автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое увеличение поверхности теплообмена

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1. Охлаждение элементов различных систем и основные виды теплообменников

1.2. Методы изготовления теплообменников

1.2.1. Метод опрессовки

1.2.2. Метод пайки ребер

1.2.3. Метод навивки ребра из ленты

1.2.4. Метод поперечно-винтового накатывания

1.2.5. Метод резания-скальпирования

1.2.6. Метод деформирующего резания 25 Выводы, цель и задачи

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ РЕБРА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАПАЗОНА ВАРЬИРОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ФАКТОРОВ

2.1. Физическая картина процесса формирования оребрения

2.2. Разработка теоретической зависимости для расчета параметров процесса оребрения

2.3. Расчет составляющей от вытеснения материала

2.4. Подобие процессов пластического оттеснения для различных типоразмеров оребрения

2.5. Формирование математической модели метода пластического оттеснения

2.6. Определение диапазона варьирования радиуса скругления рабочей кромки

2.7. Определение диапазона варьирования шага и высоты оребрения

2.8. Расчет максимальной высоты ребра

2.9. Расчет и определение некоторых параметров инструмента

Выводы по главе

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Материалы, их механические свойства, размеры образцов

3.2. Поисковый классический эксперимент по определению диапазона варьирования скорости, подбору

СОТС и способа ее подачи

3.3. Поисковый классический эксперимент для определения оптимального значения относительного радиуса при вершине инструмен та rs и у точнения диапазона варьирования относительной глубины внедрения ts

3.4. Поисковый классический эксперимент по определению степени влияния угла заборного конуса на процесс формирования оребрения

3.5. Поисковый классический эксперимент по определению максимального значения относительного приведенного радиуса скругления рабочей кромки

3.6. Планирование экстремальных экспериментов

3.7. Стержневой инструмент для формирования ребер

3.8. Дисковый инструмент для формирования профиля ребер

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Поисковый классический эксперимент по определению диапазона варьирования и оптимального значения скорости, подбору СОТС и способа ее подачи

4.2. Экспериментальное определение оптимального значения радиуса при вершине инструмента и диапазона варьирования глубины внедрения

4.3. Экспериментальное определение степени влияния заборного конуса на процесс формирования ребра

4.4. Экспериментальное определение максимального значения относительного приведенного радиуса скругления рабочей кромки

4.5. Факторный эксперимент для определения зависимостей для расчета удельного значения прироста высоты ребра и составляющих силы обработки

ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

5.1. Приспособление для заточки деформирующих пластин

5.2. Система подачи СОТС

5.3. Оправка для изготовления теплообменников

5.4. Дополнительная обработка теплообменника

5.5. Методика расчета режимов обработки и их оптимизация по минимальной себестоимости при заданной теплоотдаче оребрения

Для повышения компактности и снижения материалоемкости различных теплообменных систем производят оребрение поверхностей теплообмена. Большинство существующих методов позволяют эффективно изготавливать теплообменники в условиях крупносерийного и массового производства. Методы, разработанные для условий мелкосерийного производства, имеют некоторые ограничения. Так, изготовление теплообменников пайкой имеет низкую производительность. А метод деформирующего резания (МГТУ им. Баумана) позволяет изготавливать только монометаллические теплообменники. Поэтому актуальна задача разработки метода, позволяющего с достаточно высокой производительностью изготавливать как монометаллические, так и биметаллические теплообменники в условиях мелкосерийного и единичного производства.

В диссертации предложен новый метод изготовления оребренных поверхностей - метод пластического оттеснения. Рассмотрены вопросы формирования оребрения предложенным методом. Разработаны теоретические и эмпирические зависимости для расчета параметров инструмента, режимов обработки и размеров заготовки исходя из требуемых шага и высоты оребрения. Произведен анализ и подбор СОТС и способов их подачи, позволяющих при минимальной стоимости осуществлять формирование оребрения с высокими показателями качества поверхности. Создана методика для оптимизации режимов обработки и размеров заготовки по условию минимальной себестоимости и по ней разработана программа. Выявлены ограничения по применимости процесса. Разработан и изготовлен вариант оснастки для изготовления оребрения на цилиндрических монометаллических теплообменниках, а также методика ее проектирования.

