CC BY
82
УДК 678.073
Мусаев Р.Ш., ОАО «НИИФИ»
Расчет температурных полей в деталях из термопластов
Разрабатываемые современные технологии призваны обеспечит высокое качество и низкую себестоимость готовой продукции. Наиболее перспективными материалами существующей и будущей промышленности являются полимерные материалы, благодаря широкому спектру возможностей изменения их механических свойств. Однако изготовление деталей из подобных материалов сопряжено с образованием грата (облоя) по контуру разъема пресс-форм. В настоящее время грат удаляется вручную специальным лезвийным инструментом, что значительно удорожает готовую продукцию. Механизация процесса удаления грата позволит в разы снизить затраты на изготовление изделия.
Developed advanced technologies designed to provide high quality and low cost of the finished production. The most promising materials of existing and future industry are polymeric materials, thanks to a wide range of opportunities for change in their mechanical physical properties. However, the production of parts made of similar materials fishing involves the formation of grat (fin) along the contour plug molds. Currently grat is removed by hand a special blade tool, which greatly increases the cost of finished products. Mechanization process deburring will at times reduce the cost of manufacturing the product
ТЕРМОПЛАСТ, МЕХАНИЗИРОВАННОЕ УДАЛЕНИЕ, ГРАТ, ТЕМПЕРАТУРА ОХРУПЧИВАНИЯ, КОНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ.
THERMOPLASTIC, MECHANIZED REMOVAL, GRAT, TEMPERATURE EMBRITTLEMENT, FINITE ELEMENT, TEMPERATURE FIELD
Механизированное удаление грата с деталей из термопластов, посредством ударно - механического воздействия после предварительного охлаждения, состоит из двух этапов:
1. охлаждение деталей до температуры охрупчивания ножки грат Тохр [1];
2. механизированное ворошение деталей в среде наполнителя в различных установках.
При этом наиболее распространенным хладагентом для охлаждения является жидкий азот с температурой испарения 77,3 К. В камере предварительного охлаждения, в которой охлаждают детали перед обработкой, с учетом тепловых потерь, при использовании жидкого азота можно создавать температуру 123 К.
На первом этапе определяется возможность обработки конкретных деталей из определенного термопласта. Для этого по полученным зависимостям [1] или же с использованием специального устройства определяют Тохр для данного термопласта. В таблице 1 [4] приведена величина температуры охрупчивания некоторых термопластов. Если Тохр ниже 123К, то грат детали нельзя удалить механизированным способом после предварительного охлаждения.
1
Таблица 1 Значения температур охрупчивания различных термопластов
Термопласт Тохр, К Возможность механизированного удаления
Полиамид ПА-6 197 Возможно
Поликарбонат ПК 178 Возможно
Полиизопрен ПИ 117 Невозможно
Полипропилен ПП 165 Возможно
Полиэтилен ПЭ 120 Невозможно
В противном случае переходят к расчету температурных полей в деталях и определению времени их охлаждения до Тохр в ножке грата. При этом следует учитывать, что программно - математическое обеспечение (ПМО), которое можно использовать для таких расчетов, должно позволять вводить теплофизические свойства материала (термопласта) переменными в зависимости от температуры, а также создавать трехмерную эпюру распределения температур. Последнее необходимо для того, чтобы судить, достигла ли температура в ножке грата величины Тохр.
Данным требованиям вполне удовлетворяет компьютерная программа CosmosWorks. Эта программа позволяет рассчитывать все 3 вида теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен, тепловое излучение. В связи с этим необходимо установить какой именно вид теплообмена происходит в результате охлаждения деталей. При охлаждении деталей из термопластов жидким азотом реализуется конвективный теплообмен.
Конвективным теплообменом (теплоотдачей) называется процесс переноса тепла между поверхностью твердого тела и окружающей средой. В нашем случае твердое тело - деталь, а окружающая среда - смесь паров жидкого азота и воздуха. Необходимо отметить, что перенос тепла осуществляется одновременным действием теплопроводности и конвекцией.
Процессы теплоотдачи неразрывно связаны с условиями движения среды. Как известно, существуют 2 режима: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме перенос тепла в направлении нормали к стенке в основном осуществляется путем теплопроводности. При турбулентном режиме такой способ переноса сохраняется лишь в вязком подслое, а внутри турбулентного ядра перенос осуществляется путем интенсивного перемешивания частиц среды. На рисунке 1 показана схема конвективного теплообмена.
Как видно, наибольшее изменение температуры от ТС до Тж происходит у поверхности в пределах тонкого слоя 5, через который тепло передается путем
2
теплопроводности. Следовательно, как для ламинарного, так и для турбулентного режимов течения, вблизи самой поверхности тела, применим закон Фурье:
q = -l grad T, где grad T - градиент температуры в слоях среды, прилегающих к поверхности твердого тела; X - теплопроводность.
