полученные при атмосферном давлении

(покрытие не протравлено) а - при радиационном нагреве; б - при нагреве ТВЧ

Список литературы

1. Юршев В.И. Разработка технологии осаждения пиролитических

хромовых покрытий и оборудования при импульсном воздействии тлеющего разряда: Дис. ... канд. техн. наук. - М.: МАДИ, 1991.

2. Бойко С.В. Разработка технологии осаждения пиролитических

хромовых покрытий в атмосфере аммиака: Дис.... канд. техн. наук. - М.: МАДИ, 1990.3 http://palmira.h11.ru/prise.htm

4. Разуваев Г.А., Грибов Б.Г., Домрачев Г.А. и др. Металлоорганические

соединения в электронике.- М.: Наука, 1972.- 479 с.

5. Иванов Л.Л. Разработка технологии получения пиролитических

хромовых покрытий для упрочнения инструмента. - М.: МАДИ, 1988.- 242 с.

Иванова И.А., Иванов В.В. Курганский государственный университет, г. Курган

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛООБМЕННИКОВ В ПРОЦЕССЕ ШЛИФОВАНИЯ

Процесс двустороннего шлифования торцом круга характеризуется как высокой производительностью, так и большими эненргозатратами. Вследствие этого процесс шлифования сопровождается значительным выделением тепла, что приводит к изменению первоначальной настройки взаимного расположения кругов и, как следствие, к потере точности обработки деталей.

1. Уравнение теплового баланса.

Уравнение теплового баланса в процессе шлифования может быть записано следующим образом:

Ф,

шлиф

■ Ф = о,

(1)

где Ф шлиф - тепловой поток процесса шлифования;

Фп-тепловой поток, отводимый из зоны шлифования за счет подачи охлаждающей жидкости.

2. Способы охлаждения.

Из анализа уравнения теплового баланса можно заключить, что для создания желаемых температурных условий процесса шлифования, необходимым является поддержание постоянства температуры охлаждающей жидкости в пределах ± 2° С. Заданная температура охлаждающей жидкости поддерживается отводом тепла в охладитель. Удельный расход охладителя будет равен Чох л

§охл :=

(2)

с1Фх = - сг -вр- сИг

(4)

(5)

с1Фх = сх- Сх- сих > где с. и с, - удельная теплоемкость соответственно горячей и холодной жидкостей;

СгиСх- расходы горячей и холодной жидкостей соответственно.

Произведение сЧЧС = \Л/ характеризует теплоемкость количества жидкости, протекающей в единицу времени и носит название водяного эквивалента. Перепишем уравнения (4) и (5) в виде

1

-.с1Ф,

= - с11г°

(6)

-,с1Фт =-Лх°

Вычитаем их почленно, тогда получим

/

ааг° - 1х°) =

1 1

+ т.

йФт

(7)

(8)

Сохл ' (Тохлвых — Тохлвх)

где Сохл-температура охладителя;

9 охл" величина удельного теплового потока;

Тохлвх> Тохлвых_ температура охлаждающей жидкости на входе в охладитель и выходе.

3. Теплообменники.

Наиболее распространенным способом удаления избыточного тепла является использование в системе терморегулирования теплообменников. Рассмотрим основные характеристики теплообменников. Одной из основных характеристик теплообменников является направление потоков охлаждаемого теплоносителя и охлаждающего теплоносителя. Применяются теплообменники с прямопотоком, противотоком и перекрестным потоком. В теплообменниках с прямопотоком направление горячего и холодного потоков совпадают, в теплообменниках с противотоком - противоположны.

Системы с противотоком обеспечивают при прочих равных условиях большой перепад между температурами охлаждаемой жидкости на входе и выходе теплообменника, а значит и отвод большого количества тепла. Отвод тепла через теплообменник определяется расходом охлаждающей и охлаждаемой жидкости, их температурами на входе в теплообменник и параметрами самого теплообменника.

Рассмотрим процесс теплопередачи в теплообменнике. Выделим на расстоянии х от начала теплообменника элемент длиной сх, шириной Ь, площадью Ь^х. На расстоянии с1х температура горячей жидкости уменьшается на величину сКг°, температура холодной жидкости изменится на сКх°. Разность температур горячей и холодной жидкостей изменится на величину

У = ^г°-с1Г. (3)

Охлаждение горячей жидкости произойдет в результате передачи от горячей жидкости к холодной теплового потока

По уравнению теплопередачи имеем также

с№т = кт-ь-<±\аг'- 1Х") . где коэффициент теплопередачи теплообмен-

(9)

ника;

Ь- ширина теплообменника. Из уравнений (8) и (9) получаем

ау у

1 1

V ^ +

. к/р.ск

(10)

где у = - текущее значение температурного напора, т. е. разность между температурами горячей и холодной жидкостей.

Интегрирование уравнения (10) дает следующую формулу для температурного напора теплообменника

У := Уо ' е

Wг

-т-к-г

Уо-е

(11)

где у =1 <М 0 .

м ] о гвх хвх

Из уравнения (11) видно, что вдоль поверхности нагрева температурный напор изменяется по экспоненциальному закону. Зная этот закон, можно установить и среднее значение температурного напора у .

