Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University37110.18323/2073-5073-2015-3-117-122Technical SciencesТехнические наукиMATHEMATICAL MODELING OF MICROWAVE HEATING OF SEMIFINISHED ABRASIVE TOOLSМАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРОВОЛНОВОГО НАГРЕВА ПОЛУФАБРИКАТОВ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТАSapunovValery ViktorovichСапуновВалерий Викторович
Russian Federation

assistant of the Department «Technology of machine building»

ассистент кафедры «Технология машиностроения»

valera-s395@mail.ruVetkasovNikolay IvanovichВеткасовНиколай Иванович
Russian Federation

Doctor of Engineering, Professor of the Department «Technology of machine building»

доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения»

nppwt@ulstu.ruKhudobinLeonid ViktorovichХудобинЛеонид Викторович
Russian Federation

Doctor of Engineering, Professor of the Department «Technology of machine building»

доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения»

kafedra_tm@ulstu.ruUlyanovsk State Technical University, UlyanovskУльяновский государственный технический университет, Ульяновск300920153-11171220605202206052022https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/371

The authors noted the advantages and disadvantages of microwave heat treatment of semi-finished abrasive tool (AT) and described the method of microwave heat treatment of semi-finished AT using heat insulation of heat units, which ensures uniform heating of the stack of semis. The article represents the physical model of microwave heating of AT bakelite bonded semis in the thermostat, which is the base for construction of mathematical model and determination of initial and boundary conditions. The authors specified the dependencies of thermal and physical characteristics of bakelite bonded semi-finished AT on temperature. The authors determined experimentally the dependence of specific capacity of heat energy released and absorbed in the process of AT polymerization ​​by means of exothermic and endothermic effects on the time of heat treatment, carried out a numerical simulation of the microwave heating of semi-finished AT using the finite-element method in the NX 7.5 software environment. During this simulation, heat emission sources and the dependences of their specific capacity changes on the time are designated, initial and boundary conditions are given in accordance with the designed mathematical model. The article presents the results of numerical simulation in the form of temperature field in the stack of semi-finished AT. The most effective heat-insulator is selected on the basis of the analysis of models of microwave heating of semi-finished AT heat-insulated using various materials. During the microwave heating of AT semis using the radio transparent insulation the authors discovered the significant reduction in the temperature gradient. By means of numerical simulation of microwave heat treatment, the modes providing the required rates of heating of AT semis at various stages of the heat treatment cycle are revealed. Using these modes, the authors carried out the experimental study of the influence of heat insulation on the uniformity of AT semis heating within the microwave field.

Обозначены преимущества и недостатки микроволнового способа термообработки полуфабрикатов абразивного инструмента (АИ). Описан способ микроволновой термообработки полуфабрикатов АИ с использованием теплоизоляции объектов нагрева, который позволяет обеспечить равномерный нагрев стопки полуфабрикатов. Представлена физическая модель микроволнового нагрева полуфабрикатов АИ на бакелитовой связке в условиях термостатирования, на основе которой построена математическая модель и назначены начальные и граничные условия. Определены зависимости теплофизических характеристик полуфабрикатов АИ на бакелитовой связке от температуры. Экспериментально определена зависимость удельной мощности тепловой энергии, выделенной и поглощенной в процессе полимеризации АИ за счет экзо- и эндотермических эффектов, от времени термообработки. Проведено численное моделирование процесса микроволнового нагрева полуфабрикатов АИ методом конечных элементов в программной среде NX 7.5, в ходе которого обозначены источники выделения теплоты и зависимости изменения их удельной мощности от времени, заданы начальные и граничные условия в соответствии с построенной математической моделью. Представлены результаты численного моделирования в виде температурного поля в стопке полуфабрикатов АИ. На основе анализа моделей микроволнового нагрева полуфабрикатов АИ, теплоизолированных различными материалами, выбран наиболее эффективный теплоизолятор. Выявлено значительное снижение градиента температур в процессе микроволнового нагрева полуфабрикатов АИ за счет применения радиопрозрачной теплоизоляции. Путем численного моделирования процессов микроволновой термообработки выявлены режимы, обеспечивающие требуемые скорости нагрева полуфабрикатов АИ на различных этапах цикла термообработки. На полученных режимах проведено экспериментальное исследование влияния теплоизоляции на равномерность нагрева полуфабрикатов АИ в микроволновом поле.

