книги / Тепловые процессы в технологических системах
..pdfДЛЯ ВУЗОВ
А.Н.Резников Л.А.Резников
ТЕПЛОВЫЕ
ПРОЦЕССЫ
В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Допу щено Государственным комитетом СССР
по народному образованию в качестве учебника для студентов
машиностроительных специальностей вузов
Москва
• Машиностроение •
1990
ББК |
34.63я73 |
|
Р34 |
УДК |
621.9.06-533.6 (075.8) |
Р е ц е н з е н т ы : кафедра двигателей Тульского политехнического института, д-р техн. наук, проф. В. И. Островский
Резников А. Н., Резников Л. А.
Р34 Тепловые процессы в технологических системах: Учебник для вузов по специальностям «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты». — М.: Машино строение, 1990. — 288 с.: ил.
ISBN 5-217-01013-4
Изложены методы расчета и экспериментального изучения тепловых процессов в технологических системах. Описаны способы интенсификации механической обработки, основанные на управлении тепловыми процес сами. Даны задачи для индивидуальной работы студентов.
Р |
2704040000— 242 |
242— 90 |
ББК 34.63я73 |
|
038 (01)— 90 |
|
|
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИИ
Резников Арон Наумович9 Резников Лев Аронович
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМА
Редактор Гурвич Н. П.
Художественный редактор А. С. Вершиикин Технический редактор И. Н. Раченкова Корректоры: Л. Л. Георгиевская, А. П. Сизова
ИБ № 6300
Сдано в набор 10.10.89. Подписано в печать 17.01.90. Т-02109. Формат 60x90*/ir Бумага офсетная № 2. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Уел. печ. л. 18,00
Уел. кр.-отт. 18,00. Уч.-изд. л. 20,78. Тираж 13900 экз. Заказ 866. Цена 1 р.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Машиностроение», 107076, Москва, Стромынский пер., 4
Типография № 6 ордена Трудового Красного Знамени издательства «Машиностроение» при Государственном комитете СССР по печати.
193144, Ленинград, ул. Моисеенко, 10.
ISBN 5-217-01013-4 © А. Н. Резников, Л. А. Резников, 1990
ВВЕДЕНИЕ
Эффективность производства и уровень качества изделий в значи тельной мере определяются совершенством технологических си стем, применяемых при изготовлении тех или иных машин.
Технологическая система в соответствии с ГОСТ 27.004—85 —
это совокупность функционально взаимосвязанных средств осна щения, предметов производства и исполнителей, предназначен ная для выполнения в регламентированных условиях производ ства заданных технологических процессов или операций.
Вид технологической системы определяется прежде всего предметом производства. Система одного вида необходима для того, чтобы изготовить, например, автомобиль, и совсем другого вида, если нужно сделать, например, штангенциркуль. Однако независимо От того, что является предметом производства (авто мобиль, штангенциркуль или какой-либо другой объект), тех нологические системы обладают определенными общими призна ками, два из которых, имеющих непосредственное отношение к описанию тепловых процессов, рассмотрим ниже.
Во-первых, каждая из систем функционирует только тогда, когда к ней подведен один или несколько видов энергии. Вовторых, технологическая система может быть разделена на под системы, функционирующие параллельно или последовательно. При анализе тепловых явлений в процессах обработки целесо образно систему разделить на подсистемы трех уровней.
Технологическая подсистема первого уровня ТП1 (рис. В.1) имеет целью получение на заготовке (детали) отдельных поверх ностей или изменение свойств обрабатываемого материала. Она содержит в качестве компонентов обрабатываемый материал, оборудование, инструмент, технологическую среду, средства кон троля и управления, объединяемые рабочим процессом. Напри мер, ТП1 при механической обработке может быть предназначена для получения наружной поверхности полуфабриката или де тали, отверстия в них и т. д. При термической обработке целью ТП1 могут быть повышение твердости (цементация, закалка), улучшение структуры (нормализация) и другие изменения свойств материала.
