Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ конструктивных особенностей абразивного инструмента, применяемого для внутреннего шлифования цилиндрических деталей 16
1.1 Технические требования, предъявляемые к внутренним поверхностям цилиндрических деталей 16
1.2 Графовая модель показателей качества внутренних поверхностей цилиндрических деталей 19
1.3 Виды абразивного инструмента для окончательной обработки внутренних поверхностей цилиндрических деталей 24
1.4 Анализ способов внутреннего шлифования и процессов, протекающих в зоне обработки 32
1.5 Направление улучшения характеристик процесса шлифования путем совершенствования способов отвода тепла из зоны резания 40
Выводы 42
ГЛАВА 2 Моделирование сборного абразивного круга с радиально подвижными абразивными сегментами 43
2.1 Информационная модель сборного абразивного круга с радиально подвижными абразивными сегментами 43
2.2 Методика проектирования сборного шлифовального инструмента с радиально подвижными абразивными сегментами 47
2.3 Методика выбора абразивного компонента для сборного шлифовального круга 50
Выводы 53
ГЛАВА 3 Теоретические исследования внутреннего шлифования сборным абразивным инструментом с радиально подвижными сегментами 55
3.1 Классификация теплообмена при внутреннем шлифовании сборным абразивным кругам с радиально подвижными абразивными сегментами 55
3.2 Исследование повышения давления СОТС в зоне обработки от действия центробежных сил 57
3.3 Энергетический подход к управлению потоками СОТС при шлифовании сборным абразивным инструментом 61
3.4 Влияние геометрической формы абразивного сегмента на давление СОТС в зоне обработки 64
3.5 Влияние геометрических размеров межсегментного пространства сборного абразивного круга на течение СОТС в зоне обработки 66
3.5 Исследование течения СОТС в зоне обработки с помощью уравнений Навье Стокса 67
3.7 Компьютерное моделирование внутреннего шлифования сборным абразивным инструментом 72
3.8 Экспериментальная проверка компьютерного моделирования 81
3.9 Компьютерное моделирование скорости течения СОТС в зоне обработки 84
3.10 Компьютерное моделирование влияния числа абразивных сегментов на скорость течения СОТС в зоне обработки 85
3.11 Современные представления о процессах, протекающих в зоне шлифования 87
Выводы 98
ГЛАВА 4 Математическое моделирование производительности внутреннего шлифования сборным абразивным кругом 100
4.1 Выбор факторов, влияющих на производительность процесса внутреннего шлифования сборным абразивным инструментом с радиально подвижными сегментами 100
4.2 Построение планируемого эксперимента для определения производительности внутреннего шлифования сборным абразивным инструментом 101
4.3 Обработка экспериментальных данных 103
Выводы 104
ГЛАВА 5 Обеспечение заданной точности сборного абразивного круга с радиально подвижными абразивными сегментами на этапе проектирования конструкции и технологического процесса изготовления 106
5.1 Модернизация сборного шлифовального круга с радиально подвижными абразивными сегментами 106
5.2 Последовательность проектирования в CAD системе трехмерного твердотельного моделирования сборного шлифовального круга с радиально подвижными абразивными сегментами 108
5.3 Выбор состава СОТС 111
5.4 Анализ качества поверхности, шлифованной сборным абразивным кругом 115
Выводы 118
Заключение 119
Список литературы
- Графовая модель показателей качества внутренних поверхностей цилиндрических деталей
- Методика проектирования сборного шлифовального инструмента с радиально подвижными абразивными сегментами
- Исследование повышения давления СОТС в зоне обработки от действия центробежных сил
- Последовательность проектирования в CAD системе трехмерного твердотельного моделирования сборного шлифовального круга с радиально подвижными абразивными сегментами
Введение к работе
Актуальность темы. Гильзы цилиндров применяются практически во всех машинах и имеют важное значение при их эксплуатации (в гидроцилиндрах силовых установок, пневмоцилиндрах различного оборудования, гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания). Их изготавливают из сталей 30, 40, 45, 40Х. Требования, предъявляемые к ним, во многом зависят от их служебного назначения. Работа по повышению эффективности производства, обеспечению качества выпускаемой продукции, за счет использования отечественных методов обработки и инструмента, является актуальной и практически значимой для современного российского производства.