Целью работы является разработка метода для производства биметаллических и монометаллических теплообменников, пригодного для использования в условиях единичного и мелкосерийного производства. Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить и разработать научные положения, на базе которых может быть создан новый метод.

2. Произвести теоретическое описание процесса формирования ребер теплообменников для этого метода обработки.

3. Провести исследования для установления эмпирических зависимостей взаимосвязи размеров формируемого ребра с условиями обработки.

4. Разработать программу для определения оптимальных условий обработки, позволяющих получить оребрение с наибольшей эффективностью.

5. Разработать рекомендации по оснастке и инструменту для использования метода в производственных условиях.

Методика исследований. Теоретические исследования базируются на научных основах технологии машиностроения, на основных положениях физики и математики, а так же на теории сопротивления материалов и теории пластичности. Экспериментальные исследования базируются на теории планирования экспериментов. При выполнении работы применялись современные методы оценки и измерения параметров качества поверхностного слоя деталей.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Новый метод формообразования оребренных поверхностей -метод пластического оттеснения.

2. Физическая картина формирования оребрения предлагаемым методом.

3. Теоретические и эмпирические зависимости взаимосвязи параметров оребрения с условиями обработки и геометрией инструмента.

4. Установленные возможности метода получения оребрения пластическим оттеснением.

5. Методика определения условий обработки, обеспечивающих формирование оребрения, имеющего требуемую теплоотдачу, при минимальной себестоимости.

Научная новизна работы заключается в теоретическом описании формирования параметров оребрения при их получении методом пластического оттеснения.

Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований.

Практическая значимость.

1. Установлены возможности метода пластического оттеснения для обеспечения требуемых параметров оребрения.

2. Разработаны методика, алгоритм и программа определения условий обработки, обеспечивающих требуемые значения параметров оребрения при их минимальной себестоимости.

3. Разработаны рекомендации для применения метода в производственных условиях.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 4-й Международной научно-технической конференции «Качество машин», Брянск, 2001 г.; на первой молодежной научно-технической конференции «Вузов приграничных регионов славянских государств», Брянск, 2001 г.; на молодежной научно-технической конференции «Славянских государств», Брянск, 2002 г., на заседании кафедры «Автоматизированные технологические системы» БГТУ, 2003г., на заседании технологической секции БГТУ, 2003г., на заседании кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты» ОрелГТУ, 2003г.

Часть работы выполнялась в соответствии с грантом Министерства образования Российской Федерации «Разработка процесса и инструмента, обеспечивающего увеличение поверхности теплообмена» Т00-6.3-147.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

1. Разработана новая технология изготовления оребрения методом пластического оттеснения материала.2. Выявлена физическая картуша процесса, заключающаяся в вытеснении и пластическом оттеснении материала заготовки инструментом в формируемое ребро. Произведено ее математическое описание.3. Установлены параметры, оказывающие наибольщее влияние на протекание процесса оребрения: относительная глубина внедрения ts и радиус при вершине инструмевгга г оказывают наибольшее влияние на удельный прирост высоты ребра; коэффициент относительного удлинения материала 8 и диаметр заготовки do оказывают влияние на максимальную высоту ребра; СОТС и скорость обработки оказывают влияние на стабильность процесса; подача S и радиус скругления рабочей кромки инструмента psnp оказывают влияние на усилия при обработке.4. Установлено, что максимальная скорость обработки при использовании в качестве СОТС водомасляной эмульсии с подачей распылением составляет 47 м/мин.5. Максимальная глубина внедрения по условию шероховатости вершины ребра составляет ts = 0,4 (в долях от подачи).6. Максимальное значение относительного приведенного радиуса скругления рабочей кромки по условию стабильного протекания процесса составляет psnp = 3 мм.7. Оптимальное значение радиуса при вершине инструмента г составляет

8. Разработана и изготовлена оснастка и приспособления для заточки инструмента и изготовления изделий.9. Установлено, что разработанный метод позволяет изготавливать теплообменники с коэф. оребрешш до х"" 14... 16.10.Данный метод оребрения экономически выгодно использовать в условиях мелкосерийного производства.

1. Алюминиевые сплавы. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. - Справ. М.: Металлургия, 1974. - 432с.