Рис. В.1. Структурная схема технологической подсистемы первого уровня
В результате функционирования каждой из подсистем первого уровня мы, как правило, не получаем готовую деталь. Только тогда, когда ряд ТП1 объединим в одну или несколько операций (технологическую линию), получим подсистему второго уровня ТП2 (рис. В.2), результатом функционирования которой будет
деталь машины. Например, деталь получается в результате объ
единения в подсистему второго уровня технологических под систем ТП1.1—ТП1.5. При этом предусмотрено, что другой об работки, кроме осуществляемой с помощью ТП1.1—ТП1.5, для
получения готовой детали не требуется.
Объединение нескольких подсистем второго уровня при той или иной организации процессов сборки, сварки или других спо собов соединения деталей создает подсистему третьего уровня ТПЗ, результатом функционирования которой является узел машины. Наконец, объединяя несколько ТПЗ с помощью тех или иных процессов и устройств при соответствующих организации, контроле и управлении, получаем технологическую систему, результатом функционирования которой является интересующий нас объект — изделие или машина.
Мы уже отмечали, что технологическая система (как и под система любого уровня) функционирует только тогда, когда к ней подведена энергия. С развитием науки и техники уровень энерго вооруженности технологических систем и эффективность исполь зования энергии в них непрерывно повышаются. Качественно меняется и соотношение между различными видами энергии, под водимой к технологическим системам. По подсчетам академика А. И. Берга, из всей энергии, потреблявшейся производством в начале XIX в., 94% приходилось на мускульную энергию чело века и животных, а в наше время доля мускульной энергии со ставляет только около 1 %. Важно отметить также, что в послед ние годы в дополнение к традиционно используемым видам энер гии (механической, электрической, тепловой, химической) в тех нологических системах все большее применение находят энергий плазмы, лазера, заряженных частиц.
Естественным следст вием роста энерговоору женности производства и применения высококон центрированных источни ков энергии является ин тенсификация тепловых процессов, происходящих в технологических систе мах. К этому приводит также повышение проч ности, вязкости и других
свойств |
конструкционных |
Рис. |
В.2. |
Структурная |
схема технологиче |
||||||
материалов, характерных |
|||||||||||
для |
современных машин. |
ской |
подсистемы |
второго |
уровня |
|
|||||
Немаловажную роль |
иг |
|
|
к |
производительности |
опе |
|||||
рает |
и |
повышение |
требований |
||||||||
раций, |
вызывающее |
ужесточение |
режимов |
обработки. В |
этих |
||||||
условиях тепловые |
процессы, |
происходящие |
в |
технологичес |
ких системах, часто попадают в первую шеренгу факторов, огра ничивающих эффективность производства и качество продукции. Чтобы управлять тепловыми процессами, следует знать, где возникает и какими путями распространяется теплота в кон кретной технологической системе, как происходит теплообмен между ее компонентами. В связи с этим отметим, что основная часть тепловых процессов происходит в подсистемах первого
ивторого уровней, в которых осуществляется изменение формы
исвойств заготовки с целью превращения ее в деталь (обработка давлением и резанием, сварка, термическая и термохимическая обработка и т. д.).
Вподсистемах третьего уровня, где готовые детали собира ются в узлы, также возможно тепловыделение (например, при соединении деталей G натягом, сварке или пайке), но тепловые процессы в ТПЗ, как правило, играют значительно меньшую роль, чем в ТП1 и ТП2.
Источники теплоты по отношению к технологической подси
стеме могут быть внутренними или внешними. Первые, как сле дует из их наименования, возникают в самой подсистеме. Как правило, внутренние источники являются результатом рабочего процесса или процессов, происходящих в оборудовании. Такова, например, теплота, выделяющаяся при деформировании обраба тываемого материала, при трении между ним и инструментом, при трении в зубчатых передачах станков и т. д. Внешние источ ники или стоки теплоты подводятся в подсистему независимо от внутренних. Примерами могут служить дополнительный подогрев обрабатываемого материала (источник теплоты), охлаждение материала или инструмента (стоки теплоты), система охлаждения узлов станка и т. д.
Теплота, внесенная внешними или внутренними источниками, распреде ляется между всеми компонентами тех нологической подсистемы, поскольку все они участвуют в едином процессе теплообмена. При этом теплообмен между компонентами подсистемы может осуществляться одним из трех спосо бов: теплопроводностью, конвекцией или тепловым излучением. Возможна также та или иная комбинация этих
способов.
