Інститут технічної теплофізики

Сукайло Віктор Олександрович

УДК 536.24:621.9

Розробка розрахунково - експериментального підходу

для аналізу ТЕПЛОВИХ деформацій при точінні з

використанням різних методів охолодження

05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2005

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Інституті управління якістю Магдебурзького університету імені Отто Фон Герихе (Німеччина)

Науковий керівник: Круковський Павло Григорович,

доктор технічних наук, професор,

зав. відділом Інституту технічної теплофізики

Національної академії наук України

Офіційні опоненти: Тарасєвич Микола Іванович,

доктор технічних наук, зав. відділом

Фізико-технічного інституту металів і сплавів

Національної академії наук України

Антонюк Віктор Степанович, доцент

кандидат технічних наук, доцент

Національного технічного університету

України "КПІ"

Провідна установа: Інститут проблем машинобудування

ім. А.М.Підгорного

Національної академії наук України

Провідна установа

Захист відбудеться 27.12. 2005 р. о __14____ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ-57, вул. Желябова, 2а.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ-57, вул. Желябова, 2а.

Автореферат розісланий 24.11. 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н. Чайка О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Головними завданнями, що стоять перед наукою і практикою різання в умовах сучасного виробництва, є забезпечення високої якості виробів, однорідності продукції і економічності процесу обробки. Рішення кожного із цих завдань тією чи іншою мірою пов'язане з дослідженням теплофізичних процесів і шляхів керування ними при різанні.

Якість, надійність і довговічність виробів залежать у свою чергу від напруг, що залишаються в поверхневих шарах після обробки і їхньої розмірної однорідності, що безпосередньо впливає на працездатність і зношування виробів.

Слід зазначити, що розвиток сучасного машинобудування супроводжується освоєнням нових конструкційних, жароміцних і зносостійких сталей і сплавів для виробів з високими міцностними властивостями. Механічна обробка таких матеріалів супроводжується виникненням термічних напруг. Надлишкова теплота призводить до розігріву і температурним деформаціям заготовки, величини яких залежать від багатьох факторів. Перевищення припустимого рівня деформацій у свою чергу призводить до втрати точності готової деталі.

Проблема виникнення похибки розмірів деталі в процесі точіння полягає в тому, що заготовка буде збільшувати свій діаметр внаслідок підведення до неї теплоти і підвищення температури як у зоні різання, так і заготовки в цілому. При розігріві і внаслідок цього тепловому розширенні заготовки різець буде зрізати більше матеріалу, ніж передбачено технологічним процесом, і після охолодження заготовка буде мати деяку конусність (рис.1). Основним засобом зниження температурних деформацій деталі є охолодження зони різання.

У цей час для охолодження зони різання використовуються різні методи, які можна умовно розділити на дві групи:

перша група - методи загального охолодження деталі і зони різання,

друга група - методи локального охолодження зони різання.

Широко розповсюдженим методом загального охолодження є метод поливу деталі та зони різання різними емульсіями. Цей метод поряд з найкращим охолоджувальним ефектом і іншими позитивними якостями має істотний недолік, пов'язаний з негативним впливом на здоров'я операторів верстатів і екологічною шкідливістю емульсії.

Створення нових матеріалів і захисних покриттів різальних інструментів забезпечило принципову можливість застосування сухої обробки. Однак при сухій обробці у зв'язку з виникненням найбільш високих температур у зоні різання мають місце найбільші розігрів та температурні деформації заготовки в процесі обробки. Так при сухій обробці температурні деформації можуть досягати значень 30 мкм за один прохід (рівень, розглянутий у даній роботі) і більше.

Необхідно відзначити великий внесок у розвиток науки про теплові процеси при точінні (теплофізики різання) таких вчених, як Резніков А.Н., Берлінгер Э.М., Остаф'єв В.А., Якимов А.В., Слободяник П.Т. та інші.

Інтенсивний розвиток обчислювальної техніки і програмного забезпечення в останні роки дозволяє застосувати для аналізу процесів теплового розігріву і температурних деформацій розрахунковий метод математичного моделювання задач термонапруженого стану деталей при точінні, для реалізації якого найбільш загальними та ефективними є числові методи, зокрема метод кінцевих елементів. Існуючі в літературі моделі термонапруженого стану деталей при точінні є не досить адекватними через не точно відомі вхідні дані для обраної пари деталь-різець, що насамперед стосується величини потоку тепла, що входить в деталь. З іншої сторони для забезпечення адекватності математичних моделей одержали достатній розвиток методи ідентифікації параметрів цих моделей на основі розв’язання обернених задач теплообміну по експериментальним даними, отриманим при дослідженні різних процесів і об'єктів.

Тому розробка підходів, методик і моделей аналізу і прогнозування температурних деформацій деталей при точінні із застосуванням різних видів охолодження є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати роботи отримані при виконанні теми “Численное моделирование отклонений размеров и формы заготовки при точении с применением различнх видов охлаждения и смазки”, що виконувалась в 2000-2003 р.р. в Інституті управління якістю Магдебурзького університету імені Отто Фон Геріхе (Німеччина).

