Определение коэффициента конвективной теплоотдачи смазочно-охлаждающей жидкости при глубинном алмазном шлифовании твердосплавных изделий

Цель – определение коэффициента конвективной теплоотдачи между твердым сплавом и смазочно-охлаждающей жидкостью для оценки ее влияния на тепловые процессы при конечно-элементном моделировании процесса глубинного шлифования твердосплавных изделий профильными алмазными кругами. Объектом исследований являлся процесс теплопередачи от втулки из твердых сплавов Т15К6 и ВК8 размерами: наружный диаметр – 24 мм, внутренний диаметр – 17 мм, длина – 36 мм. В качестве смазочно-охлаждающей жидкости использовался 3 %-й раствор Na₂CO₃ в температуре жидкости до 373 K, источника тепла – до 603 K. Моделирование процесса глубинного шлифования на основе полученных экспериментальных данных проводилось методом конечных элементов в SolidWorks Simulation 2015. Авторами разработана методика экспериментального определения коэффициента конвективной теплоотдачи смазочно-охлаждающей жидкости в зоне обработки при профильном глубинном алмазном шлифовании изделий сложных конфигураций из изученных твердых сплавов. Данная методика позволяет определить данный коэффициент с удовлетворительной сходимостью относительно теоретических расчетов (10,49 %). Предложены формулы для расчета коэффициента конвективной теплоотдачи по экспериментальным данным. Значения коэффициента составили для сплава Т15К6 250,17 ± 4,42 Вт/(м²∙К), для сплава ВК8 – 250,61 ± 4,11 Вт/(м²∙К) соответственно. Спроектирован стенд, предназначенный для экспериментального определения коэффициента конвективной теплоотдачи между конструкционными или инструментальными материалами и смазочно-охлаждающей жидкостью. Результаты моделирования температурных полей при профильном шлифовании показали, что применение смазочно-охлаждающей жидкости снижает теплонапряженность процесса шлифования на 30 %. Используя предложенную методику, можно достаточно точно определить коэффициент конвективной теплоотдачи для охлаждения твердого сплава в заданной среде (смазочно-охлаждающей жидкости) и использовать полученные данные для моделирования тепловых процессов методом конечных элементов при технологии шлифования с учетом конвективного теплообмена. 

1. Абдулгазис Д.У., Абдулгазис У.А., Братан С.М. Оценка целесообразности применения алмазных шлифовальных кругов для обработки твердых сплавов в режиме глубинного шлифования // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. 2022. № 3. C. 123–128. https://doi.org/10.34771/UZCEPU.2022.77.3.024. EDN: DHIKPB.

2. Якимов А.В. Оптимизация процессов шлифования. М.: Машиностроение, 1975. 176 с.

3. Горбунова И.А., Пиралишвили Ш.А., Волков Д.И. Теоретико-экспериментальное моделирование тепловых процессов в поверхностных слоях заготовки при глубинном шлифовании // Справочник. Инженерный журнал. 2005. № 3. С. 29–33.

4. Безъязычный В.Ф., Голованов Д.С. Качество поверхностного слоя деталей из титановых сплавов при глубинном шлифовании // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева. 2017. № 3. С. 65–69. EDN: WPTHMM.

5. Бровкина Я.Ю., Шабалин Д.Н., Козарь И.И., Петров А.В. Методика исследования параметров алмазного шлифовального круга и повышения периода стойкости кругов за счет снижения сил трения при обработке технической керамики // Перспективные машиностроительные технологии: сб. науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф. (г. Санкт-Петербург, 21–25 ноября 2022 г.). СПб.: Политех-Пресс, 2023. С. 20–23. EDN: DKPRZS.

6. Кремень З.И., Юрьев В.Г., Бабошкин А.Ф. Технология шлифования в машиностроении. СПб.: Политехника, 2007. 424 с. EDN: QNBTFZ.

7. Saberi A., Rahimi A.R., Parsa H., Ashrafijou M., Rabiei F. Improvement of surface grinding process performance of CK45 soft steel by minimum quantity lubrication (MQL) technique using compressed cold air jet from vortex tube // Journal of Cleaner Production. 2016. Vol. 131. Iss. 10. P. 728–738. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.04.104.

8. Худобин Л.В. Смазочно-охлаждающие средства, применяемые при шлифовании. М.: Машиностроение, 1971. 217 с.

