Моделирование процесса охлаждения режущего инструмента распыленными технологическими средствами

Актуальность темы

Техническоеперевооружение машиностроительного производства предполагает повышение производительности процесса обработки, металлов резанием, улучшение качества обработки поверхности, поиск оптимальных режимов обработки и методов управления процессом резания, лезвийныминструментом [1 — 4]. Все это в свою очередь предопределяет необходимость контроля надтепловыми процессами, происходящими в зоне обработки, так как в процессе резания тепловые потоки оказывают влияние на* силы резания, микроструктуру поверхностного, слоя* и стойкость режущего инструмента [5,6, 7]. Для организации контроля над тепловыми процессами в зоне резаниявозникает необходимость в искусственных смазочно-охлаждающих технологических средствах (СОТС), предназначенных для отвода образующейся теплоты [8, 9] .

Одним из перспективных способов повышения^ производительности процессов механической-обработки лезвийным инструментом и снижения затрат на применение смазочно-охлаждающих технологических средств (ООТС) является их подача в зону обработки в распыленном состоянии. Развитию и внедрению данного способапосвящены работы таких авторовкак J1. В. Худобин, Ю. Г. Проскуряков, М. II. Клушин, Н. Е. Курносов. Эффективность, действия аэрозоляСОТС во мношм= определяется аэродинамикой газового факела, движением капель распыленной жидкости в потоке аэрозоля, кинетикой элементарных актов тепло-, массопереноса в двухфазном газожидкостном потоке и: в зоне резания [Ю — 15].

Одним, из основных факторов, сдерживающих до настоящего времени массовое внедрение в производство: технологии охлаждения режущего инструментам 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 [5, 16, 17, 18], сводятся к рассмотрению лишь отдельно взятых физических процессов: аэродинамики газового факела, движения капли жидкости в воздушном потоке, теплои 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. Также можно выделить отдельный ряд работ, посвященный процессам теплои массообмена в жидкостях и газах, которые являются узкоспециализированными исследованиями, использующими CAE (Computer Aided Engineering) и EFD (Engineering Fluid Dynamics) пакеты прикладных программ, такие как SolidWorks/COSMOSWorks, AnSYS, Mars, DYNA 3D, Nastran [19 —28]., Но скрытость основных факторов моделирования, и отсутствие возможности корректировки элементов математических моделей не позволяет применять данные готовые программные разработки для исследования процесса охлаждения режущего инструмента распыленными сотс.

Возможным вариантом выхода из сложившейсяситуации может стать применение для решения данной проблемы объектно-ориентированного моделирования, в котором модель формируется 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-, массопереноса 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:

1 Анализ современных подходов к моделированию процесса механической обработки лезвийным инструментом с применением распыленных технологических средств.

2 Разработка объектно-ориентированных моделей аэродинамики газожидкостной струи распыленной СОТС и ее аэро-, гидродинамического взаимодействия с элементами технологической системы.

3 Разработка объектно-ориентированных моделей гидродинамики двухфазного потока аэрозоля технологического средства и кинетики элементарных актов теплои массообмена в зоне обработки.

4 Проведение экспериментальных исследований гидродинамической структуры потока распыленной СОТС и контактных температур в зоне резания при токарной обработке, необходимых для проверки адекватности полученных математических моделей.

5 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:

1 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.

2 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.

3 Разработанаобъектно-ориентированная модель аэродинамики вращающейся заготовки, отличающаяся от известных аппроксимацией эмпирических графиков функций теории JI. Прандтля, которая позволяет оценить искажение факела* аэрозоля технологического средства в зоне обработки.

4 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.

5 Разработана объектно-ориентированная модель расчета температур и тепловых потоков в зоне резания на операции точения, отличающаяся от известных учетом изменений контактнойтемпературы для условий неустановившегося теплообмена, которая позволяет определить интенсивность тепловых потоков в зоне обработки.

6 Предложена объектно-ориентированная модель процесса охлаждения режущего инструмента распыленными СОТС, отличающаяся от известных комплексным описанием всех основных теплои массообменных процессов, протекающих в зоне обработки, позволяющая 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 струетраектории движения распыленных частиц в воздушном потокеполя скоростей воздушных потоков у поверхности вращающегося дискаскорости испарения диспергированной жидкости в воздушном потокеусловий дробления капель жидкости в воздушном потоке и зоне резанияконтактных 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:

1 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.

2 Объектно-ориентированные модели теплои массообменных процессов в зоне резания при токарной обработке лезвийным инструментом, позволяющие определить скорость ростаконтактнойтемпературы при неустановившемся теплообмене в условиях охлаждения режущего инструмента распыленными СОТС.

3 Обоснование корректности предложенных объектно-ориентированных моделей по результатам экспериментального исследования процесса охлаждения режущего инструмента распыленными технологическими средствами.

4 Алгоритмы работы базовых компонентов программного средства, обеспечивающие программную реализацию объектно-ориентированной модели процесса охлаждения режущего инструмента распыленными СОТС.

Содержание работы:

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе приведена объектно-ориентированная декомпозиция технологического процесса охлаждения режущего инструмента распыленными СОТС при лезвийной обработке заготовок деталей машин, а также проведен общий анализ требований, предъявляемых к разрабатываемому программному средству.

