Введение к работе
Актуальность темы. Одним из перспективных способов повышения производительности процессов механической обработки лезвийным инструментом и снижения затрат на применение смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) является их подача в зону обработки в распыленном состоянии Развитию и внедрению данного способа посвящены работы таких авторов, как Л В Худобин, Ю Г Проскуряков, М Н Клушин, Н Е Курносов Эффективность действия аэрозоля СОТС во многом определяется аэродинамикой газового факела, движением капель распыленной жидкости в потоке аэрозоля, кинетикой элементарных актов тепло-, массопере-носа в двухфазном газожидкостном потоке и в зоне резания
Одним из основных факторов, сдерживающих до настоящего времени массовое внедрение в производство технологии охлаждения режущего инструмента распыленными СОТС, является отсутствие соответствующих инженерных методик расчета параметров данного технологического процесса Все это заставляет разработчиков каждый раз экспериментально определять оптимальные параметры работы распыляющего устройства для каждой токарной операции, что в первую очередь связано с большими финансовыми затратами и значительными потерями рабочего времени Сложность математического описания и моделирования процесса охлаждения режущего инструмента распыленными технологическими средствами заключается главным образом в отсутствии приемлемых готовых математических моделей, способных комплексно описать этот процесс с учетом всех его наиболее значимых параметров Работы таких авторов, как Г И Грановский, Г Н Абрамович, Н А Фукс, Н Н Симаков, сводятся к рассмотрению лишь отдельно взятых физических процессов, аэродинамики газового факела, движения капли жидкости в воздушном потоке, тепло- и массообмена в зоне резания и т. д Предлагаемые авторами этих работ математические модели процессов описываются системами дифференциальных уравнений в частных производных и не позволяют проводить быстрые расчеты с наглядным выводом их результатов Возможным вариантом выхода из сложившейся ситуации может стать применение для решения данной проблемы объектно-ориентированного моделирования, в котором модель фор-
мируется из объектов, взаимодействующих друг с другом по мере выполнения моделирования
Из вышеизложенного следует, что объектно-ориентированное моделирование процесса охлаждения режущего инструмента распыленными СОТС, включающее в себя разработку математических моделей аэродинамики факела аэрозоля, кинетики тепло-, массоперено-са между отдельной каплей и воздушным потоком, теплообмена в зоне обработки и методов сочетания указанных моделей, представляет несомненный интерес для технологии машиностроения и является актуальной проблемой
Цель работы- объектно-ориентированное моделирование процесса охлаждения режущего инструмента распыленными СОТС при токарной обработке и разработка комплекса программ, позволяющего определять основные температурные и аэродинамические характеристики технологической системы
Основными задачами исследования являются следующие
Анализ современных подходов к моделированию процесса механической обработки лезвийным инструментом с применением распыленных технологических средств
Разработка объектно-ориентированных моделей аэродинамики газожидкостной струи распыленной СОТС и ее аэро-, гидродинамического взаимодействия с элементами технологической системы
Разработка объектно-ориентированных моделей гидродинамики двухфазного потока аэрозоля технологического средства и кинетики элементарных актов тепло- и массообмена в зоне обработки
Проведение экспериментальных исследований гидродинамической структуры потока распыленной СОТС и контактных температур в зоне резания при токарной обработке, необходимых для проверки адекватности полученных математических моделей
Разработка комплекса программ, позволяющего проводить детальное исследование процесса охлаждения режущего инструмента распыленными технологическими средствами.