9. Янюшкин А.Р., Мулюхин Н.В., Секлетина Л.С. Исследования напряжений твердосплавных пластин после комбинированного электроалмазного шлифования // Современные технологии: проблемы и перспективы: сборник статей Всерос. научн.-практ. конф. для аспирантов, студентов и молодых учёных (г. Севастополь, 20–23 мая 2019 г.). Севастополь: Севастопольский гос. ун-т, 2019. С. 48–53. EDN: WAMHKA.

10. Силин С.С., Леонов Б.Н., Хрульков В.А., Лобанов А.В., Полетаев В.А., Данченко Э.Б. Особенности глубинного шлифования титановых сплавов // Вестник машиностроения. 1989. № 1. C. 43–45.

11. Сипайлов В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности. М.: Машиностроение, 1978. 167 с.

12. Долганов А.М., Иванова Т.Н. Исследование влияния теплообмена на температурное поле при шлифовании пластин по кромке // Научно-технический вестник Поволжья. 2012. № 2. C. 186–189.

13. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Теплофизический анализ концентрированных операций шлифования: монография. Ульяновск: УлГТУ, 2002. 140 с. EDN: WOANZZ.

14. Zhukov E.L., Kozar I.I., Olodyazhniy D.Y. Problems of ensuring quality of a surface layer when producing components from hard-to-process heat resistant alloys // Acta Metallurgica Slovaca. 2016. Vol. 22. No. 2. P. 128– 132. https://doi.org/10.12776/ams.v22i2.737. EDN: WPDVFN.

15. Попов В.Ю., Янюшкин А.С., Малышев Н.О., Медведева О.И., Звядинцева С.Ю. Моделирование в системе Ansys контактирующих поверхностей при шлифовании // Системы. Методы. Технологии. 2022. № 1. С. 30–35. (In Russ.). https://doi.org/10.18324/2077-5415-2022-1-30-35. EDN: ZICTUN.

16. Волков Д.И., Полетаев В.А., Голованова А.М., Цветков Б.В. Определение изменений теплообмена в зоне обработки при высокоскоростном глубинном шлифовании // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева. 2023. № 4. С. 67–73. EDN: SQCGAT.

17. Цветков Б.В., Волков Д.И., Коряжкин А.А. Моделирование тепловых процессов при высокоскоростном глубинном шлифовании инструментом из кубического нитрида бора // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева. 2023. № 4. С. 38–45. EDN: OIRQJS.

18. Ящерицын П.И., Цокур А.К., Еременко М.Л. Тепловые явления при шлифовании и свойства обработанных поверхностей. Минск: Наука и техника, 1973. 184 c.

19. Носенко В.А., Пузырькова В.Е., Сердюков Н.Д., Слепцов Д.С. Влияние среды на показатели процесса шлифования сталей и титановых сплавов инструментом из корунда и карбида кремния // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2021. № 8. С. 34–37. https://doi.org/10.35211/1990-5297-2021-8-255-34-37. EDN: ZGGGQL.

20. Носенко В.А., Сердюков Н.Д., Шкода О.М., Самарский П.И. Испытание СОЖ на операции плоского врезного шлифования титанового сплава // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2020. № 8. С. 40–43. https://doi.org/10.35211/1990-5297-2020-8-243-40-43. EDN: LVUEAJ.

21. Кондратенко В.С., Кобыш А.Н., Кисляченко В.Г., Тамбовский А.Д. Оптимизация состава смазочно-охлаждающей жидкости для шлифования различных материалов связанным алмазным инструментом // Перспективные материалы и технологии (ПМТ-2024): сборник докладов Междунар. научн.-техн. конф. ИПТИП РТУ МИРЭА (г. Москва, 12–16 апреля 2024 г.). М.: МИРЭА – Российский технологический университет, 2024. С. 548–552. EDN: PZPTWP.

22. Sinha M.K., Madarkar R., Ghosh S., Paruchuri V.R. Application of eco-friendly nanofluids during grinding of Inconel 718 through small quantity lubrication // Journal of Cleaner Production. 2016. Vol. 141. P. 1359–1375. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.09.212.

23. Волков Д.И., Цветков Б.В., Голованова А.М. Моделирование подачи охлаждающей жидкости в зону обработки при высокоскоростном глубинном шлифовании // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева. 2024. № 2. С. 89–95. EDN: KHRBLZ.

24. Воячек И.И., Муйземнек А.Ю., Кошелева Ю.Н. Выбор режимов алмазного глубинного шлифования труднообрабатываемых материалов из условия сохранения режущей способности круга // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2013. № 1. С. 94–101. EDN: QANNKR.

25. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. 184 с.