Применение классического способа внутреннего шлифования с использованием традиционного абразивного инструмента сопряжено с рядом трудностей, обусловленных, прежде всего, сложностью подвода смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) в небольшое пространство между кругом и заготовкой, при этом на СОТС воздействуют мощные аэродинамические потоки, создаваемые вращающимся инструментом. Для предотвращения тепловых дефектов (прижогов) в поверхностных слоях шлифованных деталей применяют заниженные режимы обработки.
Основным направлением повышения эффективности работы абразивного инструмента для внутреннего шлифования является интенсификация режимов резания и увеличение площади контакта круга с заготовкой. Таким образом, решением актуальной проблемы повышения производительности внутреннего шлифования с обеспечением заданного качества деталей является создание инструмента с увеличенной площадью контакта круга и заготовки и надежными условиями поступления СОТС в зону резания.
Степень разработанности. В научной и патентной литературе приводится ряд направлений совершенствования абразивного инструмента. Их анализ показал, что на сегодняшний момент самым перспективным является способ внутреннего шлифования сборным абразивным инструментом с радиально подвижными сегментами. В диссертационных работах, посвященных этому способу
внутреннего шлифования, отражены только общие вопросы работы СОТС в зоне обработки и её влияние на производительность процесса обработки. Данное обстоятельство не позволяет оптимизировать процесс внутреннего шлифования.
Целью исследования является повышение эффективности работы сборного абразивного инструмента для внутреннего шлифования на основе интенсификации действия СОТС в зоне обработки, обеспечивающей высокую производительность процесса шлифования, точность и качество деталей.
На основании проведенного выше анализа сформулированы основные задачи исследования:
провести анализ деталей, требующих шлифования поверхностей отверстий, и требований к этим поверхностям;
провести анализ абразивных инструментов и способов внутреннего шлифования полых деталей, обеспечивающих заданную точность и качество поверхности;
разработать алгоритм проектирования сборного шлифовального инструмента для внутреннего шлифования в емкости с СОТС, обеспечивающего требуемое качество обработанной поверхности;
выполнить теоретическое обоснование эффективного охлаждения зоны обработки при шлифовании сборным инструментом с радиально подвижными сегментами в емкости с СОТС;
построить компьютерную модель сборного абразивного инструмента для внутреннего шлифования полых деталей;
провести экспериментальное исследование давления СОТС в зоне обработки;
определить вид контактного процесса при шлифовании сборным абразивным инструментом полых деталей;
провести экспериментальное исследование зависимости производительности внутреннего шлифования от конструктивных и технологических факторов;
построить математическую модель зависимости производительности внутреннего шлифования от конструктивных и технологических факторов;
разработать модернизированную конструкцию сборного абразивного инструмента для внутреннего шлифования полых деталей;
- внедрить модернизированную конструкцию сборного абразивного инструмента
на производстве.
Объект исследования: сборный абразивный круг для внутреннего шлифования деталей типа «гильза цилиндра».
Предмет исследования: алгоритм проектирования сборного абразивного инструмента с учетом гидродинамических процессов, протекающих в зоне обработки при внутреннем шлифовании деталей типа «гильза цилиндра».
Результаты, полученные автором и выносимые на защиту:
установление связей между геометрическими параметрами сборного абразивного инструмента, скоростью течения СОТС по обрабатываемой поверхности детали и давлением в зоне обработки;
обоснование целесообразности разработки абразивного инструмента с интенсификацией действия СОТС в зоне обработки для внутреннего шлифования гильз цилиндров;
моделирование производительности сборного шлифовального круга с интенсификацией действия СОТС в зоне обработки в зависимости от конструктивных и технологических факторов.
