Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время первоочередной задачей машиностроения является улучшение эксплуатационных характеристик технических устройств, поэтому актуальным становится обеспечение требований их повышенной прочности и надежности. Особое внимание здесь необходимо уделить машинам и агрегатам, детали которых работают в условиях циклического на-гружения, что объясняет жесткие требования, связанные с повышенной надежностью, долговечностью, прочностью, предъявляемые к пружинам. Существующая технология изготовления винтовых пружин сжатия, включающая горячую навивку, закалку с последующим отпуском, дробеструйную очистку поверхности имеет ряд недостатков, связанных с нарушением геометрии пружин в процессе закалки, значительным обезуглероживанием поверхностного слоя, что отрицательно сказывается на долговечности работы изделия. Ввиду этого, все большее распространение получают методы термомеханической обработки (ТМО), среди которых широко используется метод высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО).
В работах академика Садовского В.Д., Берштейна М.Л., Прокошкина Д.А., Займовского В.А., Рахштадта А.Г. и других подтверждена перспективность разработки и применения ВТМО, разработаны физические основы ВТМО, созданы методы и технологические способы их реализации. Научной школой академика Академии технологических наук РФ, профессора Шаврина О.И. и его учеников Дементьева В.В., Редькина Л.М., Маслова Л.Н., Конышева В.Н., Котельникова А.В. и других исследованы закономерности влияния технологических и структурных факторов на качество упрочненных деталей, разработано оборудование и комплексные технологические процессы ВТМО для производства пружинных изделий.
Эффективность метода определяется на основании обеспечения технологических параметров за счет реализации режимов нагрева и охлаждения заго-
товки. Однако, эти же процессы влекут за собой возникновение температурных напряжений, что приводит к появлению эффектов поводки и коробления изделия. С одной стороны, их исключение становится трудновыполнимой задачей, ввиду использования способа охлаждения заготовки погружением в заполненную охладителем ванну и может быть решено заменой стадии технологического процесса более перспективным способом - реализацией спрейерного охлаждения. С другой стороны, отсутствие достаточных знаний о происходящих пространственных нестационарных явлениях, характеризующих данный процесс, подчеркивает необходимость разработки научно обоснованного метода определения конструктивных и гидродинамических параметров спрейерной камеры и их связи с процессами охлаждения витков пружины. Вследствие вышесказанного тема диссертации является актуальной.
Объект исследования — цилиндрическая винтовая пружина сжатия.
Предмет исследования — процессы охлаждения пружин при ВТМО.
Цель исследования — научное обоснование конструктивных и гидродинамических параметров спрейерной камеры для охлаждения прутка пружины при ВТМО.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
-
Определение температурного состояния пружины при входе в спрейер-ную камеру на основании исследования процессов охлаждения прутка в окружающей среде после нагрева в индукторе токами высокой частоты (ТВЧ) и взаимодействия навитой пружины с оправкой;
-
Выявление условий охлаждения пружины в спрейерной камере при условии равномерного подвода теплоносителя к поверхности;
-
Исследование процессов спрейерного охлаждения пружины при ВТМО в следующей последовательности:
определить конструктивные и гидродинамические параметры спрейерной камеры для организации подвода охлаждающей жидкости, обеспечивающие максимальный контакт теплоносителя с поверхностью прутка пружины;
установить влияние конструктивных и гидродинамических параметров на изменение нестационарного пространственного температурного поля пружины в процессе охлаждения с учетом фазовых переходов теплоносителя.
-
Интегрировать в ANSYS CFX алгоритм и выполнить расчеты, отражающие влияние изменения нестационарного пространственного температурного поля пружины при спрейерном охлаждении на образование областей возможных структур материала;
-
Разработать рекомендации для проектирования конструкции спрейерной камеры с рациональным режимом охлаждения прутка пружины при ВТМО.
Методы исследования. Решение поставленных задач основано на применении эмпирических и теоретических методов, в том числе методов математического моделирования тепловых и гидродинамических процессов с применением современных вычислительных программных средств (программный комплекс ANSYS).