Об’єктом дослідження є система “різець-деталь-стружка-охолоджуюче середовище” загалом, а також металеві деталі обертання, що одержують при лезвійній обробці на токарних верстатах, зокрема.

Предметом дослідження є теплові процеси, що відбуваються в деталях при лезвійній обробці на токарних верстатах, і зв'язані з ними процеси температурних розширень цих деталей.

Методи дослідження – математичне моделювання і експериментальні дослідження процесів теплообміну і температурних деформацій деталей при точінні на токарних верстатах.

Мета і завдання дослідження. Розробка і апробація розрахунково-експериментального підходу для прогнозування температурних деформацій деталей при точінні з використанням різних методів охолодження, що дозволяє управляти точністю точіння шляхом вибору методу охолодження і (або) корекції руху різця.

Для досягнення поставленої мети були визначені такі завдання дослідження:

1. На основі аналізу фізичних процесів, що відбуваються при точінні деталей, розробити (вибрати) найбільш раціональну схему розрахунково-експериментального підходу, що дозволяє досягти поставленої в роботі мети.

2. Розробити фізичну, математичну і комп'ютерну моделі розрахунку температурних деформацій при багатопрохідному точінні деталей ступінчастої форми із застосуванням різних видів охолодження.

3. Вибрати оптимальні схеми експериментів, що дозволяють одержати необхідні експериментальні дані для визначення основних параметрів моделей температурних деформацій при точінні.

4. У рамках розрахунково-експериментального підходу розробити методики визначення основних параметрів моделей розрахунку температурних деформацій при заданій схемі точіння, а саме:

- потоку тепла в деталь від зони різання;

- коефіцієнтів тепловіддачі від деталі у повітря або емульсію;

- коефіцієнтів тепловіддачі від деталі при використанні систем локального охолодження деталей.

5. Вибрати метод і алгоритм розв’язання обернених задач теплопровідності для визначення перерахованих у п.4 коефіцієнтів моделі за експериментальними даними про тепловий стан деталей.

6. Випробувати розроблений розрахунково-експериментальний підхід, як сукупність комп'ютерної моделі, схеми проведення і результатів експерименту, а також методик визначення коефіцієнтів моделі для прогнозування температурних деформацій при точінні 24-х прохідної деталі з використанням різних видів охолодження і охолоджуючих середовищ.

7. Випробувати підхід для прогнозування температурних деформацій при точінні деталі типу “сонячний вал”.

Достовірність результатів. Достовірність отриманих у роботі результатів забезпечена використанням випробуваного методу кінцевих елементів і сучасної комп'ютерної програми ANSYS, що має ISO-сертифікат якості, для моделювання процесів теплообміну і температурних деформацій деталей при точінні, а також випробуваних експериментальних методів і приладів визначення кількості теплоти за допомогою калориметрів, виміру температур за допомогою термометрів і термопар, а також виміру лінійних розмірів деталей за допомогою високоточного мікрометричного устаткування.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше запропоноване і випробуване застосування розрахунково-експериментального підходу до прогнозування температурних деформацій при точінні деталей з використанням різних методів охолодження. Підхід, як сукупність методології, розрахункових моделей, методів визначення її параметрів і експериментальних методик є науковою основою для прогнозування теплових деформацій та керування точністю точіння шляхом вибору методу охолодження і (або) корекції руху різця.

2. Розроблені нові фізична, математична і комп'ютерна моделі (у програмному середовищі ANSYS) для розрахунку температурних деформацій, що враховують багатопрохідність точіння, відхід металу, що зрізується у стружку, а також теплообмін при різних видах та способах загального і локального охолодження деталей.

3. В рамках розрахунково-експериментального підходу розроблені оригінальні схеми проведення експерименту і методики визначення потоку тепла в деталь від зони різання, а також коефіцієнтів тепловіддачі від деталі в різні охолоджуючи середовища на основі розв’язання обернених задач теплопровідності.

Практичне значення отриманих результатів.

Використання розробленого розрахунково-експериментального підходу для аналізу температурних деформацій при точінні з використанням різних методів охолодження дозволяє прогнозувати з необхідною інженерною точністю похибки лезвійної обробки деталей і тому є основою для керування точністю точіння шляхом вибору методу охолодження і (або) корекції руху різця. Підхід впроваджений на фірмі “MAN Nutzfahrzeuge AG” (Німеччина).

Широке впровадження даного підходу на практиці сприяє також значному скороченню застосування екологічно шкідливої охолоджуючої емульсії і зменшенню забруднення навколишнього середовища.