Научная новизна работы заключается в:
установлении взаимосвязей основных параметров сборного шлифовального круга с группой геометрических и эксплуатационных показателей качества деталей и структурой технологического процесса на финишных операциях изготовления гильз гидроцилиндров;
разработке информационно-графовой модели круга, позволяющей наглядно изучить конструкцию круга и провести её модернизацию для повышения производительности процесса внутреннего шлифования внутренних поверхностей отверстий при обеспечении требований к качеству шлифованных поверхностей за счет интенсификации действия СОТС;
построении математической модели для определения производительности процесса шлифования в зависимости от числа абразивных сегментов, их массы, частоты вращения сборного шлифовального круга и частоты вращения заготовки;
разработке компьютерной модели сборного абразивного круга в емкости с СОТС при обработке внутренней поверхности отверстия в гильзах гидроцилиндров;
анализе работы единичного зерна абразивного материала сборного шлифовального круга, позволяющего определить по критерию И.В. Крагельского переход режимов его работы от деформации обрабатываемого материала к микрорезанию в зависимости от конструктивных параметров инструмента (рабочей площади абразивного сегмента, его массы и марки применённого абразивного материала) и режимов его работы (частоты вращения шлифовального инструмента);
определении влияния формы абразивного сегмента сборного абразивного круга (кубическая, параллелепипед, цилиндрическая, эллипсоидная) на процесс обтекания СОТС сегментов в зоне обработки;
модернизации конструкции сборного шлифовального круга с радиально подвижными абразивными сегментами для внедрения на основном производстве в ОАО «Муромский завод радиоизмерительных приборов».
Практическая значимость диссертации состоит в:
пoвышении пpoизвoдительнocти пpoцеccа внутpеннегo шлифoвания гильз цилиндров в 1,3 раза при обеспечении шероховатости обработанной поверхности Ra 0,2 мкм, точности обработки 0,03 мм и отсутствии прижогов;
практических рекомендациях по выбору параметров элементов технологической системы шлифoвания cбopным абpазивным кpугoм c pадиальнo пoдвижными cегментами.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Работа соответствует формуле специальности 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки (область исследования п.2, п.3, п.4).
Методика исследований. Исследования проводились на базе теории гидродинамики, компьютерного моделирования, многофакторных планируемых экспериментов и математической статистики, теории вероятности.
Достоверность результатов исследований подтверждается
экспериментальной проверкой теоретических зависимостей и выводов с
применением измерительных приборов и установок, с корректным использованием научных методов исследований и компьютерными расчетами.
При выполнении работы широко использовалась современная электронно-вычислительная техника.
Реализация работы. Основные результаты работы внедрены на ОАО «Муромский завод радиоизмерительных приборов» г. Муром на операциях внутреннего шлифования гидроцилиндров ЕФ8.236.100 в условиях основного производства предприятия. В производстве основной продукции на ООО «Радиомех» г. Муром.
Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Технологии машиностроения» Муромского института (филиала) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий по ряду дисциплин, а также в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на восьми международных, восьми всероссийских и четырех региональных конференциях, основные из них:
международная научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении», Москва, 2010г.
международная научно-практическая конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2012», Одесса, 2012г.
VIII международная научно-техническая конференция «Современные проблемы машиностроения» ТПУ, ИФВТ, Томск, 16 - 18 октября 2014г.
международная научно-техническая конференция «Безопасность и проектирование конструкций в машиностроении», Курск, 25-26 сентября 2015г.
Публикации. По теме диссертации опубликована 41 научная работа, двадцать две работы в изданиях, включенных в РИНЦ, из них три публикации в изданиях,
рекомендованных ВАК РФ, и две работы включены в список цитирования SCOPUS.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 105 источника. Работа изложена на 134-х страницах машинного текста, содержит 6 таблиц, 67 рисунков.
Графовая модель показателей качества внутренних поверхностей цилиндрических деталей
Качество деталей следует рассмотреть с помощью формальной математической модели, обеспечивающей адекватность и сохраняющей наглядности и необходимую содержательность [21, 22, 24, 25, 59]. Такими свойствами обладает графовая модель. За основу построения модели использована методика, представленная в работах В.А. Гречишникова [20, 27]. Функциональная связь показателей качества деталей с глубокими отверстиями представлена на рисунке 1.4 в виде информационного графа Гк = (Х,Е). Ориентированный граф Гк = (X, Е), определяет систему отдельных, функционально связанных между собой показателей, наглядно представленных в виде X - множеств вершин, Х -технологических операций в Xt - различных методах изготовления деталей с отображением множества - Е. Такая информационная модель показывает, как между собой связаны вершины, представленные на рисунке 1.4. В данном графе каждая вершина и ребро определяют набор показателей, характеризующих качество гильз, где ребра /,- содержат множество графа Гк /,- в X (Ь={ХЬ Х2...Хп}). ЕслиХі=Х„ , в свою очередь, являются множествами, то lt = Uf=1 .
