КИРОВОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КІРОВОГРАДСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ЕЛЬХАВАД АЛІ ЕЛЬФАКІ АХМЕД
УДК 621.7.043
ЕНЕРГЕТИЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ ПРОЦЕСУ ФРИКЦІЙНОГО ФОРМОУТВОРЕННЯ ПОРОЖНИСТИХ ДЕТАЛЕЙ ФОРМИ ТІЛ
ОБЕРТУ
Спеціальність: 05.03.01 -
процеси механічної обробки, верстати та інструменти
АВТОРЕФЕРАТ
диcертації на здобуття
наукового ступеня кандидата технічних наук
Кіровоград - 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі “Технологія машинобудування” Кіровоградського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник:кандидат технічних наук, доцент Криськов Олег Демянович, Кіровоградський державний технічний університет, доцент кафедри “Технологія машино-будування”.
Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Морозов Віктор Олексійович, Українська академія друку, м.Львів, професор кафедри “Технологія машинобудування”;
кандидат технічних наук, професор Пестунов Володимир Михайлович, Кіровоградський державний технічний університет, професор кафедри “Мета-лорізальні верстати та системи”.
Провідна установа: Національний технічний університет Харьківський політехнічний інститут”, кафедра “Різання матеріалів та різальні інструменти”, Міністерство освіти і науки України, м.Харків.
Захист відбудеться 02.03. 2001 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 23.073.01 в Кіровоградському державному технічному університеті за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Правди, 70-А.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Кіровоградського державного технічного університету за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Правди, 70-А.
Автореферат розіслано “ 30 ” січня 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Каліч В.М.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. В останні роки в машинобудуванні значна увага приділяється економії енергії та сировини. Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є розвиток методів обробки, які зменшують відходи виробництва при ощадливих витратах електроенергії. При виготовленні порожнистих деталей технологічний процес фрикційного формоутворення в порівнянні з обробкою різанням дозволяє в 1,5 ...3 рази підвищити коефіцієнт використання кольорових металів та сплавів, значну частину яких Україна сьогодні імпортує. Оскільки зга-даному технологічному процесу притаманна фактична відсутність ча-сового та просторового розривів між нагрівом та деформацією з випереджаючим нагрівом, то потенціально він має бути єнергоекономіч-ним. Результати досліджень споріднених технологій: зварка, розрізка і наплавка тертям, термофрикційне фрезерування, виконаних Вілем В. И., Сизим Ю.А., Зарубицьким Е.У., Кершенбаумом Я.М., Газізовим Б.Я та ін., свідчать про ефективність методів обробки, що базую-ться на використанні теплогенерації при сухому терті. Тому з огляду на фізику процесу та його економіку, актуальність досліджень ефективності використання енергії в технології фрикційного формоутворення очевидна. Наскільки відомо автору, дотепер вони не проводились.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувались у відповідності з планами науково-дослідних робіт Кіровоградського державного технічного університету протягом 1995...2000 р. Слід зазначити, що в результаті вивчення стану та рівня існуючих технологій виготовлення деталей машин рядом науково-дослідних галузевих інститутів під проводом ЭНИМС в попередні роки, порожнисті деталі форми тіл оберту були віднесені до таких, для яких необхідна першочергова розробка принципово нових технологій їх виготовлення.
Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є підвиещення ефективності використання енегергії в циклічно повторюваному технологічному процесі формоутворення порожнистих деталей форми тіл оберту (дослідження енергетичної ефективності формоутворення).
У роботі поставлені такі задачі:
·
вивчення ефективності використання енергії в процесі деформації ціліндричного прутка у втулку;
·
вивчення ролі ТДІ як каналу відводу енергії від поверхні теплогенерації та оцінка кількості енергії, необхідної для виготовлення деталей (у порівнянні з відомими традиційними технологіями);
·
розробка методики та відповідного оснащення для перевірки теоретичних результатів экспериментальним шляхом;
·
дослідження зносостійкості та зміни властивостей матеріалу ТДІ під впливом режиму фрикційного формоутворення та оцінка якості виготовлених деталей.
Основними методами дослідженнь у роботі прийнято:
·
математичне моделювання величини теплового потоку через тіло ТДІ в циклічному режимі формоутворення з урахуванням особливостей його теплообміну з навколишнім середовищем;
·
експериментальні дослідження, заснова-ні на принципах електро-тензометрії, електротермії та автоматичного контролю за пере-бі-гом параметрів формоутворення деталі;
·
металографічні дослідження вливу режиму формоутворення на властивості матеріалів інструменту та деталі;
·
метричні дослідження точності деталей та зносу інструменту.