Особистий внесок здобувача. Сформульовано мету і завдання дослідження. Розроблена раціональна схема розрахунково-експериментального підходу для прогнозування температурних деформацій деталей при точінні з використанням різних методів охолодження. Розроблено фізичну, математичну і комп'ютерну моделі розрахунку температурних деформацій при багатопрохідному точінні деталей. Обрано оптимальні схеми експерименту і проведений весь обсяг експериментальних робіт, наведений у дисертації. Проведено апробацію підходу для прогнозування температурних деформацій при точінні 24-х прохідної деталі і деталі типу “сонячний вал” з використанням різних видів охолодження і охолоджуючих середовищ. Сформульовано висновки по роботі.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи обговорювалися на Міжнародній конференції "Высокие технологии в машиностроении" (вересень 1999 р., м.Алушта, Україна); Міжнародній конференції "Интерпатрнер" (вересень 2000 р., м.Алушта, Україна); II-й Міжнародній конференції "Проблемы промышленной теплотехники" (Київ, 2001 р, Україна), колоквіумі “Zerspantechnisches Kolloquium des wissenschaftlichen Nachwuchses „Innovative Grundlagenforschung fur die industrielle Praxis“” (October, 2001, Magdeburg, Germany); 19 CAD – FEM International congress on FEM technology (2001, Potsdam, Deutschland); International Conference on Advances in Materials and Processing Technologies (AMPT) (2003, Dublin, Ireland); „III-й конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBH” (квітень 2003 р., м. Москва, Росія).

Публікації. Основні положення і результати роботи викладені в 16 публікаціях, серед яких 6 статей у наукових журналах (у тому числі 4 статті в наукових журналах України, визнаних ВАК України) і 10 в доповідях та збірниках наукових конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із введення, п'яти глав (розділів), висновку, переліку літературних джерел і акту впровадження. Повний обсяг роботи становить 122 сторінки; є 40 ілюстрацій і 4 таблиці. Перелік використаної літератури містить 79 найменувань і розміщується на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі розглядається проблема впливу теплових деформацій при точінні якісно і кількісно, тобто описані методи експериментального і розрахункового аналізу теплових деформацій, методи охолодження і охолоджуючі середовища, що використовуються. На рис.1 схематично показана причина виникнення похибки кінцевих розмірів деталі при обробці (точінні) деталі в токарному верстаті. В процесі точіння заготовка буде збільшувати свій діаметр внаслідок підведення до неї теплоти, підвищення температури і теплових деформацій як у зоні різання, так і заготовки в цілому.

Рис.1 Виникнення температурної похибки rt при точінні (ар -- глибина різання).

Таким чином різець буде зрізати більше матеріалу, чим передбачено технологічним процесом і після охолодження заготовка буде мати деяку конусність і відхилення розмірів від заданих.

При обробці деталі ріжучий клин, врізаючись у шар, що зрізається, впливає на нього з деякою силою, що називається силою стружкоутворення. При цьому шар матеріалу, що обробляється і підлягає видаленню, перебуває в стані пружнопластичного деформування і перетворення його в стружку. Ці силові впливи і викликають виділення теплоти в зоні різання, величина якої сильно залежить від механічних властивостей матеріалу деталі, форми, структури, механічних і фрикційних властивостей матеріалу ріжучої кромки різця, швидкості різання і температури в зоні різання. Тому існуючі методики розрахунку (оцінки) величини виділеного в зоні різання тепла вимагають всіх перерахованих вище механічних і фрикційних властивостей деталі і різця, які істотно залежать від параметрів різання і температури і тому їх експериментальне визначення є трудомістким і не точним. Ще більшою проблемою є проблема розрахунку кількості тепла, що йде в деталь, як частини тепла, що виділяється в зоні різання.

У розділі проаналізовані математичні моделі, розроблені для аналізу температурних деформацій при точінні. Відзначено відсутність у цих моделях таких важливих складових, як врахування багатопрохідності точіння, видалення металу, що зрізується в стружку, а також урахування теплообміну при різних видах і способах загального і локального охолодження деталей.

Показано недоліки застосування окремо експериментального і розрахункового підходів для аналізу і прогнозування теплових деформацій при точінні. А саме, чисто експериментальний підхід не дозволяє прогнозувати теплові деформації, а чисто розрахунковий підхід має низьку точність внаслідок відсутності надійних і доступних методик визначення потоку тепла в деталь від зони різання і коефіцієнтів тепловіддачі від деталі в навколишнє середовище і різні середовища систем локального охолодження.

Тому в якості основної мети дисертаційної роботи запропоновано розробити розрахунково-експериментальний підхід, позбавлений перерахованих вище недоліків. При цьому під підходом розуміється сукупність методології, моделей, методів і методик, що дозволяють досягти поставленої в роботі мети.

У другому розділі викладена суть розрахунково-експериментального підходу (рис. 2), яка полягає в наступному. Об'єкт, що досліджується і математична модель, що описує основні фізичні процеси, що відбуваються в об'єкті, дозволяють вимірювати (ТЕ) і розраховувати (ТМ) деякі однойменні вихідні характеристики досліджуваного процесу, що цікавлять дослідника і інженера. У свою чергу ці характеристики залежать від ряду вхідних параметрів Р фізичного або технологічного характеру.