Качество гильз цилиндров включает в себя совокупность различных технологий их изготовления. Для этих совокупностей проанализируем ребра и вершины графа Гк = (X, Е) Ребро Ы представляет технологический процесс, использующий только лезвийный инструмент. На графе это отображено ребром 1Х1 = \jf=1x[, где kl определяет число операций в технологическом процессе. В данном ребре вершина ХІ представляет грубое точение, вершина Х\ - черновое точение, вершина Х\ - получистовое точение, вершина X - чистовое предварительное точение, вершина Xf - чистовое окончательное точение и вершина ХІ - тонкое точение. Таким образом, ребро 1ХіХ„, обуславливающее использование только лезвийного инструмента, формируется следующим информационным массивом: xi = i U Xl U Х\ U Xt U Xl U ХІ (1.1)
Ребро 1x2 представляет технологический процесс, использующий лезвийный инструмент только на предварительных операциях, а в качестве финишных применяется алмазное выглаживание поверхности. На графе это отображено ребром lX2 = Uf=! #2, где к2 определяет число операций в данном технологическом процессе. Вершина Х\ представляет грубое точение, вершина Х - черновое точение, вершина Х\ - получистовое точение, вершина Х - чистовое предварительное точение, вершина Х - предварительное выглаживание и вершина Х% - окончательное выглаживание. Таким образом, ребро 1Х2Хп , обуславливающее использование на черновых операциях лезвийный инструмент, а на финишных операциях алмазный выглаживатель, формируется следующим информационным массивом: lX2 = х\ U Х\ U Х\ U Х% U Xi U Х%. (1.2)
Ребро 1хз представляет технологический процесс, использующий лезвийный инструмент только на предварительных операциях, а в качестве финишных применяется внутреннее шлифование поверхности. На графе это отображено ребром lX3 = UfJi з, где кЪ определяет число операций в данном технологическом процессе. Вершина Х\ представляет грубое точение, вершина Х - черновое точение, вершина Х\ получистовое точение, вершина X - чистовое предварительное точение, вершина Х\ - предварительное шлифование и вершина ХІ - тонкое шлифование. Таким образом, ребро 1хзХп, обуславливающее использование на черновых операциях лезвийный инструмент, а на финишных операциях шлифовальные круги, формируется следующим информационным массивом: /хз = Xl U Xl U Х\ U Xl U Xi U ХІ (1.3)
По существу, задача идентификации эксплуатационных свойств гильз цилиндров в конструкторско-технологической документации охватывает две проблемы: точности геометрических параметров элементов гильз и их рабочих поверхностей и физико-химических свойств поверхностных слоев.
Ребро 1x4 представляет точность геометрических форм гильз, нормированных по ГОСТ 24642. На графе это отображено ребром 1Х4 = 11?=! х\, где № определяет число параметров, характеризующих точность геометрических форм. Вершина Х\ представляет допуск цилиндричности /У, вершина Х\ - допуск круглости О, вершина Х\ - допуск профиля продольного сечения А. Таким образом, ребро 1Х4Х„ определяющее точность геометрических форм гильз, формируется следующим информационным массивом: lX4=Xl\JX%\JXl (1.4) Ребро 1x5 представляет точность рабочих поверхностей гильз, нормированных по ГОСТ 2789. На графе это отображено ребром 1Х5 = 11?=5 х15, где k5 определяет число параметров, характеризующих точность рабочих поверхностей. Вершина ХІ представляет среднее арифметическое отклонение профиля Ra, вершина ХІ - наибольшую высоту шероховатостей профиля Rmax, вершина ХІ - средний шаг шероховатостей по средней линии профиля Sm, вершина ХІ - относительную опорную длину профиля tp. Таким образом, ребро 1Х5Хп определяет точность рабочих поверхностей гильз и формируется следующим информационным массивом: /Х5 = xl U Xl U Xi U XI (1.5)
Ребро 1хб определяет параметры волнистости, установленные рекомендацией PC 3951. На графе это отображено ребром lX6 = Uf=6x6, где к6 определяет число параметров, характеризующих волнистость поверхности. Вершина Х\ представляет высоту волнистости W, вершина Х - средний шаг волнистости Sw. Таким образом, ребро 1ХбХп, определяющее параметры волнистости рабочей поверхности гильз, формируется следующим информационным массивом: lХ6=X%\JXl (1.6)
Ребро їх? определяет параметры физико-химического состояния поверхностных слоев. На графе это отображено ребром 1Х7 = ll?=7 , где 7 определяет число параметров, характеризующих физико-химическое состояние поверхностного слоя. Вершина X) представляет параметры кристаллической структуры (размеры и форму зерен, текстуру, плотность дислокаций), вершина X7 - параметры деформационного упрочнения (степень деформации %, степень и глубина наклепа h), вершина X7 - параметры остаточные напряжения а Мпа (макронапряжения - 1-го рода, микронапряжения - 2-го рода и статистические искажения решетки - 3-го рода) [43], вершина X7 представляет параметры экзоэлектронной эмиссии (работу и глубину выхода электронов). Таким образом, ребро 1х?Х„, определяющее параметры физико-химического состояния поверхностных слоев, формируется следующим информационным массивом:
Методика проектирования сборного шлифовального инструмента с радиально подвижными абразивными сегментами
Решение задачи построения информационных моделей опирается на основные характеристики и свойства анализируемых режущих инструментов, которые описываются с помощью формальных математических моделей, сохраняющих наглядность, обеспечивающих адекватность и необходимую содержательность.