Теплопроводность представляет со
бой процесс передачи тепловой энер гии микрочастицами вещества. Микро частицы (молекулы, атомы, электроны и др.), двигаясь со ско
ростями, пропорциональными их температурам, переносят энергию из более нагретой в менее нагретую область тела. Распро странение тепловой энергии в металлах происходит главным образом путем диффузии электронов и в меньшей мере за счет колебаний кристаллической решетки. При описании тепловых явлений в технологических системах изучение процесса рас пространения тепловой энергии в твердых телах (заготовках, деталях оборудования и оснастки и т. д.) играет важней
шую роль.
Конвекция возможна только в жидкой или газообразной
среде, где перенос тепловой энергии происходит путем переме щения некоторых объемов жидкости (газа) из области с одной тем пературой в область с другой температурой. Если в процессе теплопроводности для передачи энергии не обязательно переме щение нагреваемого тела в пространстве, то при конвекции пере нос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Кон векция всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости и газа неизбежно соприкосновение их ча стиц, имеющих различные температуры. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным тепло обменом. В технологических системах процесс обмена тепловой
энергией между потоком жидкости (газа) и твердым телом может протекать в двух направлениях: теплота передается от твердого тела в жидкость или газ (например, от инструмента в охлаждаю щую среду) или, наоборот, от жидкости (газа) к твердому телу (например, при нагреве металла газовой горелкой или струей ионизированного газа).
Тепловое излучение — это процесс распространения теплоты
электромагнитными волнами, который содержит двойное пре вращение энергии: тепловая энергия излучающего тела перехо дит в лучистую, а затем лучистая энергия, поглощаемая другим телом, превращается в тепловую.
В |
технологических |
подси |
|||||
стемах, |
как |
правило, |
проис |
||||
ходят |
одновременно |
|
все |
три |
|||
вида |
теплопередачи, |
однако в |
|||||
зависимости от конкретных ус |
|||||||
ловий каждый из них может |
|||||||
играть большую или |
меньшую |
||||||
роль. |
Рассмотрим, |
например, |
|||||
теплообмен в зоне резания при |
|||||||
точении (рис. В.З). Выделение |
|||||||
теплоты при |
резании |
|
происхо |
||||
дит главным образом на уча |
|||||||
стках |
|
ON |
(теплота, |
эквива |
|||
лентная |
работе |
деформирова |
|||||
ния), |
OL и 0 5 |
(теплота, |
экви |
валентная работе |
сил |
трения |
Рис. В.4. |
Схема движения тепловых |
||
соответственно на |
передней и |
потоков |
в |
технологической |
под |
|
задней поверхностях |
инстру |
системе |
первого уровня |
|
||
|
|
|
|
мента). Энергия этих внутрен них для подсистемы источников расходуется на нагревание
твердых |
тел, участвующих |
в процессе |
(заготовки |
1, |
резца |
||||||
2 с пластиной 3, стружки |
4), |
и теплообмен |
с окружающей |
||||||||
(воздух) |
и |
технологической |
(охлаждающая |
жидкость |
5) |
сре |
|||||
дами. Поверхности, на |
которых |
происходит |
передача |
энер |
|||||||
гии теплопроводностью, |
на |
рис. |
В.З |
обозначены |
буквой Т. |
||||||
Буквами И я К обозначены поверхности, где |
происходит |
||||||||||
теплообмен |
излучением |
и |
конвекцией, |
причем |
КЖ — кон |
||||||
вективный |
теплообмен |
с жидкостью, |
а |
КВ — с |
|
воздухом. |
Рассмотренный пример иллюстрирует теплообмен, происходя щий в отдельной зоне технологической подсистемы первого уровня. В более общем виде схема движения тепловых потоков во взаимосвязанных компонентах ТП1 показана на рис. В.4. Источниками теплообразования в ТП1, как уже отмечалось, яв ляются рабочий процесс РП, процессы, происходящие в оборудо вании ПО, и внешние источники энергии ВИ. Тепловые потоки,
возникающие под действием этих |
источников, показаны на |
рис. В.4 стрелками. Условно |
рассеяние теплоты внутри |
того или иного компонента подсистемы обозначено короткой ли нией в конце стрелки, изображающей соответствующий поток, а рассеяние в окружающей среде — несколькими короткими линиями различной длины.