2. Аркулис Г.Э., Дрогобит В.Г. Теория пластичности -М.: Машиностроение, 1986. -258с.

3. Бердичевский Е.Г. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1984.-224с.

4. Бобров В.Ф., Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975.-344с.

5. Богатов A.A. и др. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением/Богатов А.А.,Мижирицкий О.И.,Смирнов С.В.-М.: Металлургия, 1984.-144с.

6. Бурков В.В. Алюминиевые радиаторы автотракторных двигателей. -М.: Машиностроение, 1964. 200с.

7. Гдалевич А.И. Финишная обработка лепестковыми кругами. -М.: Машиностроение, 1990. 112с.

8. Голенков В.А., Радченко С.Ю. Технологические процессы обработки металлов давлением с локальным нагружением заготовки. М.: Машиностроение, 1997.-225с.

9. Гун Г.Я. Теоретические основы обработки металлов давлением -М:«Металлургия», 1980 456 с.

10. З.Гуров Р.В. Разработка метода формообразования ребертеплообменников пластическим оттеснением. Обработка металлов, № 3(16) 2002 г. с.24-26.

11. Гуров Р.В. Технологическое обеспечение увеличения поверхности теплообмена, Обработка металлов, №1(12),2001 г., стр.24.

12. Гуров Р.В. Технологическое обеспечение увеличения поверхности теплообмена. Тезисы докладов на Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Технология и оборудование современного машиностроения» г.Уфа, УГАТУ, 2000 г.

13. Дьюхарст С., Старк К. Программирование на С++:Пер.с англ.-Киев: ДИАСОФТ, 1993.-271 с.

14. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MathCad 7.0 в математике, физике и в Internet. М.: «Нолидж», 1999. - 352с.

15. Зубков H.H. Деформирующее резание, Сборник статей «Резание и инструмент» МГТУ им. Н.Э.Баумана, под ред. Древаля А.Е., 2000.

16. Зубков H.H. Основы формообразования функциональных поверхностей методом деформирующего резания, «Технология машиностроения», №1, 2001, с 19-24.

17. Зубков H.H. Разработка и исследование метода деформирующего резания как способа формирования развитых макрорельфов. -автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001.

18. Зубков H.H. Формообразование функциональных поверхностейметодом деформирующего резания, «Вестник машиностроения», №10, 1994, с13-20.

19. Ильицкий В.Б. и др. Станочные приспособления. 11онструкторско-технологическое обеспечение эксплуатационных свойств / Ильицкий В.Б., Микитянский В.В., Сердюк JIM. М.: Машиностроение, 1989. -208с.

20. Ильицкий В.Б., Ерохин В.В. Проектирование технологической оснастки: Учеб.пособие/БГТУ. Брянск: Изд-во БГТУ, 2001. - 103 с.

21. Инженерные методы расчета технологических процессов обработки металлов давлением/Под ред. И.Я.Тарновского. М.: Металлургиздат, 1963.-430с

22. Исаченков Е.И. Контактное трение и смазки при обработке металлов давлением. М.: Машиностроение, 1978. - 206с.

23. Калачев М.И. Деформационное упрочнение металлов М.: Наука, 1982. -116с.

24. Каратыгин A.M., Коршунов Б.С. Заточка и доводка инструмента. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1977. 182с.

25. Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента. Изд. 2-е, перераб. и доп. М. Машиностроение, 1974. -231с.

26. Качество машин. Справочник. В 2-х т., Т.1/ А.Г.Суслов, Э.Д.Браун, Н.А.Виткевич и др. М.: Машиностроение, 1995. - 256с.

27. Качество машин. Справочник. В 2-х т., Т.2/ А.Г.Суслов, Ю.В.Гуляев, А.М.Дальский и др. -М.: Машиностроение, 1995. 430с.

28. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. Пер. с англ. М.: Энергия, 1977-464с.

29. Киппер Э.Е. Анализ микрорельефа обработанной поверхности деталей из коррозионностойких после чистового точения. Технологиямашиностроения: сб.тр./БИТМ; редкол.: Рыжов Э.В. и др. Тула, 1977. -с. 102-105.