Наукова новизна одержаних результатів. Автором розробле-на і практично реалізована математична модель розрахунку теплопотоків через тіло ТДІ при циклічному формоутворенні, за допомогою якої вперше показано, що в циклічно повторюваному технологічному процесі через певну кількість циклів коєфіцієнт корисного викорис-тання єнергії сягає 95% від генерованої на РП. Вперше зроблена спроба експериментально-теоретичного опису динаміки зно-су робочої поверхні (РП) та вивчені мікромеханічні і металографічні зміни в матеріалі інст-рументу в режимі вільного формоутворення. Вперше отримані математичні залежності діаметральних розмірів заготівки та деталей, виготовлених у режимі вільного формоутворення
Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення одержаних результатів зводиться до слідуючого:
·
високий коефіцієнт використання енергії при циклічному фрикцій-ному формо-утворені, установлений в даній роботі, наряду з високим коє-фі-ці-єнтом використання металу, що витікає з робіт попередніх авторів, дають підстави для роз-робки спеціального технологічного обладнання;
·
отримані залежності між діаметрами інструменту, заготовки та деталі, які необхідні при проектуванні технологічних процесів;
·
отримані закономірності зношення ТДІ в умовах вільного формоутворення, які дають підстави для нормування потреб інструменту;
·
металографічний аналіз перетворень в матеріалах підтвердив працездатність ТДІ та добру якість виготовлених деталей
Особистий внесок здобувача в одержані наукових результа-тів. Особисто автору належить:
·
математична модель розрахунків току тепла через ТДІ при цик---лічному формоутворенні та результати дослідженнь, отримані за її допомогою;
·
математичні взаємозалежності діаметральних роз-мірів виготовлюваної деталі та заготівки-прутка;
·
експериментально-теоретичний опис процесу зношення робочої поверхні інструменту; дослідженя змін мікроструктури та якості металу інструменту, мікромеханічні та металографічні дослідження матеріалу деталі.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати, представлені в дисертації, апробовані на міжнародній науково-технічній конференції “Машиностроение и техносфера на рубеже ХХI века” у місті Севастополі (1999р.), на щорічних кафедраль-них кон-ференціях Кіровоградського державного технічного університету (КДТУ) в 1995...2000р., спільному засіданні кафедр “Металорізальні верстати та системи”, “Технологія машинобудування” та “Обробка ме-талів тиском” КДТУ (2000р.), на засіданні кафедри “Різання матеріалів та різальний інструмент“ Харківського державного національ-ного університету “Хар-ківський політехнічний інститут” (2000р.), на кафедрі “Технологія машинобудування” Чернігівського державного технічного університету (2000 р.).
Публікації. Основний зміст дисертації відображено в 13 статтях, опублікованих у науково-технічних виданнях.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'ятьох основних розділів, висновків по роботі та списку літератури. Робота викладена на 150 сторінках машинописного тексту містить 90 рисунків, 16 таблиць та додатки на 128 сторінках.
Основний зміст роботи
Вступ. Обгрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі дослідження.
У першому розділі на основі аналізу літературних джерел виділено ко-ло деталей, технологічних з точки зору використання фрик--цій-ного формоутворення, звернуто увагу на виняткові особливості гарячої та холодної механічної обробки двофазних свинцевих ла-туней, роз-глянуті споріднені технологічні процеси: зварка, розрізка і наплавка тертям, термофрикційне фрезерування, викладена суть досліджуваного процесу. На цьому тлі поставлена задача вивчення його енергетичної ефективності та запропоновані шляхи її рішення.
Фізична суть досліджуваної технології полягає в тому, що (з метою кардинального зменшення спротиву) заготівка безпосередньо перед деформацією нагрівається, внаслідок перетвореня в тепло роботи тертя на робочій поверхні (РП) її контакту з тручим та деформуючим інструментом (ТДІ). Не будучи нічим обмежений у своєму плині (вільне формоутворення), під тиском ТДІ метал скупчується навколо нього і утворює порожнисту деталь (рис.1). Після закінченя даної і до початку виготовлення наступної деталі інструмент, обмінюючись теплом з вузлом його кріплення та з навколишнім середовищем, охолоджу-ється. У процесі роботи нові прошарки металу заготівки поступово надходять на прогрів і деформуються в деталь. Будучи попередньо про-грі-тими, а вже потім здеформованими, вони (в тілі деталі) виводять з оброблюючої сис-теми частку енергії, яка виконала свою роль. Будемо вважати ту частку енергії, яка може бути визначена як різ-ниця між кількістью, що згенерована на РП, та тою кількістью, що відведена від неї тілом ТДІ, корисною. Відношення цієї різниці, до загальної кіль-кості енергії, генерованої на РП, будемо вважати кое-фі-цієнтом корисного використання енергії (КВЕ), що визначає енергетичну ефективність фрикційного формоутворення:
(1)
де. - загальна кількість енергії, що генерована на РП,
- кількість енергії, що відводиться від РП тілом ТДІ.