На защиту выносится:
1. Методика и результаты численного моделирования процессов охлаждения прутка пружины:
-
После нагрева ТВЧ, а также взаимодействия пружины с оправкой после навивки;
-
В спрейере:
при условии равномерного подвода теплоносителя для определения времени охлаждения и коэффициента теплообмена, обеспечивающих требуемое снижение температуры в ядре прутка;
при отсутствии теплообмена для выявления конструктивных и гидродинамических параметров спрейерной камеры, обеспечивающих наибольший контакт теплоносителя с поверхностью пружины;
— с учетом теплообмена и испарения теплоносителя для определения фактической скорости охлаждения.
-
Интегрированный в ANSYS CFX алгоритм и результаты расчета образования возможных структур материала в зависимости от нестационарного трехмерного температурного поля в прутке пружины;
-
Конструктивные и гидродинамические параметры спрейерных камер, обеспечивающие рациональное охлаждение прутка пружины при ВТМО.
Научная новизна диссертационного исследования и результатов, полученных лично автором, заключается в следующем:
Впервые выявлено два режима, обеспечивающих максимальный контакт теплоносителя с поверхностью прутка в зависимости от числа N используемых для подачи охлаждающей жидкости форсунок, скорости vn впрыска теплоносителя, угла г\) относительного расположения форсунок и радиуса R внутренней поверхности спрейерной камеры:
-
Две форсунки, ^2=4,5 м/с, ^=60, Л=100 мм;
-
Три форсунки -^3=2,9 м/с, ^=55, R=70 мм.
Определено, что скорость охлаждения при впрыске теплоносителя из двух форсунок "Уохл2=175 К/с и трех -иохлз=169,6 К/с превышает величину критической и позволяет получить требуемое распределение температуры в ядре прутка пружины.
Получено нестационарное трехмерное температурное поле прутка и пружины на оправке до поступления в спрейерную камеру и показано возникновение локального изменения структуры в области контакта прутка 019 мм с оправкой (площадь участка 0,7 мм2, температура области - 957 К при т=Ъ с).
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечена использованием фундаментальных законов сохранения количества движения, массы, энергии, апробированными методами их решения, использованием сертифицированного программного комплекса ANSYS.
Практическая ценность работы. Результаты исследования могут быть использованы при проектировании спрейерных камер и модификации уже существующих технологических процессов.
Личный вклад. Автором выполнено исследование процессов охлаждения пружины с использованием методов математического моделирования нестационарных задач теплопроводности, гидродинамики и сопряженного теплообмена, характеризующих основные технологические операции ВТМО.
Апробация работы. Результаты, полученные в диссертации, докладывались на 9 международных и 7 всероссийских научных конференциях: «XXXVI Гагаринские чтения» (г. Москва, 06-10 апреля 2010 г.), «XVIII Туполевские чтения» (г. Казань, 26-28 мая 2010 г.), «XXII Юбилейный семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям» (г. Санкт-Петербург, 22-25 июня
-
г.), «VII школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е.Алемасова» (г. Казань, 15-17 сентября 2010 г.), «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 26-27 октября 2010 г.), «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (г. Ижевск, 15-18 марта 2011 г.), «Седьмая Всероссийская конференция по внутрикамерным процессам и горению в установках на твердом топливе и ствольных системах (ICOC'2011)» (г. Ижевск, 29-31 марта
-
г.), «XXXVII Гагаринские чтения» (г. Москва, 05-08 апреля 2011 г.), «XIX Туполевские чтения» (г. Казань, 24-26 мая 2011 г.), «XX Туполевские чтения» (г. Казань, 22-24 мая 2012 г.), «XXIII всероссийский семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям» (г. Томск, 26 - 29 июня 2012 г.), «XVI Международная конференция по методам аэрофизических исследований» (г. Казань, 19-25 августа 2012 г.), «VIII школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е.Алемасова» (г. Казань, 16-18 октября 2012 г.), «II Всероссийская научно-техническая конференция аспирантов, магистрантов и молодых ученых с международным участием "Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке"» (г. Ижевск, 23-25 апреля 2013 г.), «Будущее машиностроения России. Шестая Всероссийская
конференция молодых ученых и специалистов» (г. Москва, 25-28 сентября 2013 г.), «XXXIX Гагаринские чтения» (г. Москва, 09-13 апреля 2013 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 26 научных работах, в том числе 4 работы в изданиях ведущих рецензируемых журналов, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 108 наименований. Работа изложена на 161 листе машинописного текста, содержит 70 рисунков, 7 таблиц.
