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 … 0,03 мм 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; ?_к — длина контакта круга с заготовкой, м; ?_з — коэффициент, характеризующий относительное распределение теплоты между контактирующими при шлифовании объектами (кругом, заготовкой и стружкой) и долю теплоты, поступающей в заготовку; с — 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

гдел_к, л — коэффициенты теплопроводности ШК и заготовки соответственно, Вт/(м· К); h_ф — средний радиус площадки контакта единичного АЗ с заготовкой, м.

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 (?_з), стружкой (?_с) и ШК (?_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; rудельная 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 с_ж и с_жn — плотность СОЖ и ее паров соответственно, кг/м³; ?_n— координата области фазового перехода, м; м_ж и м_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…0,03 мм; 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;

1) При t = 0,01 мм.

Рассчитываем среднюю толщину слоя СОЖ в зоне контакта ШК с заготовкой

тепловой заготовка шлифовальный смазочный

h₀ = 0,125· d₀=0,125

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; rудельная 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 :

2) При t = 0,02 мм.

Рассчитываем длину контакта ШК с заготовкой

Средняя контактная температура в зоне шлифования :

3) При t = 0,03 мм.

Рассчитываем длину контакта ШК с заготовкой

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.