В другому розділі математично поставлена задача та розроблено відповідний алгоритм дослідження теплового поля ТДІ в циклічно повторюваній технологічній операції фрикційного формоутворення. Така операція має ряд характерних моментів часу, в які змінюються умови теплосилового навантаження ТДІ. Такими є зустріч інструмента із заготівкою, по-чаток пластичного плину, початок процесу квазистабільного формоутворення, початок і кінець виходу ТДІ з деталі і.т.і. У квази-ста-ціонарній фазі формоутворення тертя, нагрів та деформація заготівки знаходяться в динамічній рівновазі, зумовленій законом зберігання та перетвореня енергії.
У основу математичної моделі покладено одномірне диференційне рівняння теплопровідності (2), яке описує перетік тепла вздовж тіла ТДІ.
, (2)
де – – коефіцієнт температуропро-від-ності;
(T) –коефіцієнт теплопровідності, Вт/мград.;
c (T) – питома теплоємність , Дж/кгград.;
(T) – густина матеріалу ТДІ, кг/м3.
Початкові та граничні умови при моделюванні першого техноло-гічного циклу формоутворення при умові теплообміну на робочій поверхні першого роду в проміжку часу (t0 t t1) при виготовлені першої деталі визначаються так:
T (x, 0) = 20 oC;
T (L, t) = 20 oC; для L 80 мм;
T (0, t) = Т = const = 750 oC при t t1;
,
а при рішенні рівняння (2) при умові теплообміну на робочій поверхні дру-гого роду в тому ж проміжку часу - виразами:
T (L,t) =20 oC ;
qрп = qтдi + qзаг ;
.
У подальшому, формуючи умови однозначності при моделюванні температурних полів в ТДІ, прийнято ряд допущень, що визначають характер теплообміну:
- початкова температура контртіл і навколишнього середовища є постійною для першого циклу T = const = 200С, а в наступних циклах є функцією координати (x) і номера n деталі в партії T(х) = f(x, n);
- теплофізичні властивості матеріалів є функцією температури;
- теплові втрати з поверхонь ТДІ є функцією його температури, теплофізичних характеристик матеріалу, наявності та ступені його екранування;
- часові проміжки та моменти зміни теплосилових навантажень на ТДІ є параметрами схеми циклічного технологічного процесу та розмірів деталі, що формується;
- значення функції qтді визначається експериментальним шляхом для конкретних умов, зокрема в залежності від розмірів ТДІ, відносної кутової швидкості та величини питомого тиску на робочій поверхні.
Так як аналітичне рішення рівняння теплопровідності (2) при нелінійній залежності теплофізичних характеристик матеріалу від температури наштовхується на непереборні математичні складності, традиційно використовують чисельні методи. У даній роботі прийнято метод кінцевих різниць, програмно реалізований на ПК IBM за допомогою пакету прикладних програм, написаних проблемно-орієнто-ва-ною мовою Quick Basic 4.5.
Перехід від диференціального рівняння (2) до його кінцево-різ-ни-цевого алгебраїчного еквіваленту (3), дозволяє визначити температуру в точці i+1, на відстані h від данної i-тої через проміжок часу :
. (3)
Тепловтрати з відкритих ділянок поверхні ТДІ в результаті кон-вективного теплообміну визначалися за формулою Ньютона:
, (4)
де – коефіцієнт конвективного теплообміну,
Nu – число Рейнольдса,
Tсер – середня по елементарній поверхні ТДІ температура,
Tпов – температура потоку повітря, що набігає,
F = – площа елементарної поверхні ТДІ.
Розрахунок тепловтрат у результаті випромінювання виконувався у відповідності до закону Стефана-Больцмана:
, (5)
де C0 - постійна Стефана-Больцмана: C0=5.67 Вт/(м2К4);
- ступінь чорноти ТДІ.
Загальне значення тепловтрат на елементарній ділянці поверхні ТДІ визначалось як сума тепловтрат у результаті випромінювання та конвективного теплообміну .
qзаг. = qвип + qконв (6)
У третьому розділі представлена методика і конкретні приклади налаштування програми моделювання на відповідні цілі дос-лід-жень, у т.ч. на перевірку коректності функціювання моделі, врахування розмірів деталі та інструменту, властивостей мате-ріалів контртіл, можливостей устаткування та технологічних параметрів формоутворення.