В зависимости от поставленной задачи, при проектировании режущего инструмента выбирается вариант математической модели [17, 60, 69]. При этом к ним предъявляются следующие требования: модель должна быть адекватной, обладать возможностью переходить от рассматриваемого предмета к модели и обратно, от одной математической модели к другой, иметь простое представление исходного объекта и возможность простой обработки исследуемой информации, быть наглядной и удовлетворять требованиям к вычислительным возможностям компьютера [19, 49, 58].
Анализ конструкции сборного шлифовального инструмента с радиально подвижными абразивными сегментами наиболее удобно и наглядно можно представить в виде графовой модели.
Граф, представляющий конструкцию сборного абразивного круга с радиально подвижными абразивными сегментами, изображен на рисунке 2.1. Каждая вершина и ребро графа Г2 определяют часть конструкции шлифовального круга, его элементы или их параметры. Основные части инструмента формируют следующие параметры: диаметр обрабатываемого отверстия, вид обработки (черновая, чистовая, финишная), точность размера, волнистость, шероховатость и
Информационная модель сборного абразивного круга с радиально подвижными абразивными сегментами Рассмотрим предметную ориентацию ребер и вершин графа Г2 = (У,Е). Сборный шлифовальный инструмент включает в себя совокупность различных компонентов.
Ребро hi, описывающее рабочую часть сборного шлифовального инструмента, представлено на рисунке 2.2. Рабочая часть инструмента формируется информационным массивом lY1 = иі УЇ, где kl определяет число компонентов, входящих в состав рабочей части шлифовального круга. Вершина Yn - материал абразивного компонента. Вершина Y12 - обойма для установки абразивного сегмента. Вершина Y13 - упругая прокладка, фиксирующая абразивный компонент. Вершина Yu - стопор, в котором устанавливается штифт, ограничивающий радиальное перемещение абразивного блока. Вершина Y15 представляет описанный выше штифт. Вершина Yie - грузик, с помощью которого можно регулировать усилие прижатия абразивного компонента к обрабатываемой поверхности. Таким образом, рабочая часть инструмента, формируется следующим информационным массивом:
Ребро 1г2, описывающее корпусную часть сборного шлифовального инструмента, представлено на рисунке 2.3. Корпусная часть инструмента, формируется информационным массивом lY2 = Uf , где к2 определяет число компонентов, входящих в состав корпусной части шлифовального круга. Вершина Y2i - диаметр корпуса сборного шлифовального круга. Вершина Y22 - размер гнезда для установки рабочей части. Вершина Y23 представляет радиус поверхности, направляющей СОТС. Таким образом ребро lY2Yn, описываеться следующим объединением:
Ребро 1гз, описывающую крепежную часть сборного шлифовального инструмента представлено на рисунке 2.4. На графе это отображено ребром lY3 = UfJi Y3, где кЗ определяет число компонентов, входящих в состав корпусной части шлифовального круга. Вершина Y3i - диаметр шейки хвостовика сборного шлифовального круга. Вершина Y32 - конусность хвостовика.