С учетом вышеизложенного была построена компьютерная модель (рисунок 2) для расчетов температурных полей, состоящая из детали 1 с облоем и окружающей среды 2.
Для сравнения времени, необходимого для охлаждения деталей до требуемого состояния, были взяты детали с облойной канавкой (рисунок 3 а) и без нее (рисунок 3б), изготовленные из одного материала - полиамида ПА-6. Температура охрупчивания для ПА-6 составляет 200 К.
Для расчета в программу введены следующие исходные данные: теплоемкость и теплопроводность (таблица 2) [3], плотность р=1130 кг/м , начальная температура 293 К, температура охлаждения 123 К.
Таблица 2. Теплофизические свойства полиамида ПА-6
Температура Т, К Теплоемкость ср, Дж/кгК Теплопроводность X, Вт/мК
180 945 0,31
200 1032 0,315
220 1120 0,32
240 1215 0,323
260 1310 0,325
273 1368 0,326
280 1400 0,326
300 1520 0,326
Расчет температурных полей в CosmosWorks осуществляется методом конечных элементов, где вся деталь разбивается на элементарные простые фигуры (рисунок 4) [2].
В основе метода лежит дискретизация объекта с целью решения уравнений теплообмена сплошной среды в предположении, что эти соотношения выполняются в пределах каждой из элементарных областей. Эти области называются конечными элементами. Они могут соответствовать реальной части пространства, как, например, пространственные элементы (рисунок 5.1, 5.2), или же быть математической абстракцией, как элементы стержней, балок, пластин или оболочек (рисунок 5.3). В пределах конечного элемента назначаются свойства ограничиваемого им участка объекта (это могут быть, например, характеристики теплоемкости и теплопроводности материала, плотность и т. д.) и описываются поля интересующих величин (применительно к теплообмену это температура, тепловой поток и т. д.). Параметры из второй группы назначаются в узлах элемента, а затем вводятся интерполирующие функции, посредством которых соответствующие значения можно вычислить в любой точке внутри эле-
3
мента или на его границе. Задача математического описания элемента сводится к тому, чтобы связать действующие в узлах факторы.
Примеры конечных элементов, присутствующих в CosmosWorks, приведены на рисунках: объемный тетраэдральный с линейной поверхностью -рисунок 5.1, объемный тетраэдральный с параболической поверхностью - на рисунке 5.2, треугольный элемент оболочки с параболической поверхностью -на рисунке 5.3.
По окончанию расчета программа строит эпюру температурных полей по всему объему детали (рисунок 6).
На рисунках 7а, б представлены графики изменения температуры ножки грата от времени, построенные по результатам расчетов температурных полей. Из зависимостей видно, что время охлаждения ножки грата меньше (в 1,3 раза), чем при охлаждении детали без нее.
Список литературы
1. Трилисский В.О., Липов А.В., Быков М.Н.. Методика определения температуры охрупчивания грата на деталях из термопластов. Новые промышленные технологии. Производственно-технический журнал. В.3(278), М., Минатом, 1997.
2. Зенкевич О. Метод конечных элементов. Пер. с англ. под ред. Победри Б.Е. - М.: Мир 1976
3. Кацнельсон М.Ю., Балаев Г. А. Пластические массы: св-ва и применение: Спр-к изд. 3-е перер. -Л.: Химия, Ленин-е отд.,1978-384с.
4. Трилисский В.О., Липов А.В., Мусаев Р.Ш., Фокин С.М. Устройство для экспериментального определения температуры охрупчивания термопластов. Техника машиностроения. - М.: Вираж центр, 2008- №3-с. 2-4.
4
Рисунок 1 Характер изменения температуры в пограничном слое
при охлаждении средой
Рисунок 2 Схема компьютерной модели (1- деталь; 2- окружающая среда)
5
Рисунок 3 Деталь с гратом: а) с облойной канавкой; б) без канаки
Рисунок 4 Деталь разбитая на конечные элементы
Рисунок 5.1 Объемный линейный элемент
Рисунок 5.2 Объемный параболический конечный элемент
6
Рисунок 5.3 Параболический конечный элемент поверхности
Temp (Kelvin)
1 1.923Є+002 1 .Єббе+002 . 1.803Є+002 . 1.750Є+002 . 1.692Є+002 1.634Є+002 1,577е+002 1.519е+002 1.461 е+002 1,403е+002 ■ 1.346Є+002
Н. 1.268Є+002
Н. 1.230Є+002
Рисунок 6 Эпюра распределения температурных полей (выделенный сегмент):
а) деталь с облойной канавкой; б) деталь без облойной канавки
7
Температура, К
а)
350
Тохр
ТО
Q.
£
03
Q.
Ф
с
2
ф
300
250
200
150
100
50
0
01 23456789 10
Время, сек
Рисунок 7 Изменение температуры ножки грата от времени охлаждения
8