У нашому випадку до таких параметрів відносяться зазначені вище тепловиділення в зоні різання і коефіцієнти теплообміну деталі з охолоджуючими середовищами. Параметри Р можуть бути недостатньо добре відомими і їхнє визначення стає можливим за допомогою розв’язання обернених задач за даними експериментальних вимірів ТЕ. Розв’язання обернених задач зводиться до пошуку таких значень Р, для яких розрахункові (ТМ) і експериментальні (ТЕ) значення деяких характеристик (у нашому випадку теплових) стають близькими друг до друга. Критерієм близькості цих характеристик найбільше часто є величина

, (1)

де m – число експериментальних вимірів, що використовуються для розв’язання оберненої задачі; - середньоквадратична похибка виміру. Отримані розв’язанням обернених задач параметри Р процесу, що досліджується,

використовуються на основі тієї-ж самої моделі для розв’язання основних інженерних задач аналізу (дослідження), оптимізації або прогнозу (рис. 2). Розв’язання ж обернених задач є допоміжною процедурою, що забезпечує адекватність обраної моделі фізичним процесам, що розглядаються.

Використання такого підходу є найбільш правильним і ефективним для достовірного аналізу складних практичних задач, у тому числі задач аналізу і прогнозування теплових деформацій при точінні.

У такому вигляді розрахун-ково-експеримен-тальний підхід виступає як спосіб аналізу, оптимізації і прогнозування температурних деформацій деталей при точінні на основі комп'ютерної моделі (розрахункова частина підходу), адекватність якої забезпечується шляхом параметричної ідентифікації за допомогою експериментальної інформації про досліджуваний процес (експериментальна частина підходу) і розв’язання обернених задач.

У розділі розглянуті існуючі методи параметричної ідентифікації моделей. В даному підході обраний екстремальний метод розв’язання поставлених обернених задач. Для комп'ютерної реалізації розв’язання обернених задач теплопровідності обрана схема використання незалежної програми FRIEND (для розв’язання обернених задач) з програмою ANSYS для розв’язання прямих задач теплопровідності деталей при точінні.

Проведений аналіз експериментальних схем для використання в розрахунково-експериментальному підході показав, що найбільш підходящою схемою є схема виміру інтегральної кількості теплоти, що ввійшла в деталь при точінні і (або) покинула деталь внаслідок охолодження у навколишнє повітря і охолоджуюче середовище системи локального охолодження.

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень різних видів охолодження деталей при точінні, калориметричні дослідження теплових режимів охолодження заготівок без точіння і нагріву з точінням, а також експериментальне дослідження похибки багатопрохідного точіння деталей внаслідок теплових деформацій з метою одержання необхідної експериментальної інформації для перевірки розглянутого в попередньому розділі розрахунково-експериментального підходу і визначення потоку тепла в деталь від зони різання, а також коефіцієнтів тепловіддачі від деталі в різні охолоджуючі середовища на основі розв’язання обернених задач теплопровідності.

Досліджувалися чотири види охолодження: метод поливу зони різання емульсією, подачі в зону різання водно-повітряної суміші (так звана в літературі техніка мінімального охолодження (ТМО)), подачі в зону різання масляно-повітряної суміші (так називана в літературі техніка мінімального змащення (ТМЗ)) і суха обробка, при якій охолодження відбувається тільки від поверхні деталі, що обертається, в повітря.

Результати експериментальних досліджень охолоджуючої здатності різних видів охолодження деталей показали, що оптимальною з погляду охолоджуючої ефективності, вартості і впливу на якість поверхневого шару деталі є водно-повітряна розпилена суміш (туман), що подається локально в зону різання за допомогою спеціального пристрою.

Калориметричні дослідження теплових режимів охолодження заготівок без точіння і з точінням дали необхідну інформацію для ідентифікації параметрів моделі (потоку тепла в деталь від зони різання, а також коефіцієнтів тепловіддачі від деталі в різні охолоджуючі середовища).

Отримано експериментальну інформацію про похибки багатопрохідного точіння деталі внаслідок теплових деформацій (рис.3) для наступного порівняння з розрахунковими значеннями температурних деформацій.

У четвертому розділі наведені результати перевірки запропонованої схеми розрахунково-експериментального підходу на прикладі розрахункового прогнозування теплових деформацій при 24-х прохідному точінні деталі, кінцева форма якої представлена на рис. у верхньому лівому куті. В якості деталі, що досліджувалася, була обрана деталь ступінчастої форми (рис. ) з максимальним діаметром 99 мм і мінімальним 53 мм після 24-х проходів різання. Відмінність між двома сусідніми діаметрами становила 2 мм, ширина сходинки кожного діаметра - 4 мм.

Була проведена обробка чотирьох заготовок із використанням чотирьох видів охолодження: суха обробка, ТМО, ТМЗ і метод поливу емульсією. Після закінчення обробки і повного охолодження деталей вимірялися відхилення розмірів всіх діаметрів деталі від заданих. Усереднені результати вимірів наведені на рис. . Із графіка видно, що суха обробка дає найбільшу похибку. Наприкінці обробки вона досягає величин, більших ніж 180 мкм. Найкращі результати дає застосування методу поливу емульсією. У цьому випадку теплова похибка має мінімальні значення і її збільшення від одного проходу до іншого незначне. Методи охолодження ТМО і ТМЗ займають проміжне положення у відповідності зі своїми охолоджуючими здатностями.