Теплота, возникающая при выполнении рабочего процесса, поступая в обрабатываемый материал ОМ, под которым пони
мается заготовка и стружка (разумеется, если последняя обра зуется), частично рассеивается в нем. Некоторая доля теплоты передается обрабатываемым материалом в окружающую среду и там рассеивается. Остальная часть теплоты, поступившей в ОМ, транспортируется дальше в оборудование ОБ, технологическую
ереду ТС, в средства контроля и управления СКиУ, если эти
средства связаны с заготовкой (например, при автоматическом контроле размеров). На этом распространение теплоты не заканчи вается. Например, теплота, которая через обрабатываемый ма териал попала в технологическую среду, частично рассеивается в ней, частично в окружающей среде, а частично вследствие по вышения температуры ТС и конвективного теплообмена возвра щается в обрабатываемый предмет и инструмент Я. Теплота РП
передается также н инструменту. Здесь она рассеивается, частично
переходит в |
окружающую |
среду, а частично |
движется |
дальше |
в технологическую среду и оборудование. |
результате |
трения |
||
Теплота, |
возникающая |
в оборудовании в |
в подшипниках, зубчатых передачах или иных узлах, рассеи вается в массе этого компонента подсистемы и в окружающей среде, а частично транспортируется в обрабатываемый предмет.
При наличии внешнего источника (плазменная дуга, луч ла зера, электрический ток и т. д.) дополнительная теплота комби нируется с теплотой, возникающей в рабочем процессе, а далее распространяется так же, как теплота РП. Но тепловая энергия ВИ может и непосредственно передаваться оборудованию, заго
товке и инструменту, например излучением плазменной дуги. Не все теплофизические связи между компонентами подсистем равноценны — одни более важны, другие — менее, третьи и вовсе незначительны. Роль того или иного потока и его влияние на ра ботоспособность технологической системы оценивается на основе
теплофизических расчетов и экспериментов.
Процессы возникновения и распространения теплоты в раз личных системах исследуют ученые-физики начиная G XVIII в. Основы учения о теплоте были заложены М. В. Ломоносовым. Он создал механическую теорию теплоты и первым установил за коны сохранения материи и энергии. Французский математик и физик Жан-Батист Фурье сформулировал основной закон тепло проводности. Немецкий ученый Людвиг Прандтль разработал ряд вопросов, относящихся к теплопередаче в жидкостях. Уильям Томсон, более известный как лорд Кельвин, который был с 1877 г. почетным членом Петербургской академии наук, дал фундамен тальное решение дифференциального уравнения теплопроводности, широко используемое в технологических и других расчетах.
Из отечественных ученых отметим академика М. В. Кирпичева, который являлся создателем советской школы физической теплотехники. Им, в частности, разработана теория моделирова ния физических процессов, в том числе и тепловых.
В теплофизике имеется хорошая традиция называть именами ученых некоторые величины, введенные ими в теорию процесса. Мы встретимся в дальнейшем с критериями, названными по имени Фурье (Fo), Прандтля (Рг), Кирпичева (КО и др.
Большой вклад в развитие учения о теплообмене сделан со ветскими учеными М. А. Михеевым, А. А. Гухманом, Г. Н. Кру-
жилиным , А. В. Лыковым. Благодаря работам этих и других оте чественных ученых оказалось возможным получить важнейшие соотношения, используемые ныне в энергетике, теплоснабжении, атомной технике, космонавтике.
Тепловые процессы в технологических системах давно при влекали внимание ученых в нашей стране. Еще в 1905 г. Н. Н. Сав вин, изучая калориметрическим путем количество теплоты, об разующейся при механической обработке материалов, показал, что практически вся затрачиваемая на этот процесс работа пре образуется в теплоту. Этот вывод, подтвержденный более позд ними исследованиями, используется в теплофизических расчетах
ив наше время.
Я.Г. Усачев в 1915 г., изучая явления, происходящие при ре зании материалов, выполнил ряд калориметрических экспери
ментов по определению теплосодержания отдельных компонентов технологических подсистем. Он предложил использовать искус ственную и полуискусственную термопары для измерения темпера тур в инструменте. В том или ином виде эти два типа термопар используются и до настоящего времени.