30. Киллер Э.Е. Исследование процесса образования неровностей поверхности при обработке коррозионностойких сталей лезвийными инструментами: автореферат дис.канд.техн.наук. Брянск, 1970. -21с.

31. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С, Основы расчетов на трение и износ.

32. Кунтыш В.Б.,Кузнецов Н.М. Тепловой и аэродинамический расчеты оребренных теплообменников воздушного охлаждения.Спб.: Энергоатомиздат, 1992. 280 с.

33. Ланков A.A., Миронов В.А. Упругость, упругопластичность, пластичность в конструкционных средах: Учебное пособиеТверь: ТГТУ, 1997.-132с.

34. Марочник сталей и сплавов /В.Г. Сорокин, A.B. Волосникова, С.А. Вяткин и др.; Под общ. ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989.-640 с.

35. Маслов Г.И. и др. Конструкция и технология изготовления ребристых теплообменников для систем охлаждения тепловозов/Маслов Г.И., Березников Ю.И., Зинаков Ю.И., ЦНИИТЭИТЯЖМАШ. -М.: изд -во ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 1980. 50с.

36. Мастеров В.А., Берковский B.C. Теория пластической деформации и обработка металлов давлением. 3-е изд., перераб. и доп.-М.: Металлургия, 1989. - 400с.

37. Матвеевский P.M. и др. Противозадирная стойкость смазочных сред при трении в режиме граничной смазки / Матвеевский P.M., Буяновский И.А., Лазовская О.В.; отв.ред. А.П.Семенов. М.: Наука, 1978. - 192с.

38. Математические методы в технологических исследованиях./ Рыжов Э.В., Горленко O.A. Отв. ред. Гавриш А.Г.; АН УССР. Ин-т сверхтверд, материалов. Киев: Наук, думка, 1990. 184с.

39. Машиностроение. Энциклопедия./Ред. совет: К.В.Фролов и др.М.: Машиностроение. Технология изготовления деталей машин. Т.Ш-З/ А.Г.Суслов, А.М.Дальский, Ю.Ф.Назаров и др.; под общ. ред. А.Г.Суслова, 2000. 840с.

40. Машиностроение. Энциклопедия./Ред. совет: К.В.Фролов и др. -М.: Машиностроение. Металлообрабатывающие станки и деревообрабатывающее оборудование. Т.1У-7/Под ред. Б.И.Черпакова, 1999.-863с.

41. Микулин Е.И., Шевич Ю.А. Матричные таеплообменные аппараты. -М.: Машиностроение, 1983. 107с.

42. Михин Н.М. Внешнее трение твердых тел / отв.ред. И.В.Крагельский. М. :Наука, 1977.-220с.

43. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных. -Л.: Судостроение, 1980. 384 с.

44. Накатывание резьб,червяков,шлицев и зубьев / Лапин В.В., Писаревский М.И., Самсонов В.В., Сизов Ю.И.-Л.Машиностроение, 1986.-228с.

45. Обработка резанием высокопрочных, коррозионностойких ижаропрочных сталей./ Под ред. П.Г.Петрухи. -М. Машиностроение, 1980. 166с.

46. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения, С.П. ; «Недра», С.-П. отделение ; под ред. Кунтыша В.Б. и Бессонного А.Н., 1996 г. 312с.

47. Палей М.М. и др. Технология шлифования и заточки режущего инструмента/ М.М.Палей, Л.Г.Дибнер, М.Д.Флид.М.: Машиностроение, 1988. 288с.

48. Палей М.М. Технология производства режущего инструмента. -М.: МАШГИЗ, 1963. -484с.

49. Планирование эксперимента в технологических исследованиях.ро К I ( О П 1 » ю X« м « • — ~ • « •Винарский М.С., Лурье М.В. Киев.: Техника, 1975. 168с.

50. Пресняков A.A. Локализация пластической деформации -JL: Машиностроение, ленингр. отд-е., 1984г. — 128с.

51. Проскуряков Ю.Г., Петров В.Н. Тонкораспыленное охлаждение режущих инструментов Машгиз, 1962. - 111с.

52. Расчеты экономической эффективности новой техники: Справ./ под общ. ред. К.М.Великанова JL: Машиностроение, ленингр. отд-е., 1990г.-448с.