Для розв’язання задачі моделювання теплових деформацій була прийнята наступна фізична модель розглянутого процесу теплообміну ступінчастої

Рис. 3. Залежність відхилення розмірів готової деталі внаслідок теплових деформацій від величини заданого діаметра сходинки (номера проходу) при застосуванні різних видів охолодження. Суцільні лінії – експеримент, пунктирні – розрахунок. Криві 1 – суха обробка, 2 – локальне охолодження методом ТМЗ, 3 – локальне охолодження методом ТМО, 4 – метод поливу емульсією.

циліндричної деталі із зоною різання, оточуючим повітрям і локальною системою охолодження (рис. ). Геометрія області розв’язання являє собою двовимірну циліндричну область у циліндричній системі координатах r–z з максимальним радіусом rmax і довжиною заготовки zmax. В цю область розв’язання входить як східчаста підобласть готової деталі, так і частина заготовки, що пішла в стружку. На поверхні S1 (вся зовнішня поверхня заготовки) діє теплообмін з навколишнім повітрям з коефіцієнтом теплообміну 1. У зоні різання на кільцевій поверхні дії різця на деталь S відбувається надходження теплового потоку q від зони різання в деталь. Поверхня S, а разом з нею і місце надходження теплового потоку q в деталь рухаються зі швидкістю руху різця v уздовж вісі деталі z з права наліво. Праворуч від різця матеріал деталі йде в стружку, тому ця частина області розв’язання з розгляду виключається. На поверхні S2 діє також локальний теплообмін від деталі в водно-повітряне, масляно-повітряне або емульсійне середовище з коефіцієнтом тепловіддачі 2. Поверхня локального охолодження S2 також рухається з права наліво зі швидкістю v.

У моделі були зроблені наступні припущення: задача зводиться до двохвимірної вісесиметричної постановки; потік тепла від різця розподілений рівномірно по кільцевій поверхні різання S, глибина якої дорівнює ар (у роботі розглядалося ар=1 мм); використовується ефективний радіаційно-конвективний коефіцієнт тепловіддачі 1; охолодження від сопла локального охолодження діє рівномірно по локальній площадці, довжина якої вздовж вісі z дорівнює 2 см. (зона різання перебуває в центрі цієї площадки).

Тепловий стан деталі описується рівнянням теплопровідності

(2)  

,      r rmax,      z zmax.

з початковою умовою

T(r, z, ) T0 (3)

і наступними граничними умовами:

на рухливій границі S (потік тепла від різця в заготовку)

,     S S(r, z, ),      (4)

на границі S1 (теплообмін заготовки з повітрям), крім границі S2

, (5)

, (6)

на рухливій границі S2 (теплообмін заготовки з локальним охолоджуючим струменем)

,     S2 S2(rmax, z, ). (7)

Розмір границі S змінний і залежить від положення зони різання. В (2)-(7)  (r, z, , T), C C(r, z, , T) і  (r, z, , T) коефіцієнт теплопровідності, теплоємність і густина матеріалу заготовки відповідно; T T(r, z, ) – температура; – час; Tw – температура поверхні заготовки; Ts – температура охолоджуючого середовища. Швидкість руху охолоджуючого струменя дорівнює швидкості руху різця v уздовж вісі z, У роботі розглядалася швидкість v ,1327/r, м/c така, для якої лінійна швидкість руху заготовки відносно різця і отже тепло q постійні. Теплові деформації заготовки описуються відомими рівняннями

dr (T)rdТ,     dz (T)zdТ, (8)

де - коефіцієнт лінійного розширення матеріалу заготовки.

Для розв’язання даної задачі на основі моделі (2)–(8) у середовищі комп'ютерної програми ANSYS була створена кінцево-елементна модель із кількістю елементів 3502, вузлів - 4015. Кількість елементів уздовж вісі z в області різання дорівнювала 100. Моделювалося точіння з 24-ма проходами. Оскільки глибина різання становила 1 мм, то розмір елемента вздовж вісі r в області різання також становив 1 мм. Як зазначено вище, швидкість руху різця v залежала від поточного радіуса різання r. Відповідно до цієї швидкості на кожному проході крок за часом числового розв’язання вибирався таким, щоб за цей крок різець пересувався вліво на розмір одного елемента (1 мм). “Відпрацьовані” у стружку елементи виключалися шляхом присвоєння їм особливих теплофізичних властивостей (теплопровідність уздовж осі z, густина і теплоємність близькими до нуля, а теплопровідність уздовж осі r близької до нескінченності), що в тепловому сенсі відповідає виключенню їх з області розв’язання.