Уср :=

Увых Уо ('гН\ 1\В\) (^ВЫХ {хвых)

1п

^ УвьеЛ

Уо

1п

^ 1гвх 1\в\ V ^ГВЫХ ~~

(12)

Используя уравнения (6), (7), (9), (11), получим следующие уравнения

-шк Ьх -\Vpdtp0 = кт- Ь- у0'е т ах

(13)

ШХЛХ0 = кт'Ь'у0'е

-тк.Ъх

с!х

(14)

Проинтегрировав уравнения (13) и (14), получим \\\

^ := ^

.—

Wx +Wг

•Уо

- крЬх ( \¥г

1-е

Wг ^

Wг

wx +wг

•Уо-

1-е

- кх-Ьх | \¥г Wг 1 +

(15)

.(16)

Решив указанные уравнения относительно приращений 00^° и и взяв их отношение, получим

А1х М,

^ХВЫХ ^ХВХ ^ГВХ — ^ГВЫХ

\\\

(17)

Отношение (17) не зависит от конструктивных параметров теплообменника. Регулирование количества пе-

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 1

93

редаваемого в теплообменнике теплового потока можно осуществить, воздействуя на расход горячей или холодной жидкости. Размеры теплообменника определяются количеством передаваемого в нем теплового потока Фто, водяными эквивалентами жидкостей Wг и Wx, начальным температурным напором между температурами горячей и холодной жидкости и коэффициентом теплопередачи кт. Коэффициент теплопередачи зависит в основном от коэффициентов теплоотдачи ааг и аах от стенок к горячей и холодной жидкости:

Расчеты по формуле (20) показали, что теплообменниками с выбранными характеристиками можно стабилизировать температуру охлаждающей жидкости в пределах ±2°С при мощности шлифования до 20 кВт и разнице температуры технической воды в процессе шлифования не менее 10°С.

Список литературы

1. Брон Л.С., Тартаковский Ж.Э. Гидравлический привод агрегатных

станков и автоматическихлиний.-М.:Машиностроение, 1974.-328 с.

кт :=

*

аг + ах

(18)

При проектировании теплообменников нужно учитывать два требования: теплообменники должны иметь большую поверхность теплообмена и быть достаточно компактными, чтобы не увеличивать площадь, занимаемую станком. Были рассмотрены две схемы теплообменников:

1 схема. Теплообменник представляет собой систему двух труб разного диаметра, расположенных под днищем бака охлаждения. Труба меньшего диаметра, по которой пропускается нагретая жидкость, расположена внутри трубы большего диаметра, по которой пропускается техническая вода в качестве охладителя. Площадь теплоотдающей поверхности теплообменника F1 = 2,32м2.

2 схема. Теплообменник представляет собой систему параллельно - последовательно соединенных тепло-обменных устройств на базе масляных радиаторов автомобиля. Радиаторы располагались в баке с нагретой жидкостью, по ним пропускалась техническая вода. Площадь теплоотводящей поверхности F2 = 2,4м2.

Расчет коэффициента теплопередачи показал следующее:

КТ1 = 0,578 кВт/м2к или К,.^ =1,35 кВт/к,

К^ =0,5 кВт/м2к или Кт^2=1,23 кВт/к.

Рассмотрим работу бака с теплообменником. Согласно [1], уравнения теплопередачи для бака с теплообменником при установившейся температуре будут:

Q - К • F • дтд0П := К1 • Fl • дт ,

К1 • ^ • дт := Св • р в • Ов • (твых - Твх) ,

ДТ := т бака + дт

т вхв + т выхв

(19)

д0П

2

При решении системы уравнений (19) можно рассчитать следующие величины:

а) при известной теплопередающей способности теплообменника и допустимой нестабильности температуры в индивидуальном баке охлаждения, температуре охлаждающей воды расход технической воды:

Q - К • F •дтдоп

О в :=-т-т,

( О • К • F •дтдоп |

2 • Св •р в -I Тбака - Твхв + дТдоп--к • ^- I (20)

б) при известном количестве технической воды найти необходимые параметры теплообменника

К1 • :=

О - к • г • дт

доп

тбака твхв + дт

д - к • г • дт

доп

доп

2 • Св•Рв• Ов

(21)

Мосталыгин Г.П., Марфицын В.В., Мосталыгин А.Г. Курганский государственный университет, г. Курган

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МИНЕРАЛОКЕРАМИКИ И ТЕРМОУПРОЧНЕННЫХ СТАЛЕЙ В КАЧЕСТВЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ВЫГЛАЖИВАНИИ

Рассматриваются вопросы перспективности применения минералокерамики и термоупрочненных сталей в качестве инструментального материала для рабочей части выглаживателей на основе комплексных исследований.

Современные условия многономенклатурного производства с небольшими объемами изготавливаемых изделий диктуют необходимость применения экономичных технологических процессов механической обработки, обеспечивающих требуемые параметры качества поверхностного слоя деталей.

Методы поверхностного пластического деформирования (ППД) в полной мере отвечают вышеназванным требованиям.

В результате ППД формируются такие важнейшие параметры поверхностного слоя, как шероховатость и микротвердость. Исследованиями отечественных и зарубежных авторов доказано, что наиболее эффективным и экологически чистым методом является процесс выглаживания. Совершенствование процесса, снижение себестоимости может быть достигнуто применением недорогих и недефицитных материалов рабочей части инструментов, позволяющих получать требуемые параметры поверхностного слоя деталей.

В процессы выглаживания рабочая часть инструмента с определенной силой внедряется в поверхностный слой материала изделия и перемещается по обрабатываемой поверхности. Очевидно, что рабочая часть инструмента должна обладать особыми свойствами. Важнейшими из них являются: высокая твердость, износостойкость, антиадгезионная способность, низкий коэффициент трения по обрабатываемому материалу, высокий предел прочности на сжатие, высокая предельная температура эксплуатации.

Анализ физико-механических свойств современных инструментальных материалов, применяемых для обработки поверхностей изделий, позволил сделать следующий вывод. Наиболее высокими свойствами обладает природный алмаз, что определяет его наибольшую применяемость в качестве рабочей части выглаживателя. Однако алмазы имеют повышенную хрупкость, невысо-