53. Рыжов Э.В., Андрейчиков О.С., Стешков А.Е. Раскатывание резьб -М.: Машиностроение, 1974. 122с.

54. Скрипников Ю.Ф. Радиаторы для полупроводниковых приборов. -М.: Энергия, 1973.-48с.

55. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием: Справочник/Под ред. С.Г.Энтелиса, Э.М.Берлинера.- М.: Машиностроение, 1986. 352с.

56. Смирнов Н.В., Дунин Барковский И.Н. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. - М.: Машгиз. - 1983, 460 с.

57. Солонин И.С. Математическая статистика в технологии машиностроения. -М.: Высш. шкала. 1978, 218 с.

58. Справочник инструментальщика /И.А. Ординарцев, Г.В. Филиппов, А.Н. Шевченко и др.; Под общ. ред. И.А. Ординарцева.JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. 846 е.: ил.

59. Справочник по сопротивлению материалов /Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В., 2-е изд., перераб. и доп. Киев: Наук, думка, 1988.- 736 с.

60. Справочник по сопротивлению материалов. Любшиц М.И., Ицкович Г.М. Минск: Высшая школа, 1965г. - 345с.

61. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т., T.l/Под ред. A.M. Дальского, А.Г.Косиловой, Р.К.Мещерякова, А.Г.Суслова 5-е изд, перераб. и доп. - М.: Машиностроение-1, 2001. - 912с.

62. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т., Т.2/Под ред. А.М.Дальского, А.Г.Косиловой, Р.К.Мещерякова, А.Г.Суслова 5-е изд, перераб. и доп. -М.: Машиностроение-1, 2001. - 944с.

63. Статистические методы в инженерных исследованиях (лабораторный практикум): Учеб. пособие/Бородюк В.П., Вощинин А.П., Иванов А.З. и др.; Под ред. Г.К. Круга. М.: Высш. школа, 1993. - 216 е., ил.

64. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин.-М:Машиностроение, 2000 320 с.

65. Суслов А.Г., Гуров Р.В. Разработка процесса формообразования ребер теплообменников методом пластического оттеснения научные труды международной конференции «Нетрадиционные методы обработки» 2527 сентября 2002г., г. Воронеж.

66. Суслов.А.Г., Дальский A.M. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2002. 684с.

67. Технология изготовления режущего инструмента. / Барсов А.И., Иванов А.В.,Кладова, К.И.,Троицкая А.Н.-М.: Машиностроение, 1979. -134с.

68. Физические величины: Справочник/А.П. Бабичев, H.A. Бабушкина, А.Н. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. -М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

69. Чертавских А.К., Белосевич В.К. Трение и технологическая смазка при обработке металлов давлением, Металлургия, 1968. - 364с.

70. Чижиков Ю.М. Теория подобия и моделирование процессов обработки металлов давлением.-М.¡Металлургия, 1970.-295с.

71. Шевчеко H.A., Киппер Э.Е. Образование поперечных неровностей при несвободном резании пластичных металлов. Станки и инструмент, №4, 1973, с.38-39.

72. Шустер Л.Ш. Адгезионное взаимодействие режущего инструмента с обрабатываемым материалом. М.: Машиностроение, 1988 - 96с.

73. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. Гутер P.C., Овчинский Б.В. Изд. 2-е, перераб. М.Наука, 1970. -432с.

74. Якимович А.М. Получение круглых оребренных элементов теплообменников методом резания-скальпирования. автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Белорусский политехнический институт, 1990.

75. Minkus U. Untersuchungen zum Betriebsverhalten von Kuhlluftern in Nutzfahrzeugen. Stuttgart, 1993. -160 S.

76. Guntert P. Simulation eines Fahrzeugkuhlsystems unter besonderer Berücksichtigung der luft- und kuhlmittelseitigen Volumenstromverteilung. -Stuttgart, 1994. -129 S.

77. Klinger H. Untersuchung des Einflusses veränderlicher Anströmwinkel auf die Flammrohr-Filmkuhlung. -Darmstadt, 1993. 132 S.

78. Ambros P. Simulation der luftseitigen Durchstromung eines Kraftfahrzeugvorderwagens zur Auslegung des Motorkuhlsystems. -Stuttgart, 1994. -142 S.БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