Труды Н. Н. Саввина и Я. Г. Усачева положили начало не которым исследованиям в области теплофизики процессов меха нической обработки, в том числе и исследованиям, проведенным со ветскими учеными. Работы, выполненные в нашей стране до 1940 г., относятся главным образом к экспериментальному изу чению тепловых явлений в технологических подсистемах. В этот период времени фундаментальные работы по экспериментальному определению температуры резания выполнены Н. И. Резниковым,
М.Ф. Семко, А. М. Даниеляном и другими советскими учеными.
Н.И. Резников, обобщив результаты экспериментов, впервые построил схему температурного поля в зоне резания. М. Ф. Семко, применяя метод естественной термопары, получил ряд закономер ностей, отображающих влияние параметров процесса механиче ской обработки на температуру контактных поверхностей ин струмента. А. М. Даниелян экспериментальным путем изучил температурное поле в рабочей части резца, а также получил закономерности, относящиеся к описанию тепловых процессов при сверлении и фрезеровании металлов, при обработке зубча тых колес.
Однако чисто экспериментальных исследований было недо статочно для обобщенного решения задачи о распространении теплоты в технологических подсистемах. Развитие машинострое ния и связанная с этим необходимость совершенствования мето дов обработки требовали создания теории тепловых процессов. Теоретическое исследование закономерностей теплообмена при механической обработке материалов начал в 1940 г. М. П. Левиц кий. Применив метод непосредственного интегрирования диф ференциального уравнения теплопроводности при ряде допуще ний и упрощений, он попытался решить задачу о температуре на
поверхности контакта инструмента со стружкой при резании ме таллов. Вслед за работами М. П. Левицкого появились исследо вания, авторы которых (Т. Н. Лоладзе, М. И. Клушин, М. В. Кась ян, А. Я. Малкин и др.), используя основную идею М. П. Левиц кого, уточняли и развивали отдельные этапы решения тепло физической задачи.
При всей принципиальной значимости упомянутых выше работ, положивших начало созданию теории тепловых процессов при механической обработке материалов, нельзя не отметить, что по лученные в них решения вследствие большого количества допу щений и упрощающих предположений, вызванных математиче скими трудностями, лишь в самом первом приближении отражали реальную физику процесса. Научно-технический прогресо и свя занное с ним бурное развитие машиностроения настойчиво требо вали создания общей теории тепловых процессов в технологиче ских системах. Классические труды по теплотехнике не содержали (и в значительной мере пока не содержат) решений задач, не посредственно относящихся к технологическим системам машино строительного производства.
Первый выдающийся шаг в этом направлении сделал академик Н. Н. Рыкалин. В 1945—50 гг. он на примере процесса сварки по казал, сколь эффективным может быть теплофизический анализ при управлении технологическим процессом. Н. Н. Рыкалин разработал систему математических методов, пригодных для ана лиза любых процессов, в которых действуют различные по форме и характеристикам источники теплоты.
На основе трудов Н. Н. Рыкалина и целой группы отечествен ных ученых, ставших его последователями в различных областях технологии, сложилось новое ответвление науки о тепловых яв лениях, получившее название теплофизики технологических про цессов. В течение последних 20—30 лет это научное направление разрабатывали ученые городов Куйбышева и Тольятти (А. Н. Рез ников, А. В. Темников, Б. Ф. Трахтенберг, Н. В. Дилигенский), Рыбинска (С. С. Силин), Киева (В. Л. Остафьев), Москвы (Д. Г. Евсеев, А. В. Подзей), Минска (П. И. Ящерицын), Волго града (Н. В. Талантов), Тбилиси (Т. Н. Лоладзе, В. В. Цоцхадзе, Г. В. Бокучава), Одессы (А. В. Якимов), Ижевска (В. А. Сипайлов) и других. Они изучали проблемы, относящиеся к тепло вым явлениям в технологических системах механической обра ботки. Известны также труды ученых, исследовавших тепловые явления при ковке и штамповке, сварке, электроискровой обра ботке и других технологических процессах. Благодаря этим работам и практике управления тепловыми процессами в техно логических системах, новое научное направление окрепло и те перь служит основой для решения многих инженерных задач.
Знания в области анализа тепловых процессов и умение управ лять этими процессами необходимы квалифицированному инже- неру-механику независимо от того, в какой области машинострои