Ребро, описывающее крепежную часть сборного шлифовального инструмента Таким образом, ребро foF„, описывающие крепежную часть сборного абразивного инструмента, формируется следующим информационным массивом: lY3 = Y31\JY32. (2.3) В итоге, информационная модель сборного абразивного круга с радиально подвижными абразивными сегментами определена следующим объединением: У = hi U lY2 U 1уз = (2.4) = Ylt U Y12 U Уіз U УІ4 U Y15 U Уі6 U У2і U Y22 U Г23 U Y31 U Г32 Построенная математическая модель позволяет наглядно определить параметры сборного абразивного инструмента как объединение множеств конструктивных элементов инструмента, представленных ребрами графа Г2 =
Выделяют два метода проектирования инструмента: Аналитический, при котором осуществляется проектирование нового инструмента в результате анализа конкретной детали или изделия. Аналоговый, в котором выбирают заранее разработанный инструмент для детали или изделия определенного класса, типа, группы.
Руководствуясь сведениями, имеющимися в работах [17, 19], представим алгоритм проектирования сборного шлифовального круга с радиально подвижными абразивными сегментами (рисунок 2.5).
Алгоритм проектирования представляет собой последовательность подбора и расчета геометрических и технологических критериев, зависящих от требований к качеству детали. Рисунок 2.5 - Алгоритм проектирования сборного шлифовального круга с радиально подвижными абразивными сегментами Согласно информационной модели сборного абразивного инструмента, изображенного на рисунке 2.1, в первую очередь определяют корпусную часть сборного абразивного круга, представленную ребром LY2 в графе Г2. Диаметр корпуса абразивного круга, представленный вершиной Y21 в графе Г2, подбирают исходя из значения диаметра заготовки детали. Размеры гнезда для установки абразивных сегментов представлены вершиной Y22 в графе Г2, и определяются исходя из значения диаметра корпуса абразивного круга. Вершина Y23 в графе Г2 представляет радиус поверхности корпуса направляющей поток СОТС в зону обработки. Значение радиуса поверхности рассчитывают на основании размеров корпуса абразивного круга и количества установленных абразивных сегментов.
После определения корпусной части сборного абразивного круга разрабатывают его рабочую часть, представленную ребром LY1 в графе Г2 (рисунок 2.1). Количество устанавливаемых абразивных сегментов, зависит от диаметра круга. С увеличением количества абразивных сегментов увеличивается площадь контакта абразивного материала с обрабатываемой поверхностью, что приводит к повышению производительности процесса шлифования. Выбор материала абразивного сегмента, представленного вершиной Y11 в графе Г2 обуславливается рядом факторов, зависящих от заготовки и показателей качества обрабатываемой поверхности. Для установки абразивного сегмента в корпусе круга используется специальная обойма, представленная вершиной Y12 в графе Г2. Геометрические размеры обоймы зависят от размеров установочных гнезд, определённых на предшествующем этапе. Закрепление абразивного сегмента в обойме осуществляется с помощью штифта (вершина Y15 в графе Г2), стопора (вершина Y14 в графе Г2) и упругой прокладки (вершина Y13 в графе Г2). Для регулирования силы резания при шлифовании на рабочей части сборного абразивного инструмента устанавливаются дополнительные грузики вершина Y16 в графе Г2.
Исследование повышения давления СОТС в зоне обработки от действия центробежных сил
Критерий Рейнольдса - это основной критерий, определяющий процесс течения охлаждающей жидкости. Связь температурных и скоростных полей в зоне охлаждения определяет критерий Прандтля = -.
Исходя из сказанного, можно сделать вывод, что решением уравнений гидродинамики в критериальной форме для условий наличия теплообмена будет:
Конкретный вид данной функциональной зависимости после приближенных эмпирических расчетов и случая, когда шлифуемая поверхность омывается турбулентным потоком, будет [63]: = 0.086 0.4 08. Если учесть, что турбулентный поток СОТС может характеризоваться числом в пределах от 104 до 4106, а число для водных растворов при температуре до 100 оС близко к 1.75, то предыдущая зависимость упрощается до = 0.043 0.8. С учетом того, что для воды при 100 оС Л =0.683 Вт/(мК), a = 1.69-10"7 м /c, u = 2.95-107 м 2/c, вычисление коэффициента теплообмена (Вт/(м2К)) между обрабатываемой поверхностью и СОТС можно производить по формуле: = 6 104 0.8. 3.14 Анализ выражений (3.14) показывает, что количество теплоты, отдаваемой обрабатываемой поверхностью в СОТС, зависит от времени охлаждения и скорости омывания обрабатываемой поверхности турбулентным потоком, что позволяет предотвратить нагрев обработанной поверхности. Исходя из сказанного, можно считать, что скорость течения СОТС по обрабатываемой поверхности является показателем оценки эффективности метода внутреннего шлифования.