Застосування даної моделі для прогнозування теплових деформацій деталі при точінні можливо при наявності ряду параметрів, які, як відзначалося раніше, дуже складно або не можливо одержати чисто експериментально, тому для їхньої оцінки використовується розглянутий розрахунково-експериментальний підхід. Як також вказувалося вище, до таких параметрів відносяться: тепловий потік q від зони різання в деталь; коефіцієнт тепловіддачі 1 від деталі в повітря і коефіцієнт тепловіддачі 2 від деталі у водно-повітряне, масляно-повітряне або емульсійне середовище системи локального охолодження. За допомогою експериментальних даних, розглянутої вище моделі і обраного методу розв’язання обернених задач були визначені ці коефіцієнти моделі. На рис. 5 наведена наглядна схема розрахунково-експериментального визначення теплового потоку q від різця в деталь. Так величина щільності теплового потоку, що входить у деталь від зони різання, склала q ,52106 Вт/м2, величина коефіцієнта тепловіддачі від циліндричної поверхні деталі, що обертається, в нерухоме повітря склала 1 ,3 Вт/(м2K), величини коефіцієнта тепловіддачі від деталі у водно-повітряне (2 , Вт/(м2K)) і масляно-повітряне (2 , Вт/(м2K)) середовища систем локального охолодження.

Коефіцієнти тепловіддачі знаходилися за схемою, аналогічною рис. 5, а саме нагріта до температури 60о С заготовка без точіння оберталася 5 хв. у верстаті, після чого калориметром вимірювалася кількість теплоти, що залишилась в заготівці.

Рис. 5 Загальна схема розрахунково-експериментального визначення потоку тепла в деталь при точінні.

На рис. 6 наведено типове температурне поле в деталі.

На основі отриманих полів температур для всіх проходів і діаметрів і співвідношень (8) були отримані поля теплових деформацій, які дозволили провести порівняння між відхиленням діаметрів через теплову деформацію, отриманих в експериментах і розрахованих за допомогою моделі (2)-(8). Результати наведені на рис 3 (пунктирні лінії). Різниця між експериментальними даними і даними, отриманими моделюванням, не перевищує 15%, що задовольняє точності інженерних розрахунків.

У п'ятому розділі роботи розглянуте застосування запропонованого розрахунково-експериментального підходу для аналізу теплових деформацій реальної промислової 3-х ступінчастої деталі, що має назву “сонячний вал”, при сухому точінні надтвердим інструментом загартованої сталі. Для розглянутої деталі (рис.7) точіння застосовувалося для заміни шліфування, що є дуже дорогим і вимагає великої кількості охолоджуючої рідини. Фізична, математична і комп'ютерна кінцево-елемен-тна моделі були аналогічні розглянутим вище. Аналіз також проводився в середовищі комп'ютерної програми ANSYS. Кількість елементів складала 1100. Моделювалося однопрохідне точіння 3-х ступенів заготовки. У результаті проведення калориметричних експериментальних вимірів і розв’язання обернених задач (за схемою рис. 5) були знайдені значення теплового потоку q = 2,26106 , Вт/м2, коефіцієнта тепловіддачі від деталі в повітря = 28 Вт/(м2К).

Температурне поле деталі наприкінці процесу точіння представлене на рис.8. Залежність температури в точці підведення теплоти в деталь від координати z деталі при точінні показане на рис.9, а відповідні їм температурні розширення деталі біля зони різання показані на рис.10.

Поведінка кривої температури в точці підведення теплоти в деталь на рис. 9 пояснюється конфігурацією деталі і особливостями теплових процесів при наявності рухливого джерела теплоти на краях сходинок деталі. Різець при точінні входить у праву частину сходинки з діаметром 34 мм (рис. 7) і при цьому температура в зоні різання починає зростати.

У лівій точці цієї сходинки (координата z = 39мм) температура знижується через наближення до більш масивної частини деталі, тобто збільшується обсяг матеріалу, у який іде теплота.

Проведене порівняння між розрахунковим (рис. 10) і експериментальним значеннями теплових деформацій у кінцевій точці точіння показало максимальне відхилення між ними на рівні 7%, що також показує достатню інженерну точність запропонованого розрахунково-експериментального підходу для прогнозування теплових деформацій при точінні.

Керування деформаціями, що одержані в результаті розрахунків, (наприклад, рис.10) можливе за допомогою або підбору способу і (або) охолоджуючого середовища, або введенням корекції положення різця за законом, що компенсує криву теплових деформацій. Розв’язання такої задачі не входить в об’єм розглянутої роботи і є подальшим перспективним її продовженням.

ВИСНОВКИ

1. Вперше запропоноване і випробуване застосування розрахунково-експериментального підходу для прогнозування температурних деформацій при точінні деталей з використанням різних методів охолодження. Підхід, як сукупність методології, моделей і методик є науковою основою для керування точністю точіння шляхом вибору методу охолодження і (або) корекції руху різця.

2. Розроблені нові фізична, математична і комп'ютерна моделі (у програмному середовищі ANSYS) розрахунку температурних деформацій, що враховують багатопрохідність точіння, видалення металу, що зрізується, у стружку, а також теплообмін при різних видах і способах загального і локального охолодження деталей.

3. У рамках розрахунково-експериментального підходу розроблені оригінальні, менш трудомісткі і більш точні (не менше, ніж на 30%) схеми проведення експерименту і методики визначення потоку тепла в деталь від зони різання, а також коефіцієнтів тепловіддачі від деталі в різні охолоджуючі середовища на основі розв’язання обернених задач теплопровідності. Знайдені значення щільності теплового потоку q ,52106 Вт/м2, що входить у деталь від зони різання при точінні 24-х прохідної деталі, коефіцієнтів тепловіддачі від циліндричної поверхні деталі в повітря 1 ,3 Вт/(м2K) та в водно-повітряну 2 , Вт/(м2K) і масляно-повітряну 2 , Вт/(м2K) суміші систем локального охолодження.