microwave heatingabrasive toolsbakelite bondthermostat controlmathematical modelмикроволновый нагревабразивный инструментбакелитовая связкатермостатированиематематическая модельKhudobin L.V., Vetkasov N.I., Mihaylin S.M. Sverkhvysokochastotnaya energetika v proizvodstve abrazivnykh instrumentov i ikh rabotosposobnost [Microwave energy in the manufacture of abrasive tools and their efficiency]. Ulyanovsk, UlSTU Publ., 2013, 307 p.Худобин Л.В., Веткасов Н.И., Михайлин С.М. Сверхвысокочастотная энергетика в производстве абразивных инструментов и их работоспособность. Ульяновск: УлГТУ, 2013. 307 с.Khudobin L.V., Vetkasov N.I., Mihaylin S.M., Sapunov V.V. The efficiency of the grinding wheels filled with carbonaceous materials, bakelite in a microwave field. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2011, no. 1, pp. 56–62.Худобин Л.В., Веткасов Н.И., Михайлин С.М., Сапунов В.В. Работоспособность шлифовальных кругов с наполнителями из углеродсодержащих материалов, бакелизированных в СВЧ-поле // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2011. № 1. С. 56–62.Vetkasov N.I., Khudobin L.V., Sapunov V.V. Modification bundles of abrasive tools to accelerate the polymerization of semi-finished products when heated in the microwave field. Inzhiniring techno 2014: sbornik trudov II mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Saratov, 2014, vol. 2, pp. 216–224.Веткасов Н.И., Худобин Л.В., Сапунов В.В. Модификация связки абразивных инструментов для ускорения полимеризации полуфабрикатов при нагреве в сверхвысокочастотном поле // Инжиниринг техно 2014: сборник трудов II междунар. научно-практ. конф. Саратов, 2014. Т. 2. С. 216–224.Morozov G.A., Morozov O.G. Microwave technology. Results and new tasks. Fizika volnovykh protsessov i radiotekhnicheskie sistemy, 2006, no. 3, pp. 82–91.Морозов Г.А., Морозов О.Г. Микроволновые технологии. Результаты и новые задачи // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2006. № 3. С. 82–91.Nefedov V.N. High-performance microwave technology heat treatment of materials with low dielectric loss. Proizvodstvennye tekhnologii 2001: materialy otchetnoy konferentsii-vystavki. Moscow, 2002, p. 340.Нефедов В.Н. Высокоэффективные СВЧ-технологии термообработки материалов с малыми диэлектрическими потерями // Производственные технологии 2001: материалы отчетной конференции-выставки. М., 2002. С. 340.Didenko A.N. SVCH-energetika: teoriya i praktika [Microwave energy: theory and practice]. Moscow, Nauka Publ., 2000, 264 p.Диденко А.Н. СВЧ-энергетика: теория и практика. М.: Наука, 2000. 264 с.Dotsenko A.V. Optimization of the damage and the backup when the microwave dielectric heating. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2006, vol. 1, no. 1, pp. 131–137.Доценко А.В. Оптимизация ущерба и резервирования при СВЧ диэлектрическом нагреве // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. Т. 1. № 1. С. 131–137.Tolstov V.A. Improving the energy efficiency of microwave dielectric heating. Elektrodinamicheskie ustroystva i linii peredachi SVCH: mezhvuzovskiy nauchniy sbornik. Saratov, 2000, pp 109–113.Толстов В.А. Повышение энергетической эффективности установок СВЧ диэлектрического нагрева // Электродинамические устройства и линии передачи СВЧ: межвуз. науч. сборник. Саратов, 2000. С. 109–113.Bykov Y.V., Rybakov K.I., Semenov V.E. Microwave high-temperature processing of materials. Vakuumnaya SVCH elektronika: sbornik obzorov. N. Novgorod, 2002, pp. 26–35.Быков Ю.В., Рыбаков К.И., Семенов В.Е. Микроволновая высокотемпературная обработка материалов // Вакуумная СВЧ электроника: сборник обзоров. Н. Новгород, 2002. С. 26–35.Demyanchuk B.A. Microwave heating: especially the modernization of technologies. Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoy apparature, 2004, no. 2, pp. 41–45.Демьянчук Б.А. Микроволновый нагрев: особенности модернизации технологии // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2004. № 2. С. 41–45.Mikhaylin S.M., Kapustin A.I., Zhdanov S.V. Microwave technology in the manufacture of abrasive tools on bakelite base. Vestnik mashinostroeniya, 2008, no. 10, no. 58–61.Михайлин С.М., Капустин А.И., Жданов С.В. Сверхвысокочастотные технологии в производстве абразивных инструментов на бакелитовой связке // Вестник машиностроения. 2008. № 10. С. 58–61.Popov E.M. Microwave drying of minerals. Bezopasnost truda v promyshlennosti, 2015, no. 4, pp. 33–35.Попов Е.М. Микроволновая сушка полезных ископаемых // Безопасность труда в промышленности. 2015. № 4. С. 33–35.Kingston G.M., Jessie L.B. Probopodgotovka v mikrovolnovykh pechakh. Teoriya i praktika [Sample preparation in microwave ovens. Theory and practice]. Moscow, Mir Publ., 1991, 336 p.Кингстон Г.М., Джесси Л.Б. Пробоподготовка в микроволновых печах. Теория и практика. М.: Мир, 1991. 336 с.Arkhangelskiy Y.S., Voronkin V.A. Elementnaya baza SVCH elektrotermicheskogo oborudovaniya [Element base of microwave electrothermal equipment]. Saratov, SSTU Publ., 2003, 212 p.Архангельский Ю.С., Воронкин В.А. Элементная база СВЧ электротермического оборудования. Саратов: СГТУ, 2003. 212 с.Mihaylin S.M. Modeling the distribution of thermal power microwave radiation in the chamber condensation composite materials. Vestnik UlGTU, 2009, no. 1, pp. 31–33.Михайлин С.М. Моделирование распределения тепловой мощности сверхвысокочастотного излучения в камере поликонденсации композитных материалов // Вестник УлГТУ. 2009. № 1. С. 31–33.Kapustin A.I., Khudobin L.V., Sapunov V.V., Vetkasov N.I., Mikhaylin S.M., Kapustin A.A. Sposob SVCH-termoobrabotki polufabrikatov iz kompozicionnyh materialov na organicheskih termoreaktivnyh svyazkah [Method of microwave heat treatment of semi-finished products made of composite materials based on organic thermosetting bundles]. Patent RF no. 2545939, 2015.Капустин А.И., Худобин Л.В., Сапунов В.В., Веткасов Н.И., Михайлин С.М., Капустин А.А. Способ СВЧ-термообработки полуфабрикатов из композиционных материалов на органических термореактивных связках : патент на изобретение РФ № 2545939 от 10.04.2015.Reznik S.V. Rumyantsev S.A. Mathematical modeling of the thermal state of cylindrical workpieces from polymeric composite materials at microwave heating. Nauka i obrazovanie: elektronnoe nauchno-tekhnicheskoe izdanie, 2014, no. 1, pp. 6–21.Резник С.В., Румянцев С.А. Математическое моделирование температурного состояния цилиндрических заготовок из полимерных композиционных материалов при СВЧ нагреве // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2014. № 1. С. 6–21.Arkhangelskiy Y.S. Spravochnaya kniga po SVCH elektrotermii: spravochnik [Handbook of Microwave electrothermics: directory]. Saratov, Nauchnaya kniga Publ., 2011, 560 p.Архангельский Ю.С. Справочная книга по СВЧ-электротермии. Саратов: Научная книга, 2011. 560 с.Usanov D.A., Skripal A.V., Romanov A.V. Complex permittivity of composites based on dielectric matrices and their constituent carbon nanotubes. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki, 2011, vol. 81, no. 1, pp. 106–110.Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Романов А.В. Комплексная диэлектрическая проницаемость композитов на основе диэлектрических матриц и входящих в их состав углеродных нанотрубок // Журнал технической физики. 2011. Т. 81. № 1. С. 106–110.Lykov A.V. Teplomassoobmen. Spravochnik [Heat and Mass Transfer. Directory]. Moscow, Energiya Publ., 1978, 480 p.Лыков А.В. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1978. 480 с.