Для исследования был выбран способ внутреннего шлифования сборным инструментом с радиально подвижными абразивными сегментами.
Известный способ внутреннего шлифования инструментом с прерывистой режущей поверхностью [9] также позволяет увеличить производительность процесса, но при этом такой инструмент генерирует чрезвычайно мощные воздушные потоки, «выдувающие» жидкость из зоны обработки, не позволяя ей эффективно охлаждать, что ограничивает скорость шлифования.
Для анализа эффективности охлаждающего действия СОТС в зоне обработки была построена математическая модель течения СОТС. За инструмент моделирования движения текучей среды была выбрана система дифференциальных уравнений Навье — Стокса, описывающих в нестационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии этой среды [4]. Этими уравнениями моделируются турбулентные, ламинарные и переходные течения (переход определяется критическим значением числа Рейнольдса).
Аналитическое решение данных уравнений может быть получено только для простых случаев. Поэтому для описания закономерностей движения среды и определения значений её скорости в условиях близких к реальным, данную систему уравнений решали численными методами на ЭВМ. Сегодня существует программный продукт COSMOSFloWorks [4], позволяющий численными методами решать данную систему уравнений. В этой программе для моделирования турбулентных течений уравнения Навье-Стокса осредняются по Рейнольдсу, т.е. используется осредненное по малому масштабу времени влияние турбулентности на параметры потока, а крупномасштабные временные изменения учитываются введением соответствующих производных по времени. Это относится к таким гидродинамическим параметрам потока, как давление и скорость. В результате уравнения имеют дополнительные члены — напряжения по Рейнольдсу, а для решения этой системы уравнений в COSMOSFloWorks используются уравнения переноса кинетической энергии.
Эта система уравнений сохранения массы, импульса и энергии нестационарного пространственного течения имеет следующий вид в рамках подхода Эйлера в декартовой системе координат, вращающейся с угловой скоростью вокруг оси, проходящей через ее начало: + -К) = 0 3.15 діри,) д дР и+ (puiuk ik) + — = S{ 3.16 -7 dt дхк дхі + ((pE + P)uk+qklkul) = Skuk+QH 3.17 где t — время; u — скорость текучей среды; — плотность текучей среды; Р— давление текучей среды; Si — внешние массовые силы, действующие на единичную массу текучей среды; Е — полная энергия единичной массы текучей среды; QH — тепло, выделяемое тепловым источником в единичном объеме текучей среды; ік —тензор вязких сдвиговых напряжений; qi - диффузионный тепловой поток. Нижние индексы означают суммирование по трем координатным направлениям. Современные программные средства дают возможность не только моделировать названные процессы, но и решать применимые к ним технические задачи. Однако, говорить о подобии модели и натуры можно только при равенстве применяемых для них постоянных чисел - критериев подобия.
Проведя анализ условий подобия исследуемого процесса шлифования и математической модели, был сделан вывод о необходимости соблюдения трех видов подобия - геометрического, кинематического и гидродинамического. Соблюдение геометрического подобия означает, что все линейные размеры проточных частей модели и натуры должны иметь постоянный критерий: t Rн с =7н = Г 3.18 где 1н - условный линейный размер натуры; 1м - условный линейный размер модели; Rг- гидравлический радиус проходных сечений.
Соблюдение кинематического подобия означает, что в геометрически сходных точках модели и натуры треугольники скоростей, отражающие кинематику течения СОТС в каналах шлифовального круга должны быть подобны, то есть соотношение абсолютных, относительных и переносных скоростей потока должны иметь свой постоянный критерий.
Последовательность проектирования в CAD системе трехмерного твердотельного моделирования сборного шлифовального круга с радиально подвижными абразивными сегментами
Механизм действия СОТС при резании. Процессы обработки металлов резанием, а также трение в условиях критических нагрузок, являются уникальными явлениями, так как при этом происходит образование чистых, неокисленных ювенильных металлических поверхностей, а в зонах контакта имеют место такие химические реакции, которые невозможны с точки зрения законов термодинамики в обычных условиях.