4. Розроблений розрахунково-експериментальний підхід у вигляді комп'ютерної моделі, схеми проведення експерименту і методик визначення коефіцієнтів моделі був випробуваний для прогнозування температурних деформацій при точінні 24-х прохідної деталі з використанням різних видів охолодження і охолоджуючих середовищ. Підхід також був випробуваний для прогнозування температурних деформацій при точінні деталі типу “сонячний вал”. Випробування показали, що максимальні відхилення між розрахунковими і експериментальним значеннями теплових деформацій при точінні мають рівень 7-15 %, який задовольняє вимогам інженерної точності.

5. Широке впровадження розглянутого підходу на практиці може значно скоротити (в 2 і більше разів) застосування екологічно шкідливої емульсії і зменшити забруднення навколишнього середовища.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні публікації

1. Сукайло В. А., Круковский П. Г., Юрченко Д. Д. Прогнозирование тепловых деформаций при точении детали “солнечный вал” на основе расчетно - экспериментального подхода. Проблемы машиностроения, 2003, т.6, № 4, с. 21-27. (Пошукачем розроблена модель деталі “сонячний вал”, проведені всі розрахунки температурних деформацій і весь об’єм експериментальних робіт).

2. Круковский П.Г., Сукайло В.А. Расчетно-экспериментальный подход к анализу тепловых деформаций при точении деталей. Проблемы машиностроения, 2002, т.5, № 4, с. 50-59. (Пошукачем випробувано розрахунково-експериментальний підхід і розроблена модель для 24-х прохідної деталі, проведено весь об’єм експериментальних робіт, проведені розрахунки температурних деформацій).

3. Сукайло В.А., Круковский П.Г., Лиерат Ф., Эммер Т. Численное моделирование тепловых деформаций при точении с использованием различных методов охлаждения. Промышленная теплотехника, 2001, т.23, №3, с. 57- 64. (Пошукачем розроблена модель для 24-х прохідної деталі, проведено об’єм експериментальних робіт, проведені розрахунки температурних полів та деформацій).

4. Сукайло В., Круковский П., Лиерат Ф., Верезуб Н., Эммер. Т., Моделирование тепловых деформаций при точении. Вестник национального технического университета “Харьковский политехнический институт”, 2001 №6, с. 245-250. (Пошукачем проведено моделювання температурних деформацій при точінні деталі, а також співставлення експериментальних та розрахункових результатів).

5. Sukaylo V.A., Kaldos A., Krukovsky P., Lierath F., Pieper H.J., Emmer T., Pieper H.J., Kundrak J. and Bana V. Development and verification of a computer model for thermal distortions in hard turning. Journal of Materials Processing Technology, 2004, vol.155–156, p. 1821–1827. (Пошукачем розроблена модель для 24-х прохідної деталі, проведено весь об’єм експериментальних робіт, проведені розрахунки температурних полів та деформацій).

6. Sukaylo V.A., Krukovsky P.G., Kaldos A., Lierath F., Kundrak J., Emmer T., Computer based modelling of thermal distrortions in turning, Proc. Instr. Mech. Engrs., Part B, Journal of Engineering Manufacture, 2003, vol. 217, p. 363 – 371. (Пошукачем розроблена модель деталі “сонячний вал”, проведені всі розрахунки температурних деформацій і весь об’єм експериментальних робіт).

Труди конференцій

7. Круковский П.Г., Сукайло В.А., Юрченко Д.Д. Использование ANSYS для анализа тепловых деформаций при точении деталей. Сборник трудов. третьей конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBH 23-24 апреля 2003 г.- М: Полигон-пресс, 2003. – с. 373-181.

8. Popke H., Emme T., Sukaylo V. Die umweltschonende Technologie. Vortrag. Internationale Konferenz „Hohere Technologie in Maschinenbau“ – Aluschta, 1999. s. 3.

9. Sukaylo V., Thermische Verhaltnisse bei der Anwendung der Minimalkuhltechnik. Vortrag. Internationale Konferenz, Hohere Technologie in Maschinenbau, – Aluschta, 1999. s. 23.

10. Sukaylo V., Besonderheiten der Anwendung von Minimalkuhltechnik bei der Zerspanung. Printed scientific works KSPU, High technologies of machine – Building, Charkow, 1999., s. 312.

11. Sukaylo V., Veresub N., Kundrak J., Emmer T. Vergleich und Analyse des Einflusses von umweltfreundlichen und traditionellen Kuhlverfahren auf die Qualitat der Randschicht von bearbeiteten Bauteilen, High Technologies of Machine – Building, s.249. Sammelband der wissenschaftlichen Werke. – Charkov, 2000 – Ausgabe 1(3), s. 320.