Графіки теплових полів у тілі ТДІ при формоутворенні першої деталі показують (рис. 2), що з моменту контакту останнього з заготівкою і до кінця фази нагріву його температура безперервно підвищується. Теплова енергія інтенсивно поширюється від РП вздовж тіла ТДІ, в області з меншими значеннями температури. Хоч в перші 1,5…2 с з моменту досягнення максимальної температури на РП тіло інструменту не прогрівається глибше ніж на 30-35 мм. У подальшому, інтенсивність підвищення температури цих дільниць тіла ТДІ в часі знижується, що ілюстру-ється порівнянням відрізків на осі ординат, відсічених температурними кривими для моментів часу t = 1c та t = 2с для точок Х=5 та Х=10 мм. Перемінний характер накопичення енергії різними ділянками тіла ТДІ ілюструється рис.3. Для моментів часу від t = 1,6 с до t = 6 с характерне зниження абсолютних розмірів теплонакопичень в окремих елементарних об’ємах в міру їх віддалення від РП
та тенденція до стабілізації. Відзначимо, що в межах від 1,6 с до 6 с пік теплонакопичень переміщується вздовж осі абсцис з відстані 5 мм до 15 мм, тобто віддаляється від РП, одночасно зменшуючись за абсолютною величиною приблизно в два рази. З подальшим перебігом часу до закінчення фази нагріву (інтервал 6…20 с) ця тенденція переміщення і змен-шення абсолютного значення піка накопичення енергії в елементарних об’ємах тіла ТДІ продовжується. При цьому інтенсивність теплопоглинання розміщених найближче до РП (1...5 мм) ділянках ТДІ знижується практично до нуля, починаючи з 10…12-ої секунди від початку фази нагрівання. Результати розрахунків теплових потоків показують, що тенденція зменшення теплопоглинання окремими елементарними об’ємами тіла ТДІ, яка намітилася на першій деталі, продовжуються з формоутворенням кожної наступної.
На фазі охолодження інструменту процес теплопередачі, мов би розгалужується по двох напрямках. З одного боку, внаслідок кондуктивного теплообміну між окремими неодинаково прогрітими об’ємами ТДІ, має місце процес вирівнювання його температури, тобто спостерігається зниження температури в більш нагрітих і підвищення її в менше нагрітих ділянках тіла. Іншими словами, теплова енергія розповсюджується від РП в позитивному напрямку вздовж вісі абсцис. З другого боку в тілі інструменту, як результат безперервного конвективного та променевого теплообміну з навколишнім середо-вищем, має місце зага-ль-ний спад теплової енергії. Характер зміни температурного поля ТДІ на фазі охолодження після виготовлення першої деталі демонструється кривими, представленими на рис. 4. Як видно в кінці першої фази охолод-ження середня температура тіла ТДІ істотно під-вищилася ( 4700 С) як результат кондуктивного теплообміну.
У подальшому характер зміни температурних полів ТДІ розвивається під впливом циклічної послідовності фаз нагріву й охолодження аналогічно температурному полю ТДІ в першому циклі. Проте тенденція зміни абсолютних значень температури у вузлах розрахункової сітки помітно сповільнюється. Криві температурних полів свідчать про тенденцію вирівнювання та стабілізації температури тіла ТДІ в міру повторення технологічних циклів. Особливо по-мітна різниця між початковою температурою інструменту та його температурою після виготовлення першої деталі. Факт стабілізації теплового поля в тілі інструменту при подальшому циклічному формоутворені має важливе теоретичного значення. Він свідчить, зокрема, про зменшення тепловідводу в тіло ТДІ, а отже і про зменшення втрат енергії. Відповідні температурні криві поступово зближаються і практично після двадцятого-двадцать пятого циклу зливаються в одну (рис.5). Суттєво прогрітий інструмент стає бар’єром на шляху теплового потоку від РП в тіло ТД внаслідок падіння температурного градієнту в позитивному напрямку осі абсцис.
Стабілізація режиму теплообміну в циклічному формоутворенні свідчить про те, що кількість тепла, що генерується, еквівалентна кількості - що поглинається елементами технологічної системи: ТДІ, пристроєм його кріплення та навколишнім середовищем. Поряд із цим відзначимо, що сумарна кількість енергії, накопичена до кінця першого циклу в тілі інструменту діаметром 18 мм, складає приблизно 25% загальної кількості енергії, що генерується на РП, у той час, як для інструмента, діаметром 12 мм вона складає 28%. Очевидно, залежність між тепловмістом та розмірами тіла ТДІ обумовлена потуж-ністю тепловтрат з його бокової поверхні, оскільки зі збіль-шенням діаметра інструменту зростає площа теплообміну з навколишнім середовищем. Можна стверждувати, що в циклічному режимі, після виготовлення певної кількості деталей, енергетичний стан інструменту поступово наближається до стану теплового насичення, який характеризується певним рівнем з практично малою зміною в часі температурного поля ТДІ та стабільними величинами теплових втрат. Це є новий і принципово важливий результат теоретичних досліджень.