Во второй главе разработан комплекс взаимосвязанных математических моделей, описывающих характер поведения двухфазной газожидкостной струи в трехмерном воздушном пространстве. Рассмотрено влияние аэродинамики вращающейся заготовки на геометрию факела распыленной СОТС.

В третьей главе разработан комплекс взаимосвязанных математических моделей, описывающих теплофизическую сущность процесса токарной обработки заготовок лезвийным инструментом. Рассмотрены математические модели вторичного теплового дробления и испарения капель диспергированной-СОТС в зоне резания.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований аэро-, гидродинамики факела аэрозоля СОТС, контактных температур в зоне резания при различных технологических режимах токарной обработки заготовок деталей машин. Произведена оценка адекватности отдельных составных элементов, комплексной математической модели охлаждения режущего инструмента распыленными СОТС и всей модели в целом.

В пятой главе описаны программная реализация, алгоритмы работы всех основных компонентов программного средства, организация пользовательского интерфейса программного средства и изложены ключевые моменты проведения его тестирования согласно стандарту IEEE Standard 829.

В приложениях приводятся документы о внедрении результатов работы и дополнительные материалы по отдельным аспектам исследуемой темы.

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 «Ресурсосбережение и инновации: проблемы и методы решения» (г. Пенза, 2006 г.), Международной молодежной научной конференции «XXXII Гагаринские чтения» (г. Москва, 2006 г.), Всероссийской молодежной научно-практической конференции «ИННОВ2007» (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, 2007 г.), Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Теоретические знания — в практические дела» (г. Омск, 2008 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 ммЗАО «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 стойкиООО «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 153 страницы основного текста, 62 рисунков, 1 таблицу, список литературы из 136 наименований и 3 приложения. Общий объем работы составляет 160 страниц.

Выводы.

1) Описаны особенности реализации алгоритмов работы базовых компонентов программного средства (компонент управления исходными данными, компонент выполнения расчетов, компонент представления результатов, компонент-координатор), позволяющие реализовать централизованную схему взаимодействия его компонентов.

2) Разработана программная реализация алгоритма расчета поля скоростей и температур воздушных потоков, реализующая ООМ, разработанную в разделе 2.1 данной работы, и определен набор основных атрибутов, описывающих состояние и поведение объекта «Воздушная струя».

3) Разработана программная реализация алгоритма расчета аэродинамики вращающейся детали, реализующая ООМ, разработанную в разделе 2.3 данной работы, и определен набор основных атрибутов, описывающих состояние и поведение объекта «Воздушный поток».

4) Разработана программная реализация алгоритма расчета контактных температур и тепловых потоков в зоне резания, реализующая ООМ, разработанную в разделе 3.3 данной работы, и определен набор атрибутов, описывающих состояние и поведение объекта «Тепловой поток».

5) Разработана программная реализация комплексного расчета двухфазного газожидкостного потока и процесса охлаждения режущего инструмента распыленными СОТС, реализующая ООМ, разработанную в разделах 2.1—3.3 данной работы, и определен набор атрибутов, описывающих состояние и поведение всей системы в каждый момент заданного интервала времени.

6) Разработан графический интерфейс пользователя для программного средства CutterCoolingTool, представляющего собой программную реализацию ООМ процесса охлаждения режущего инструмента распыленными СОТС и описаны особенности работы с его основными разделами меню, вкладками и панелями приложения.

7) Тестирование программного средства показало что все расчеты, реализуемые в рамках его функционирования, позволяют адекватно оценивать процесс охлаждения режущего инструмента распыленными СОТС с погрешностью, не превышающей 10−15%, по сравнению с экспериментальными данными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате объектно-ориентированного моделирования процесса охлаждения режущего инструмента распыленными смазочно-охлаждающими технологическими средствами при токарной обработке получены следующие основные научные результаты:

1 Проведена объектно-ориентированная декомпозиция процесса охлаждения режущего инструмента распыленными технологическими средствами и определены основные требования, предъявляемые к программной реализации его объектно-ориентированной модели.

2 Разработана математическая модель, описывающая взаимодействие объектов «Воздушная струя» и «Воздушный поток», отличающаяся от известных скорректированным расчетом аэродинамических атрибутов системы и позволяющая описать поле скоростей и температур аэрозоля в зоне обработки.

3 Разработана математическая модель, описывающая поведение объекта «Капля СОТС» в контейнере «Струя аэрозоля СОТС», отличающаяся от известных динамическим изменением атрибутов всех объектов системы и позволяющая рассчитать траекторию движения капель технологического средства в воздушном потоке.

4 Разработана математическая модель, описывающая динамику взаимодействия контейнеров «Технологическая система» и «Струя аэрозоля СОТС», отличающаяся от известных выведенным математическим описанием поведения объекта «Тепловой поток» и позволяющая определить оптимальный расход технологического средства, необходимый для обеспечения требуемого теплового баланса.

5 По результатам проведенных экспериментальных исследований проведена проверка адекватности объектно-ориентированной модели процесса охлаждения режущего инструмента распыленными технологическими средствами, по итогам которой расхождение между результатами численного моделирования и экспериментальными данными не превышает 10−15%.

6 На базе предложенной объектно-ориентированной модели разработано программное средство, позволяющее проводить полный расчет процесса охлаждения режущего инструмента распыленными технологическими средствами.