книги / Тепловые процессы в технологических системах

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

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.

мента). Энергия этих внутрен­ них для подсистемы источников расходуется на нагревание

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,

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

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