Объект исследования - процесс охлаждения режущего инструмента распыленными СОТС при лезвийной обработке заготовок на токарном станке
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы объектно-ориентированного моделирования,
вычислительной гидроаэромеханики и термодинамики, численные и натурные эксперименты
Научная новизна заключается в следующем
Разработана объектно-ориентированная модель аэродинамики воздушной струи, отличающаяся от известных скорректированными формулами расчета угла раскрытия турбулентного воздушного потока, которая дает возможность рассчитать геометрические характеристики факела аэрозоля технологического средства
Предложена объектно-ориентированная модель поведения капель распыленной СОТС в воздушном потоке, отличающаяся от традиционных выведенными уравнениями движения частиц технологического средства в условиях их интенсивного испарения и дробления, позволяющая более точно оценить дисперсность СОТС и ее потери в окружающую среду
Разработана объектно-ориентированная модель аэродинамики вращающейся заготовки, отличающаяся от известных аппроксимацией эмпирических графиков функций теории Л Прандтля, которая позволяет оценить искажение факела аэрозоля технологического средства в зоне обработки
Предложена объектно-ориентированная модель дробления капли СОТС в зоне резания, отличающаяся от традиционных выведенными уравнениями теплового баланса частицы технологического средства, попадающей в поле действия высоких градиентов температур, позволяющая количественно отслеживать динамику охлаждения лезвийного инструмента распыленными СОТС
Разработана объектно-ориентированная модель расчета температур и тепловых потоков в зоне резания на операции точения, отличающаяся от известных учетом изменений контактной температуры для условий неустановившегося теплообмена, которая позволяет определить интенсивность тепловых потоков в зоне обработки
6 Предложена объектно-ориентированная модель процесса ох
лаждения режущего инструмента распыленными СОТС, отличаю
щаяся от известных комплексным описанием всех основных тепло-
и массообменных процессов, протекающих в зоне обработки, позво
ляющая проводить полный расчет объекта исследования
Практическая ценность работы. На основе предложенных объектно-ориентированных моделей разработаны инженерные методики
расчета- поля скоростей и температур в однофазной турбулентной струе; траектории движения распыленных частиц в воздушном потоке, поля скоростей воздушных потоков у поверхности вращающегося диска, скорости испарения диспергированной жидкости в воздушном потоке, условий дробления капель жидкости в воздушном потоке и зоне резания; контактных температур и тепловых потоков при неустановившемся теплообмене и прерывистом резании
На основе предложенных объектно-ориентированных моделей и алгоритмов расчета разработано программное средство, позволяющее проводить полный расчет процесса охлаждения режущего инструмента распыленными СОТС с предоставлением возможности оценить степень охлаждения, соответствующую набору заданных условий, описывающих технологический процесс
На защиту выносятся:
Объектно-ориентированные модели поведения трехмерной турбулентной струи аэрозоля СОТС и ее деформации в зоне обработки, позволяющие проводить численные расчеты потоков массы и импульса в любой точке факела распыленного технологического средства.
Объектно-ориентированные модели тепло- и массообменных процессов в зоне резания при токарной обработке лезвийным инструментом, позволяющие определить скорость роста контактной температуры при неустановившемся теплообмене в условиях охлаждения режущего инструмента распыленными СОТС
Обоснование корректности предложенных объектно-ориентированных моделей по результатам экспериментального исследования процесса охлаждения режущего инструмента распыленными технологическими средствами
Алгоритмы работы базовых компонентов программного средства, обеспечивающие программную реализацию объектно-ориентированной модели процесса охлаждения режущего инструмента распыленными СОТС
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи -путь к обществу, основанному на знаниях» (г Москва, 2006 г ), Международной научно-практической конференции «Ресурсосбереже-
ниє и инновации проблемы и методы решения» (г. Пенза, 2006 г), Международной молодежной научной конференции «XXXII Гага-ринские чтения» (г Москва, 2006 г), Всероссийской молодежной научно-практической конференции «ИННОВ 2007» (г Новочеркасск, 2007 г ), Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «IX Королевские чтения» (г Самара, 2007 г), Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике» (г Пенза, 2007 г), Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (г Пенза,
г ), Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Теоретические знания - в практические дела» (г Омск,
г), Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2008 г )
Реализация работы и внедрение результатов. Алгоритмы, инженерные методики проведения вычислительных экспериментов и их программные реализации использованы на следующих предприятиях. ООО ПНКФ «Промсервис» при внедрении технологии подготовки и подачи распыленных СОТС в технологический процесс обработки алюминиевого сплава АМгб на операции фасонного точения сферы диаметром 24,5 мм, ЗАО «Агроспецпредприятие» при внедрении технологии применения распыленных СОТС и устройства активного виброакустического контроля зоны резания в технологический процесс обработки нержавеющей стали 12Х18Н10Т на операции точения гайки клапана отдачи стойки, ООО «Нев Сур» при технологических испытаниях прибора активного контроля износа режущего инструмента и программного обеспечения для выбора оптимальных технологических режимов резания лезвийным инструментом
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работах, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК (журнал Известия высших учебных заведений Поволжский регион -2007.-№ 4; Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. -2008 -№ 1)
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений Содержит 150 страниц основного текста, 68 рисунков,
1 таблицу, список литературы из 150 наименований и 3 приложения Общий объем работы составляет 170 страниц