Характеристики, отриманих при моделюванні теплових полів інструменту, дозволили визначити, що в циклічному режимі формоутворення сумарні тепловтрати внаслідок випромінювання та конвективного теплообміну з навколишнім середовищем не перевищують 1,8...1,2% загальної потужності теплогенерації на РП. На наступних циклах, в міру поширення теплового потоку вздовж тіла ТДІ потужність тепловтрат збіль-шується і на десятому циклі вона досягає 2...2,8% загальної по-тужності теплогенерації. У кожному наступному циклі втрати енергії з поверхні ТДІ збільшуються. Проте за абсолютною величиною вони залишаються відносно незначними, що пояснюється, принципово важливою особливістю технології фрикційного формоутворення – су-міщенням нагріву та деформації в просторі та часі, великою інтенсивністью нагріву та швидкоплинністью цієї фази циклу формоутворення.
У стабілізованому теплонасиченому режимі теплообміну потужність витрат по каналу ТДІ визначається головним чином потужністю тепловипромінювання, конвективного теплообміну та теплопередачею у деталі, що утримують ТДІ.
Дослідження впливу співвідношення тривалостей фаз нагріву та охолодження в технологічній операції формоутворення показало, що теплове насичення наступає не пізніше дев'ятнадцятого - двадцятого циклів. Настання стану теплового насичення певним чином пояснюється не тільки тепловтратами в навколишнє середовище, а й інтенсив-ністью теплообміну між ТДІ та пристроєм його кріплення в період фази охолодження і залежить від співвідношення фаз нагріву та охо-лодження.
Порівняно невеликі теплові втрати в навколишнє середовище, малий тепловідвід у тіло інструменту та зменшення потужності тепловідводу в міру збіль-шення порядкового номера технологічного циклу формоутворення за-безпечують порівняно високий коефіцієнт корисного використання енергії (КВЕ). У міру прогріву інструмента, витрати енергії на її внут-рішнє накопичення тілом ТДІ знижуються, поступово збіль-шуючи частку корисної енергії, що сягає майже 95% від генерованої на РП. Найенергоємнішим циклом формоутворення є перший, коли інструмент ще холодний. Слід зазначити, що поведінка оброблюючої системи після 25 циклів потребує подальшого дослід-ження.
У четвертому розділі описані пристрої, розроблені для експериментальної перевірки результатів теоретичних до-сліджень та проведення інших експериментів, що мають важливе практичне значення. Тут описані результати проведення трьох серій експериментів.
Перша серія була спрямована на виявлення залежності між діаметром заготівки та розмірами деталі при вільному формоутворенні. Одержані в результаті статистичної обробки математичні моделі (7, 8) дають можливість з достатньою для практики точністю передбачити діаметри заготівки при відомих розмірах деталей і навпаки, розміри деталей при відомому діаметрі заготовки для різних режимів обертання. Так, при = 125,6 рад/с залежність діаметра заготівки від діаметра ТДІ визначається регресійним рівнянням:
, (7)
а залежність зовшнішнього діаметра деталі від діаметрів заготівки та ТДІ виз-начається слідуючим рівнянням:
(8)
Результати оцінки адекватності отриманих математичних моделей і експериментальних даних показали, що рівняння регресії при меншій відносній кутовій швидкості обертання точніше відбивають згадані залежності, ніж при більшій.
Друга серія досліджень була спрямована на підтверждення закономірностей зміни теплового поля в тілі ТДІ. Зміна температур у конкретних точках ТДІ розглядається як основний кількісний показник, що визначає потужність тепловідводу від РП в тіло інструменту. Для одержання масиву температур в координатах час - температура, в окремих точках тіла ТДІ проводився їх прямий замір термопарою, підключеною до входу вимірювального перетворювача. З метою ав-то-матизації запису параметрів експерименту використано персональний ком’пютер фірми IBM, можливості якого розширені спеціаль-ною платою моделі L–205 київської фірми “Холит Дейтс”. Порівняння теоретичних і експериментальних даних зміни в часі температурного поля ТДІ показало їхню розбіжність приблизно на 7...15%.
Третя серія експериментів була спрямована на дослідження інтенсивності зносу ТДІ в міру збільшення кількості виготовлених деталей. Вивчення характеру зношення ТДІ і характеру мікроструктурних перетворень у тілі інструменту, виготовленого із сталі Р6М5, показало що, його зношення не є принциповою перешкодою, не відбивається на точності внутрішнього діаметру деталі і не створює економічного бар'єру для освоєння нової технології виробництвом. Відносна величина зносу РП ТДІ в напрямку від її вершини до при-строю кріплення, виміряна по центру складає 0,05 мкм на кожний міліметр довжини здеформованого прутка-заготівки..
