Математическое моделирование плазменного подогрева цилиндрической заготовки

Автор: Прохоров Александр Владимирович, Акинцева Александра Викторовна

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение @vestnik-susu-engineering

Статья в выпуске: 3 т.21, 2021 года.

Бесплатный доступ

В статье рассматривается вопрос математического моделирования процесса плазменно-механической обработки круглых цилиндрических заготовок для случая стационарного и нестационарного режимов. Подогрев заготовки плазменной дугой позволяет значительно снизить прочностные характеристики обрабатываемого материала и существенно повысить производительность операций формообразования. При построении теплофизической модели используется авторская методика, базирующаяся на действии фиктивных приповерхностных внутренних источников теплоты. Основой моделирования служат дифференциальные уравнения переноса тепла в частных производных в предположении анизотропности и температурной инвариантности физико-механических свойств обрабатываемых материалов. Начальные и граничные условия учитывают как конвективный теплообмен с окружающей средой, так и теплоотдачу излучением в инфракрасном диапазоне. Для стационарного и нестационарного режимов методом Фурье рассчитаны температурные поля, позволяющие определить значение и градиентную картину в приповерхностном слое заготовки, подвергающемся наибольшему нагреву. Полученные соотношения приведены к инженерному виду, удобному для проведения практических расчетов. Отличительной особенностью построенных моделей является возможность построения температурных полей вне зависимости от размеров заготовки, так как все соотношения выведены в безразмерном виде с единым характерным размером - радиусом обрабатываемого вала. Проведенный численный эксперимент показал границы применимости и необходимости использования соотношений, учитывающих нестационарность режима на уровне половины характерного размера. При обработке валов длиной более радиуса заготовки влияние времени становится несущественным и процесс можно считать стационарным. Кроме того, расчеты дали возможность найти оптимальное с точки зрения длительности бесперегревной работы инструмента расстояние между резцом и плазменной горелкой в безразмерном виде.

Еще

Плазменно-механическая обработка, математическое моделирование, температурные поля

Короткий адрес: https://sciup.org/147236531

IDR: 147236531 | DOI: 10.14529/engin210305

Список литературы Математическое моделирование плазменного подогрева цилиндрической заготовки

Резников, Л.А. Теплофизические основы расчета мощности плазмотрона при плазменно-механическом резании / Л.А. Резников // Физика и химия обработки материалов. - 1983. - № 5. -С. 37-40.
Коротких, М.Т. Плазменно-механическая обработка отверстий в высокопрочных и марганцовистых сталях /М.Т. Коротких, М.М. Радкевич, Д.Ю. Кряжев //Вестник машиностроения. - 2018. - № 10. - С. 70-73.
Коротких, М.Т. Особенности применения плазменного нагрева при обработке труднообрабатываемых материалов резанием / М.Т. Коротких, Л.А. Ушомирская // Металлообработка. -2012. - № 2 (68). - С. 23-27.
Гаврыш, В.С. Плазменно-механическая обработка заготовок из труднообрабатываемых материалов / В.С. Гаврыш, Е.В. Бранспиз // Вестник Луганского национального университета имени Владимира Даля. - 2020. - № 3 (33). - С. 83-87.
Анализ используемых методик для назначения режимных условий процесса резания / В.Ф. Безъязычный, М.В. Тимофеев, Р.Н. Фоменко, Э.В. Киселёв // Технология металлов. - 2017. - № 12. - С. 2-10.
Корнеева, В.М. Теплофизическое обоснование возможности повышения скорости резания при обработке полимерных композиционных материалов / В.М. Корнеева, С.С. Корнеев // Технология металлов. - 2017. - № 6. - С. 2-7.
Влияние режимов резания на температуру при фрезеровании заготовок из труднообрабатываемых материалов / В.Н. Трусов, Д.Л. Скуратов, О.И. Законов, В.В. Шикин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). - 2011. - № 3-1 (27). - С. 57-62.
Ивченко, Т.Г. Учет температурных ограничений при оптимизации режимов резания труднообрабатываемых материалов / Т.Г. Ивченко, О.В. Пащук // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - 2018. - № 3 (62). - С. 30-35.
Жовтобрюх, В.А. Теоретическое определение теплового баланса и температуры резания при механической обработке / В.А. Жовтобрюх // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2011. - Т. 5. - № 5 (53). - С. 51-54.
Разработка новой теории тепловых процессов резания. Определение режимов резания, оптимальных по стойкости инструмента / А.Л. Воронцов, Н.М. Султан-заде, А.Ю. Албагачиев, А.И. Савкин //Вестник машиностроения. - 2011. - № 9. - С. 74- 77.
Denisenko, A.F. Development of the Heat Model of the Spindle Support Metal Cutting Machine / A.F. Denisenko, L.Y. Podkruglyak // Izvestiya of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. - 2020. - Vol. 22. - pp. 49-55. DOI: 10.37313/1990-5378-2020-22-3-49-55.
Wu, Z. Heat Modeling and Experiment of Micro-drilling with Multi-parameter Influence / Z. Wu, F. Zhang, K. Feng // Journal of Physics: Conference Series. - 2021. - No. 012035. DOI: 10.1088/1742-6596/1939/1/012035.
Investigation on Heat Dissipating Performance of Heat Pipe Cutter with Infrared Imager / L. Liang, Y. Quan, S. Zeng, Z. Ke // 10th International Conference on Progress of Machining Technology, ICPMT 2012. - Р. 185-188.
The Effects of Heat Generation on Cutting Tool and Machined Workpiece / T. Ogedengbe, A. Okediji, A. Abioduna, A. Yussouff, O. Aderoba, A. Abiola, I. Alabi, A. Oluwasanmi // Journal of Physics Conference Series. - 2019. - Vol. 1378. - P. 1-10. DOI: 10.1088/1742-6596/1378/2/022012.
Okman, O. Generalized Transient Temperature Behavior in Induction Heated Workpieces / O. Okman, Z. Dursunkaya, A. Tekkaya // Journal of Materials Processing Technology. - 2009. - Vol. 209. - P. 5932-5939. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2009.07.010.
Babu, K. Mathematical Modeling of Surface Heat Flux During Quenching / K. Babu, P. T-S // Metallurgical and Materials Transactions B-process Metallurgy and Materials Processing Science. -2010. - Vol. 41. - P. 214-224. DOI: 10.1007/s11663-009-9319-y.
Ohadi, M. Thermal Energy Distributions in the Workpiece During Cutting With an Abrasive Waterjet /M. Ohadi // Journal of Manufacturing Science and Engineering. - 2008. - Vol. 114. - No. 67. DOI: 10.1115/1.2899760.
Agapitov, E. Mathematical Modelling of the Thermal State of a Ladle During Arc Heating of the Melt / E. Agapitov, M. Sokolova, M. Lemeshko //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2020. - Vol. 969. - No. 012044. DOI: 10.1088/1757-899X/969/1/012044.
Mathematic Model of Heat Transport in Materials During Cutting Process / D. Janacova, P. Mokrejs, V. Vasek, R. Drga, O. Liska, J. Krenek. - 2016. DOI: 10.2507/26th.daaam.proceedings.005.
Prokhorov, A. A Thermal Model of Resistance Spot Welding / A. Prokhorov // Welding International. - 2016. - Vol. 31. - P. 1-3. DOI: 10.1080/09507116.2016.1243751.

Еще

Статья научная