На радикальную природу механизма смазочного действия впервые обратил внимание Л. Грюнберг. Установлено, что при строгании чистых металлов в воде, содержащих растворенный кислород, образуется неустойчивое соединение -перекись водорода. Концентрация перекиси зависит от вида обрабатываемого материала, режима резания, количества растворенного в воде кислорода.
На основании анализа различных физических эффектов установлено, что компоненты СОТС под влиянием различных факторов (эмиссии электронов, квантов света) разлагаются с образованием свободных атомов и радикалов.
Например, взаимодействие паров воды с электронами ювенильных поверхностей можно описать уравнениями: e=H2O- e+H2O ; H2O - H +OH ; (5.1) OH +OH - H2O2, где е- электрон, эмитируемый поверхностью; Н2О - возбужденная молекула воды; Н и ОН - химические радикалы.
Образующиеся радикалы обладают повышенной химической активностью, более интенсивно вступают в реакции с металлом с образованием на поверхности защитных пленок. Предложенная теория не исключает и других видов воздействия СОТС на процесс резания: охлаждение, смазочный эффект от действия адсорбированных молекул СОТС, охрупчивание.
Основы действия химически активных СОТС. На основании предложенной теории в 70-90-х годах выполнен значительный цикл работ по созданию и исследованию химически активных СОТС. Установлено, что наиболее эффективно действуют СОТС, имеющие в своем составе присадки химических соединений, склонных образовывать при резании химически активные радикалы: атомарный кислород, хлор, йод, фосфор, и др., которые вступают в реакции с металлической поверхностью с образованием защитных пленок. Веществами, образующими пленки, являются продукты этих реакций - оксиды, хлориды, йодиды металлов и др.
Кислородосодержащие СОТС. Впервые было обращено внимание на влияние кислорода на процессы трения и износа. Например, аэрация СОТС кислородом приводит к значительному (до 5 раз) снижению износа, по сравнению с жидкостями, обескислороженными путем нагревания или продувки инертным газом. Поскольку молекулы кислорода достаточно инертны в химическом отношении, то более устойчивых результатов достигают при введении в состав СОТС кислородосодержащих соединений, распадающихся при резании на радикалы с выделением активного атомарного кислорода, например озона и перекисей. Исследования в этой области позволили сформулировать основные
требования к кислородосодержащим СОТС, впервые показать эффективную роль при трении и резании перекисных соединений металлов и окисленных масел, определить оптимальную концентрацию присадок.
СОТС с присадками высокого давления (ВД). К этой группе СОТС относятся смазочные материалы с присадками, содержащими хлор, фосфор, йод, серу и др. Действие присадок высокого давления происходит лишь экстремальных условиях, когда давление и температура в зоне контакта достигают высоких значений, достаточных для протекания радикально цепных реакций, ускоряющих процесс образования защитных пленок. СОТС с присадками высокого давления эффективно применять для резания трудно обрабатываемых материалов: нержавеющих сталей, молибденовых, никелевых и титановых сплавов. СОТС с присадками ВД, разработанные Ивановским государственным университетом, успешно опробованы и внедрены в производство.
Способы управления активностью СОТС. Теоретическая концепция о радикально цепном механизме реакций позволила впервые сформулировать идею активации СОТС не только за счет использования химически активных присадок, но и за счет интенсивных внешних воздействий на компоненты СОТС, стимулирующих образование из инертных молекул химически активных радикалов. К таким воздействиям следует отнести наложение на зону контакта электрических и магнитных полей, электромагнитного излучения, механоакустических и термических воздействий. Исследования показали, что активированные компоненты СОТС более эффективно производят смазочный эффект за счет более интенсивного образования на контактных поверхностях защитных пленок, что улучшает качество поверхности и уменьшает износ режущего инструмента. Активация СОТС различными методами повышает их биологическую стойкость [47].
Практика показывает, что при внутреннем [82] шлифовании можно применять следующие СОТС: раствор кальцинированной соды в воде, водные растворы эмульсии, водные растворы с добавками поверхностно активных веществ, твердые смазки. Рекомендуемые составы [82] СОТС, приведены в таблице
При шлифовании подшипниковых сталей советуют использовать СОТС ИПХ-45Э, которая является высококонцентрированной эмульсией, приготовленной из эмульсола ИПХ-45Э, содержащего следующие химические вещества: натриевую соль сульфированного масла, хлорированный парафин, антикоррозионные добавки, поверхностно активные вещества, бактерицидные добавки.