12. Sukaylo V., Veresub N., Kundrak J., Emmer T., Besonderheiten der Anwendung von umweltfreundlichen Technologien beim Drehen, Vortrag. Interpartner – 2000, September, Alusta, s. 38

13. Sukaylo V., Simulation der Abweichungsstruktur von Bauteilen beim Drehen unter Anwendung verschiedener Kuhlverfahren, Zerspantechnisches Kolloquium des wissenschaftlichen Nachwuchses „Innovative Grundlagenforschung fur die industrielle Praxis“, 2001, Magdeburg.

14. Sukaylo, V., Krukovsky P., Lierath F., Emmer T., Numerical modeling of thermal strains in turning with use of different cooling methods. 19 CAD – FEM International congress on FEM technology, Deutschland, Potsdam, 17 – 19 Oktober, 2001, p. 79-85.

15. Sukaylo V., Krukovsky P., Kundrak, J., Emmer, T., Numerical modeling of thermal strains in turning with use of different cooling methods. Resanie I instrument. 62? 2002. p. 119-126.

16. Sukaylo V.A., Kaldos A., Krukovsky P., Lierath F., Pieper H.J., Emmer T., Kundrak J. and Bana V.: Development and verification of a computer model for thermal distortions in hard turning, Proc. of the International Conference on Advances in Materials and Processing Technologies (AMPT), Dublin, 2003, p.333-336.

У публікаціях [7-16] в трудах конференцій Сукайлом В.А виконана розробка найбільш раціональної схеми розрахунково-експериментального підходу до прогнозування температурних деформацій деталей при точінні з використанням різних методів охолодження. Розроблено фізичну, математичну і комп'ютерну моделі розрахунку температурних деформацій при багатопрохідному точінні деталей. Обрано оптимальні схеми експерименту і проведений весь обсяг експериментальних робіт. Проведено апробацію підходу для прогнозування температурних деформацій при точінні 24-х прохідній деталі і деталі типу “сонячний вал” з використанням різних видів охолодження і охолоджуючих середовищ.

АНОТАЦІЯ

Сукайло В. О. "Розробка розрахунково-експериментального підходу для аналізу теплових деформацій при точінні з використанням різних методів охолодження"- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика - Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ, 2005.

У роботі розроблена і випробувана раціональна схема розрахунково-експериментального підходу для прогнозування теплових деформацій деталей при точінні з використанням різних методів охолодження. Розроблено фізичну, математичну і комп'ютерну моделі розрахунку температурних деформацій при багатопрохідному точінні деталей. Обрано оптимальні схеми експерименту і проведені експериментальні дослідження різних методів охолодження деталей при точінні. Проведено апробацію підходу для прогнозування температурних деформацій при точінні 24-х прохідній деталі і деталі типу “сонячний вал” з використанням різних видів охолодження і охолоджуючих середовищ.

Результати роботи є науковою основою розробки методів керування тепловими деформаціями при точінні за допомогою підбору способу охолодження або корекції положення різця.

Ключові слова: Лезвійна обробка (точіння), теплообмін, теплові деформації, моделювання, обернені задачі, калориметрування, вимір лінійних розмірів.

Аннотация

Сукайло В.А. "Разработка расчетно–экспериментального подхода для анализа тепловых деформаций при точении с использованием различных методов охлаждения"- Рукопись.

Диссертация на получение ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика - Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, 2005.

В работе разработана и опробована рациональная схема расчетно-экспериментального подхода к прогнозированию тепловых деформаций деталей при точении с использованием различных методов охлаждения. Разработаны физическая, математическая и компьютерная модели расчета температурных деформаций при многопроходном точении деталей. Выбраны оптимальные схемы эксперимента и проведены экспериментальные исследования различных методов охлаждения деталей при точении. Проведена апробация подхода для прогнозирования температурных деформаций при точении 24-х проходной детали и детали типа “солнечный вал” с использованием различных видов охлаждения и охлаждающих сред.

Результаты работы являются научной основой разработки методов управления тепловыми деформациями при точении с помощью подбора способа охлаждения или коррекции положения резца.

Ключевые слова: Лезвийная обработка (точение), теплообмен, тепловые деформаций, моделирование, обратные задачи, калориметрирование, измерение линейных размеров.

SUMMARY

Sukailo V.A. Calculation and experimental approach development for thermal distrortions in turning analysis with different cooling methods" - The Manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.14.06 - Engineering thermophysics and industrial power system - Institute of Engineering Thermophysics of National Academy of Science of Ukraine, Kiev, 2005.

The rational scheme of the calculation and experimental approach for the thermal distrortions in turning with different cooling methods was developed and tested in this work. Physical, mathematical and computer models for thermal distrortions in multipass turning analysis are developed. An optimal schemes of experiment are chosen and experimental investigation for different cooling methods of parts are made. The approach was tested for 24 th passage part as well as for "a solar shaft" type part thermal distrortions prediction for different cooling methods and medium.

The results of the work are a scientific basis for thermal distrortions in turning management methods development by means of cooling methods selection or cutter’s position correction.

Keywords: Cutting process (turning), heat transfer, thermal distrortions, modelling, inverse problems, calorimetry, linear sizes measurement.