Исследование процессов и параметров спрейерного охлаждения пружин при высокотемпературной термомеханической обработке

• Автор: Копылов, Константин Андреевич
• Шифр специальности: 05.02.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 162 с. : ил.

Сокращения и обозначения
N - число форсунок, используемых для подачи теплоносителя; v_j - скорость впрыска теплоносителя через форсунку;
«охла' _ скорость охлаждения материала;
г»кр - критическая скорость охлаждения материала;
а - коэффициент теплоотдачи;
do к - коэффициент избытка окислителя;
Л - коэффициент теплопроводности материала; ф - угол относительного расположения форсунок; р - плотность вещества; т - время процесса;
R - радиус внутренней поверхности спрейерной камеры;
S - объемная доля вещества;
Т - температура;
x,y,z - декартовыс координаты
Re - число Рейнольдса;
Nu - число Нуссельта;
CFD — вычислительная гидродинамика (computational fluid dynamics); VOF — метод объема жидкости (volume of fluid);
ВТМО — высокотемпературная термомеханическая обработка;
ГУ - граничное условие;
КИМ - коэффициент использования металла;
КМГЭ - комплексный метод граничных элементов;
КЭ — конечный элемент;
МКЭ — метод конечных элементов;
САПР — средства автоматического проектирования;
ТВЧ — ток высокой частоты;
ТМО — термомеханическая обработка.
Содержание
Сокращения и обозначения
Введение
1 Обзор и анализ общих вопросов технологии изготовления пружин
1.1 Классификация витых пружин
1.2 Технология изготовления пружин
1.3 Обзор технологии высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) стали
1.3.1 Краткая историческая справка развития ВТМО
1.3.2 ВТМО, как основа технологии изготовления пружин
1.3.3 Подготовка и подача заготовки
1.3.4 Нагрев заготовки
1.3.5 Навивка калиброванного прутка на оправку
1.3.6 Термическая обработка прутка
1.3.6.1 Охлаждение водяным душем и водяным потоком
1.3.6.2 Охлаждение масляным душем
1.3.6.3 Охлаждение душем водных растворов неорганических и органических соединений
1.3.6.4 Другие методы охлаждения после индукционного нагрева
1.4 Кинетика фазовых переходов материала
1.5 Постановка проблемы
2 Физические и математические модели операций технологического процесса
2.1 Физические модели тепловых процессов технологии изготовления пружин
2.1.1 Выход прутка из индуктора ТВЧ. Задачи лучистого теплообмена

2.1.2 Взаимодействие прутка с оправкой в процессе навивки. Задачи теплопередачи
2.1.3 Подвод теплоносителя к поверхности прутка. Задачи гидродинамики.
2.1.4 Охлаждение прутка в енрейерной камере. Задачи сопряженного теплообмена
2.1.5 Постановка целей, задач. Ожидаемые результаты
2.2 Математическая постановка задач
2.2.1 Теплообмен прутка с окружающей средой после выхода из индуктора
2.2.2 Теплообмен прутка с оправкой и окружающей средой при навивке
2.2.3 Теплообмен прутка с теплоносителем при охлаждении в спрейерной камере
2.2.4 Подвод теплоносителя к поверхности прутка в спрейерной камере
без учета испарения
2.2.5 Взаимодействие теплоносителя с прутком пружины с учетом испарения теплоносителя
3 Оценка тепловых потерь прутка пружины за время переходов между этапами технологического процесса
3.1 Алгоритм постановки задач теплообмена средствами программного комплекса АИБУБ
3.2 Охлаждение прутка пружины при выходе из индуктора ТВЧ
3.2.1 Задание теплофизических свойств материала
3.2.2 Построение твердотельной геометрической модели. Особенности
3.2.3 Построение сеточной модели рассматриваемой геометрии
3.2.4 Постановка начальных и граничных условий
3.2.5 Анализ результатов расчета
3.3 Расчет процессов теплопроводности при навивке прутка на оправку .
3.3.1 Задание теплофизических свойств материалов
3.3.2 Построение твердотельной геометрической модели. Особенности импорта «внешней» геометрической модели

1.3.6.1 Охлаждение водяным душем и водяным потоком
Выбор охлаждающей среды и способов подачи сс на закаливаемую поверхность определяется как необходимостью получения заданной структуры металла, так и конкретными условиями технологического процесса термической обработки деталей [21].
Душевое охлаждение характеризуют следующие показатели: постоянное омы-вание поверхности изделий новыми, свежими порциями закалочной жидкости; возможность получения различной интенсивности охлаждения одной и той же жидкостью за счет изменения сс количества и скорости истечения из спрепера, расстояния от охладителя до изделия, количества, формы, размеров и частоты отверстий в спрейере и угла падения струй на охлаждаемую поверхность; возможность создания более равномерного омывания поверхности изделия; возможность управления процессом охлаждения на различных его стадиях.
Физически наиболее достоверной характеристикой охлаждающей способности среды является коэффициент теплоотдачи а при любой заданной температуре Т поверхности охлаждения: а = /(Т). Эта характеристика позволяет проследить изменение охлаждающей способности среды п эффективности данного способа в процессе теплоотвода.
Вследствие сложной зависимости от температуры коэффициент теплоотдачи а не может быть рекомендован для оценки охлаждающей способности различных сред и способов охлаждения. Наиболее наглядной и практически легко используемой характеристикой! является эквивалентный коэффициент теплоотдачи аэкв- В условиях душевого охлаждения поверхности величина скэкв достаточно близка к усредненному по температуре коэффициенту теплоотдачи в диапазоне температур 100—800°С .
Таким образом, эквивалентный коэффициент теплоотдачи при охлаждении водяным душем в результате влияния различных параметров душа, воды и спрейера может меняться от 0,8 • 104 до 20 • 10'1 Вт/(м2-°С ). Таким диапазоном