У пятому розділі приведено економічне узагальнення результатів дослідження та запропонована методика розрахунку річної економічної ефективності від впровадження фрикційного формоутворення. Економічні розрахунки виготовлення восьми типороз-мірів втулок показали, що впровадження технології фрикційного фор-моутворення дозволяє підвищити коефіцієнт використання металу в середньому в 1,5 раза, проти їх виготовлення різанням. На кожних 1000 деталей це забезпечує економію дефіцитного латунного прутка майже 27 кг, при зниженні витрат електроенергії на 5…15%. в залежності від розмірів деталі та потужності технологічного обладнання.
Загальні висновки
1.
Результати попередніх досліджень засвідчили перспективність технології фрикційного формоутворення при виготовленні порожнистих деталей зовнішнім діаметром менше 35 мм з кольорових металів та сплавів з точки зору раціонального використання металу, але енергоємність такого процесу не досліджувалась.
2.
Теоретично розроблена і практично реалізована математична модель теплопотоків через тіло ТДІ, яка вперше дозволила визначити потужність тепловтрат, і в такий спосіб оцінити енергетичну ефективність циклічного фрикційного формоутворення, що вносить істотний внесок у розвиток теорії досліджуваної технології.
3.
Дослідження теплових потоків через тіло ТДІ показали, що в міру його прогріву, витрати енергії на подальший нагрів в циклічному режимі знижуються, поступово збільшуючи частку корисної енер-гії, яка сягає 95% від генерованої; cамим енергоємним є формоутворення першої деталі, незалежно від початкових даних процесу.
4.
Порівняння даних, опублікованих в науково-технічній літературі для гарячої штамповки деталей на кривошипному пресі, з нашими експериментальними даними та розрахунками показує, що виготовлення фрикційним формоутворенням деталей, зовнішнім діаметром 35 мм з прутків двуфазних свинковистих латуней по енерговитратам економічніше в 1.5...2.5 рази в залежності від способу нагріву заготовки під штамповку.
5.
Вперше отримано експериментально-теоретичний опис залежності діаметральних розмірів заготівки та деталі, що дозволяє вибирати розміри прутків для заданої розмірної групи деталей.
6.
Вперше отримано експериментально-теоретичний опис процесу зношення інструменту в режимі вільного формоутворення, дослід-жена зміна мікроструктури та мікромеханічних властивостей його матеріалу; вперше отримано значення відносної величин зносу робочої поверхні ТДІ, яка складає 0.05 мкм на 1 мм довжини деформованого прутка-заготівки.
Список праць, опублікованих за темою дисертації
1.
Криськов О. Д., Эль-Факі Эль-Хавад. Базові схеми фрикційного формоутворення як основа визначення граничних умов енергетичної моделі процесу // Конструювання, виробництво та експлу-атація сільськогосподарських машин. Загальнодержавний міжві-домчий науково - тех. збірник. - Вип. 29 - Кіровоград, 2000. - С. 127 - 130.
2.
Крыськов О.Д., Эль-Факи Эль-Хавад. Математическое моделирование тепловых потоков в труще-деформирующем инструменте, при свободном формообразовании втулки // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. Загальнодержавний міжвідомчий науково - тех. збірник. - Вип. 27 - Кі-ро-во-град, 1999. - С. 6 - 12.
3.
Эль-Факи Эль-Хавад. Експериментальная установка для исследования процесса фрикционного формообразования на токарном станке // Збірник наукових праць Кіровоградського інституту сіль-скогосподарського машинобудування /техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація - Вип 2. - Кіровоград, 1998. - С. 22 - 25.
4.
Эль-Факи Эль-Хавад, Ульянова И.С. Контроль параметров процесса фрикционного формообразования, реализуемого на сверлильном станке // Збірник наукових праць Кіровоградського інституту сільскогосподарського машинобудування /техніка в сіль-ськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація - Вип 2 - Кіровоград, 1998. - С. 39 - 42.
5.
Криськов О.Д., Эль-Факі Эль-Хавад. До визначення граничних умов у процесі розв’язування диференціальних рівнянь теплопровідності при математичному моделюванні процесу фрикційного формоутворення // Розробка і технологія виробництва сільскогосподарських машин: Зб. наук. праць. - Київ, 1994. - С. 139 - 142.
6.
Криськов О.Д., Эль-Факі Эль-Хавад, Авраменко Д. В. Автоматизація контролю параметрів експерименту при досліджені операції фрикційного формоутворення // Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільскогосподарської техніки: Збірник наук. праць - Кіровоград, 1997. - С. 159 - 161.
7.
Крыськов О.Д., Эль-Факи Эль-Хавад, Ульянова И.С. Автоматизированный контроль параметров процесса фрикционного формообразования. Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века // Сборник трудов VI международной научно-технической конференции в Севастополе 13 - 18 сентября 1999 г. Т.3 - Донецк: Дон-ГТУ, 1999 - С. 194 - 197
8.
