Численное моделирование и экспериментальное исследование средней контактной температуры при плоском шлифовании

Численное моделирование и экспериментальное исследование средней контактной температуры при плоском шлифовании

Ульяновский государственный технический университет

Кафедра «Технология машиностроения»

ОТЧЕТ

о выполнении лабораторной работы №4

«Численное моделирование и экспериментальное исследование средней контактной температуры при плоском шлифовании»

по дисциплине «Методы моделирования физических и тепловых процессов механической обработки материалов»

Задание:t = 0,01 … 0,03мм и V_sпр= 10 м/мин.

Цель работы. Получение практических навыков численного моделирования и экспериментального исследования средних контактных температур при различных режимах плоского шлифования.

Математические модели и зависимости для расчета контактных температур

В процессе шлифования материал заготовки диспергируется отдельными (единичными) абразивными зернами (АЗ), расположенными стохастически на рабочей поверхности шлифовального круга (ШК). В результате работы единичных АЗ выделяется теплота. Температуры на поверхностях контакта зерен со стружкой и заготовкой называют локальными. Локальные температуры влияют на изнашивание, затупление и засаливание АЗ, а следовательно, на работоспособность ШК, качество поверхностного слоя материала обработанной детали и производительность процесса шлифования. При схематизации процесса теплообмена, с целью расчета локальных температур принимают во внимание источники теплоты от отдельных зерен ШК (дискретные источники тепловыделения).

При расчете средней контактной температуры в зоне шлифования принимают во внимание суммарное тепловыделение от всех зерен круга, контактирующих в данный момент времени с заготовкой. Схематизируя участвующие в теплообмене объекты, ШК рассматривают как сплошное гетерогенное тело с эквивалентными теплофизическими характеристиками, а источник тепловыделения рассматривают как сплошной. Средние контактные температуры учитывают, в частности, при оценке термоустойчивости связки круга и термических деформаций заготовки.

При решении теплофизических задач зону контакта «шлифовальный круг - заготовка» представляют в виде полосового источника теплоты, перемещающегося по поверхности заготовки.

Для расчета средней контактной температуры в зоне шлифования можно воспользоваться зависимостью, предложенной В. И. Пилинским:

,

где q - плотность теплового потока в зоне контакта круг - заготовка, Вт/м²; ℓ_к - длина контакта круга с заготовкой, м; Ω_з - коэффициент, характеризующий относительное распределение теплоты между контактирующими при шлифовании объектами (кругом, заготовкой и стружкой) и долю теплоты, поступающей в заготовку; ρ - плотность материала заготовки, кг/м³ ; с - удельная теплоемкость материала заготовки, Дж/(кг·К); а - коэффициент температуропроводности материала заготовки, м² /с; V_sпр- скорость подачи (заготовки), м/с.

Длина контакта ШК с заготовкой при плоском шлифовании

,

гдеD_к - диаметр круга, м; t - глубина шлифования, м.

Согласно исследованиям Д. Г. Евсеева и А. Н. Сальникова, доля теплового потока, поступающего в заготовку

,

Коэффициент, характеризующий относительное распределение теплоты (рис.1), зависит от полуширины теплового источника, которую в случае плоского шлифования можноопределить по следующей зависимости:

.

Рис. 1. Распределение тепловых потоков между заготовкой (Ω_з), стружкой (Ω_с) и ШК (Ω_к) при шлифовании

Учитывая, что часть теплового потока из зоны обработки переходит в СОЖ, можно использовать следующую зависимость для расчета плотности теплового потока в зоне контакта:

,

гдеP_z- касательная составляющая силы шлифования, Н; V_к - рабочая скорость ШК, м/с; Н_з- высота круга (размер обрабатываемой поверхности заготовки), м; Ф_СОЖ - тепловой поток, переходящий в СОЖ (Вт):

,

гдес_ж- удельная теплоемкость СОЖ, Дж/(кг·К); x - массовое паросодержание двухфазного потока (СОЖ - пар) на выходе из зоны шлифования; r- удельная теплота парообразования СОЖ, Дж/кг; Т_н- температура насыщения СОЖ, К; G_1ф - массовый расход СОЖ через зону контакта круга с заготовкой, кг/с. Для гомогенного стационарного потока с равными скоростями фаз x равно массовому расходу пара, деленному на массовый расход обеих фаз паровоздушной смеси (в случае, когда жидкость полностью испаряется в зоне шлифования, x= 1; если испарение отсутствует, x= 0). При подаче СОЖ поливом с учетом фазовых превращений:

,

где ρ_ж и ρ_жn - плотность СОЖ и ее паров соответственно, кг/м³; ℓ_n- координата области фазового перехода, м; μ_ж и μ_жп - динамическая вязкость СОЖ и ее паров соответственно, Па·с; G₁ - массовый расход СОЖ через зону контакта при отсутствии фазовых превращений, кг/с:

,

гдеh₀ - средняя толщина слоя СОЖ в зоне контакта ШК с заготовкой, м: h₀ = 0,125·d₀ ; р₀ и р₀₁ - давление СОЖ на входе и выходе из контактной зоны, Па; d₀ - средневероятный размер АЗ круга, м.

Практическая часть

Исходные данные:

рабочая скорость ШК - 30 м/с; t = 0,01…0,03мм; V_sпр= 10 м/мин;

ШК из электрокорунда белого или нормального зернистости 16 … 40 твердостью СМ1 … СТ1, структуры 6 … 8 на керамической связке; заготовки, имеющие форму прямоугольного параллелепипеда, из конструкционной стали в состоянии поставки;

) При t = 0,01 мм.

Рассчитываем среднюю толщину слоя СОЖ в зоне контакта ШК с заготовкой

тепловой заготовка шлифовальный смазочный

Рассчитываем длину контакта ШК с заготовкой

Определяем массовый расход СОЖ G₁ при отсутствии фазовых превращений

Рассчитывают расход СОЖ G_1ф с учетом фазовых превращений

Определяют тепловой поток, переходящий в СОЖ

,

гдеP_z- касательная составляющая силы шлифования, Н; V_к - рабочая скорость ШК, м/с; Н_з- высота круга (размер обрабатываемой поверхности заготовки), м; Ф_СОЖ - тепловой поток, переходящий в СОЖ (Вт):

Где с_ж- удельная теплоемкость СОЖ, Дж/(кг·К); x - массовое паросодержание двухфазного потока (СОЖ - пар) на выходе из зоны шлифования; r- удельная теплота парообразования СОЖ, Дж/кг; Т_н- температура насыщения СОЖ, К; G_1ф - массовый расход СОЖ через зону контакта круга с заготовкой, кг/с. Доля теплового потока, поступающего в заготовку:

= .

Средняя контактная температура в зоне шлифования :

) При t = 0,02 мм.

Рассчитываем длину контакта ШК с заготовкой

Средняя контактная температура в зоне шлифования :

) При t = 0,03 мм.

Средняя контактная температура в зоне шлифования :

По результатам построим график зависимости температуры от t.

Рис. 1. График зависимости средней контактной температуры шлифования от глубины шлифования при V_sпр= 10 м/мин

Как видно из графика существует прямая связь между температурой и глубиной шлифования. Чем больше глубина, тем больше температура.

Библиографический список

Евсеев, Д. Г. Физические основы процесса шлифования / Д. Г. Евсеев, А. Н. Сальников. - Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 1978. - 128 с.

Унянин, А. Н. Повышение эффективности совмещенного шлифования путем рационального применения технологических жидкостей: Дис. … канд. техн. наук: 05.02.08 / Ульян. политехн. ин-т. - Ульяновск, 1986. - 229 с.

Худобин, Л. В. Минимизация засаливания шлифовальных кругов / Л. В. Худобин, А. Н. Унянин. - Ульяновск :УлГТУ, 2007. - 298 с.

Марочник сталей и сплавов / А. С. Зубченко, М. М. Колосков, Ю. В. Каширский [и др.]; под общ. ред. А. С. Зубченко. - 2-е изд., доп. и испр. - М. : Машиностроение, 2003. - 784 с.

Чередниченко, Г. И. Физико-химические и теплофизические свойства смазочных материалов / Г. И. Чередниченко, Г. Б. Фройштетер, М. П. Ступак. - Л. : Химия, 1986. - 224 с.