Эль-Факи Эль-Хавад. Исследование износа ТДИ при свободном фрикционном формообразовании // Проблеми конструювання, ви-роб-ництва та експлуатації сільско-господарської техніки: Збір-ник наук. прац. - Кіровоград, 1997. - С. 282 - 284.
9.
Криськов О.Д., Эль-Факі Эль-Хавад. Основні напрямки дос-лід-жень та особливості технології виробництва деталей обумовленого підкласу // Збірник наукових праць Кіровоградського інституту сільскогосподарського машинобудування. - Вип. 1. - Кіровоград, 1997. - С. 82.
10.
Эль-Факи Эль-Хавад. Статобработка двумерного массива экспериментальных данных при линейной кореляции // Конструювання, виробництво та експлуатація сільскогосподарських машин: За-гальнодержавний міжвідомчий науково - тех. збірник. - Вип. 24 - 26. - Кіровоград, 1996. - С. 149 - 152.
11.
Криськов О. Д., Эль-Факі Эль-Хавад. Загальна конструктивно - технологічна характеристика підкласу деталей, шо обумовленна технологічними можливостями та особливостями фрикційного формоутворення // Збірник наукових праць Кіровоградського інституту сільскогосподарського машинобудування. - Вип. 1. - Кіровоград, 1997. - С. 54 - 55.
12.
Криськов О.Д., Эль-Факі Эль-Хавад. Енергетична модель оброб-люючої системи фрикційного формоутворення // Проблеми роз-робки, виробництва та експлуатації сільскогосподарської техніки: Збірник наукових праць. - Кіровоград, 1995. - С. 53 - 54.
13.
Ульянова И.С., Эль-Факі Эль-Хавад. Автоматична побудова графіків у двомірній координатній сітці // Збірник наукових праць Кіровоградського інституту сільскогосподарського машинобудування /техніка в сільськогоспо-дарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація - Вип 2. - Кіровоград, 1998. - С. 184 - 186.
Анотація
Ельхавад Алі Ельфакі Ахмед. Енергетична ефективність процесу фрикційного формоутворення порожнистих деталей форми тіл оберту. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціаль-ності 05.03.01 - процеси механічної обробки, верстати та інструменти. - Кіровоградський державний технічний університет, Кіровоград, 2001 р.
Дисертація присвячена дослідженням технологічної енергетики маловідхідного технологі-чного процесу фрикційного формоутворення. Вивчено канали та потужність втрат енергії, яка витрачається в процесі вільного фрикційного формоутворення ціліндричних деталей. З цією ме-тою теоретично розроблена математична модель теплопотоків через тіло тручого та деформуючого інструменту, який розглядається як основний канал втрат енергії. В моделі передбачено рішення поставленої задачі при умовах теплообміну на робочій поверхні як першого так і другого роду. Реальні значеня питомої теплогенерації на робочій поверхні, необхідні для рішеня задачі в умовах телообміну другого роду, виз-начені експериментальним шляхом. Дослідження теплових потоків в тілі ТДІ показують, що в міру його прогріву, витрати енергії на внутрішнє споживання знижу-ються, а корисне використання енергії в циклічному технологічному процесі доходить до 95% від генерованої на робочій поверхні.
Для умов вільного формоутворення, одержано експериментально-теоретичний опис процесу зношення РП інструменту, віднайдено математичні залежності між діаметральними розмірами заготовки та виготовленої деталі, досліджені зміни мікроструктури і мікромеханічних властивостей матеріалу інструменту та деталі, виготовленої в умовах вільного формоутворення.
В останній частині дисертації проведено порівняння технікоекономічних показників двох конкуруючих технологій: фрикційного формоутворення та обробки металу різанням на прикладі виготовленя втулок восьми типорозмірів.
Ключові слова :фрикційне формоутворення, енергетика, втрати, латунь, тручий та деформуючий інструмент, математична модель, ефективність.
Аннотация
Ельхавад Али Ельфаки Ахмед. Энергетическая эффективность процесса фрикционного формообразования полых деталей формы тел вращения . – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 – процессы механической обработки, станки и инструменты. – Кировоградский государственный технический университет, Кировоград, 2001.
Диссертация посвящается исследованиям технологической энергетики малоотходного технологического процесса фрикционного формообразования.
Физическая суть технологического процесса фрикционного формообразования состоит в том, что с целью кардинального уменьшения сопротивления деформации - заготовка нагревается непосредственно в процессе формоизменения в результате преобразования в тепло работы трения на поверхности контакта деформирующий инструмент-деформирующая заготовка. Для увеличения этой работы инструменту сообщается вращательное движение относительно заготовки. При определенном режиме трения на поверхности контакта инструмент-заготовка выделяется количество тепла, достаточное для того, чтобы разогреть в единицу времени определенный объем металла, вследствие чего последний резко уменшит сопротивление деформации. Методом математического моделирования в дисертации исследованы пути и мощность потерь генерированной энергии, при формообразовании цилиндрических деталей из прутковой заготовки. С этой целью разработана теоретическая модель теплопотоков через тело труще-деформующего инструмента, которое рассматривается как основной канал потерь тепловой энеергии. С целью упрощения алоритмизации процесса он разделен на две фазы: нагрев и охлаждениt ТДИ, а фазы в свою очередь – на отдельные этапы. Моделью предусмотрено решение поставленой задачи при условиях теплообмена на поверхности теплогенерации как первого так и второго родов. Реальные значения генерируемых на рабочей поверхности удельных мощностей, необходимые для решения задачи при условии теплообмена на РП второго рода при изготовлении деталей из латуни ЛС 59-1, определены экспериментальным путем.
Исследовано тепловое взаимодействие инструмента с устройством крепления. С целью комплексной оценки энергетической эффективности процесса фрикционного формообразования используется понятие коэффициента полезного использования энергии. Под этим коэффициентом понимается энергия, израсходованная в процессе формоизменения непосредственно на нагрев деформируемого металла перед деформацией. Решена задача расчета его величины.
Теоретические исследования тепловых потоков в теле труще-деформующего инструмента показывают, что по мере его прогрева, потери энергии на внутренее потребление уменьшаются. Доля полезной энергии, используемой непосредственно на нагрев материала заготовки перед деформацией в циклическом режиме достигает 95% от генерированной на рабочей поверхности.
В экспериментальной части работы было выполнено три серии экспериментов. Результатом статистической обработки экспериментальных данных первой серии являются математические зависимости между диаметральными размерами заготовки и размерами изготавливаемой детали.Вторая серия экспериментов была направлена на подтверждение соответствия результатов, полученных на математических моделях, фактической динамике изменения температурного поля в труще-деформирующем инструменте. Изменение температуры в конкретной точке тела, рассматривается как количественный показатель мощности теплового потока через инструмент. Сравнение теоретичеких и экспериментальных значений показало разброс температур в расчетных точках в пределах 7...15%, что следует признать удовлетворительным. В третьей серии экспериментов впервые исследованы износ рабочей поверхности ТДИ в условиях циклического формообразования, изменение микроструктуры и микромеханических свойств его материала под воздействием рабочих нагрузок и температур. Исследование микроструктуры и микромеханических свойств ма-териала детали, изготовленой в условиях свободного формообразования, показали определенное ее улучшение.
В последней главе диссетации проведено сравнение технико-экономическое показателей двух конкурирующих технологий: фрикционного формообразования и обработки металла резанием на примере изготовления втулок восьми типоразмеров.
Ключевые слова: фрикционное формообразование, энер-гетика, потери, латунь, труще-деформирующий инструмент, математическая модель, эффективность.
Annotation
Elkhawad Ali Elfaki Ahmed. Energetic effectiveness of the friction formation process of hollow turnover parts. - Manuscript.
Dissertation on winning the scientific candidate degree of technical sciences on speciality 05.03.01 - Processes of tooling, machine-tools and instruments. - Kirovograd State Technical University, Kirovograd, 2001.
Dissertation is devoted by research of technological energetic of low losses technological process of friction formation. In dissertation inquired the channels of energy losses power, which expends in act of friction formation hollow cylindrical details. For this aim developed a mathematical model of the heat streams through the body of frictional and deforming instrument, which considers as basic energy losses channel. In model provided for decision of put task attached to heat exchange conditions on work surface as first so and second kinds. Real quantities of specific heat generation on the work surface, which are necessary for solution and task in condition of heat exchanging of second kind, is definite by experiment. Researches of thermal streams in frictional and deforming instrument’s body show, that for the period of his heating, the energy expenses on internal consumption fall down, and an useful energy use in cyclical technological process reaches to 95% from generated on work surface.
On the conditions of free formation, obtained experimentally-theoretical frame of the work surface wearing out process description of instrument, determined the mathematical dependence between diametrical dimensions of the work peace and detail, explored the microstructural changes and micromechanical properties of the materials of instrument and detail in conditions of free friction formation
In the last chapter of the dissertation executed the comperason of the technical- economical indices bettween technolgies of friction formation and cutting of metals by tools of eight types of dimensions.
Key words: friction formation, energetic, losses, brass, Frictional and deforming instrument, mathematical model, effectiveness.
Підписано до друку 25.01.2001. Формат 60х841/16. Папір белий. Надруковано на різографі. Умов. друк. арк. 1,75. Зам. N133 2001. Тираж 120 прим.. РВВ КДТУ м. Кіровоград. Пр. Правди 70-А, тел. 597-541, 559-245, 597-551
