авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

«Е. С. КИСЕЛЕВ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ А ...»

-- [ Страница 2 ] --

Таким образом, учитывая вышеупомянутое, в дальнейшем основное вни мание в настоящей работе будет уделено двум направлениям использования УЗК в процессах механической обработки: наложению УЗК на формообразую щий инструмент или заготовку и на СОЖ, подаваемую в зону контакта инстру мента с заготовкой.

2.2. Механизм воздействия ультразвуковых колебаний на режущий инструмент или заготовку при обработке резанием*) В настоящее время является общеизвестным, что даже при очень боль ших давлениях действительная площадь контакта составляет несколько про центов от номинальной [48]. Поэтому контакт инструмента и заготовки носит явно дискретный характер (рис. 20).

М. С. Нерубаем [59] показа но, что введение в зону трения УЗ колебаний сопровождается струк турно-термической активацией контактных поверхностей, повы шением их энергетического со стояния и реакционной способно сти, что интенсифицирует форми рование в зоне контакта прочных Рис. 20. Характер контакта режущего окисных и адсорбированных пле инструмента с заготовкой [55] нок. Последнее препятствует вы ходу дислокаций в зону контакта и оказывает экранирующее воздействие на ад гезионные процессы. Этим, по его мнению, объясняется значительное сниже *) При написании данного параграфа использованы результаты исследований А. И. Маркова [53 – 55] Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ние коэффициента трения. Кроме того, как ранее установлено А. И. Марковым [55], при этом возможно даже микроразмягчение единичных узлов схватывания и изменение реологических свойств контактных поверхностей, в результате че го возникает своеобразный эффект граничного трения, где роль среды играют тонкие поверхностные слои, находящиеся в состоянии пластического течения.

По мнению А. И. Маркова, воздействие УЗК инструмента или заготовки на процесс резания может проявиться в следующем:

– периодическом изменении величины и направления вектора действительной скорости резания;

– периодическом изменении углов инструмента (переднего к, заднего к, угла наклона главной режущей кромки к);

– периодическом изменении толщины срезаемого слоя ак;

– изменении характера приложения нагрузки: зона стружкообразования и ре жущий инструмент вместо статической испытывают знакопеременную дина мическую нагрузку;

– изменении формирования поверхностного слоя детали в процессе обработки заготовки;

– улучшении условий проникновения СОЖ в зону резания;

– изменении контактных взаимодействий на рабочих поверхностях режущих инструментов, приводящем к уменьшению деформаций в зоне стружкообразо вания и сил резания.

Все это в свою очередь приводит к повышению точности обработки, из менению динамической устойчивости технологической системы и уменьшению мощности, затрачиваемой на процесс резания.

Рассмотрим некоторые из направлений воздействия УЗК поподробнее [55].

В общем случае вектор вынужденных незатухающих гармонических УЗ колебательных движений режущей кромки инструмента или заготовки А ( ) определенным образом расположен в пространстве А ( ) = А sin ( + 0 ), (36) где – циклическая частота ( = 2fr), Гц;

0 – начальная фаза, рад.

Вектор колебательной скорости dА ( ) V ( ) = = А cos( + 0 ). (37) dt Максимальное значение колебательной скорости V ( )max = А = 2f r A, а среднее значение в /2 раз меньше ( V ( )ср = 4 f r A ). При сравнительно малых амплитудах (3 – 5 мкм) и частоте 18 кГц значения V ( )max достигают 34 – м/мин, а V ( )ср = 21,6 – 36 м/мин.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Раскладывая векторы A ( ) и V ( ) по направлениям декартовой системы Az ( ) = A ( )cos{A( ), z};

координат, получим векторы смещений Ay ( ) = A ( )cos{A( ), y};

Ax ( ) = A ( )cos{A( ), x} и векторы скоростей V z ( ) = V ( )cos{ ( ), z};

V y ( ) = V ( )cos{ ( ), y} ;

V x ( ) = V ( )cos{ ( ), x} V V V A( ) = Az2 ( ) + Ay ( ) + Ax2 ( ), (38) V ( ) = V z2 ( ) + V y2 ( ) + V x2 ( ). (39) При возбуждении УЗК инструмента или заготовки в направлении оси z Ах = Ау = 0;

Az2 ( ) = A( ) ;

Vх = Vу = 0;

Vz2 ( ) = V ( ). В случае УЗК в направлении оси у Ах = Аz = 0;

Ay ( ) = A( ) ;

Vх = Vz = 0;

V y2 ( ) = V ( ) и соответственно УЗК в направлении оси x Аz = Аy = 0;

Ax2 ( ) = A( ) ;

Vу = Vz = 0;

Vx2 ( ) = V ( ).

При обычном резании без УЗК величина вектора скорости резания опре деляется окружной скоростью инструмента или заготовки V.

При наложении УЗК вектор скорости резания Vcк будет являться геометрической суммой двух векторов – постоянного V и переменного V ( ) Vcк = V + V ( ) = V + А cos( + 0 ). (40) Величина и направление вектора Vcк определяется как величиной, так и направлением обоих векторов. Поэтому при резании с наложением УЗК на формообразующий инструмент или заготовку скорость резания Vcк является переменной величиной. В связи с этим переменными (во времени) будут работа резания и выделение тепла.

При возбуждении касательных УЗК (в направлении оси z) оба вектора V и V ( ), а следовательно и Vcк, имеют одинаковое направление (рис. 21), поэтому Vcк = V ± А cos( + 0 );

(41) max min Vск = V + А ;

Vск = V А.

Рис. 21. Влияние УЗК на величину и направление вектора скорости Vcк [55]: а – касательные колебания;

б – радиальные;

в – осевые Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– В течение одного полупериода Vcк V, а второго полупериода Vcк V. Из вышесказанного следует, что при некоторых условиях (V A ) действитель ная скорость Vcк может быть равна нулю дважды в течение одного периода ко лебаний.

При 0 = 0 Vcк = V + А cos( ) = 0 и Vcк = V А cos( ) = 0. Из данных выражений получены [55] значения, при которых Vcк = 0:

1 V V ;

2 = arccos 1 =.

arccos A A Кроме того, в течение одного периода вектор скорости Vcк дважды ста новится равным по величине окружной скорости V при 3 = / 2 и = 3 / 2.

При возбуждении колебаний в радиальном и осевом направлениях вектор скорости Vcк периодически изменяется не только по величине, но и по направ лению (см. рис. 21) Vcк = V 2 + А 2 2 cos 2 ( + 0 ). (42) Максимальное значение скорости Vск = V 2 + А 2 2.

max (43) Скорость резания, соответствующая средней величине колебательной скорости 4 А 2 max =V+ Vск. (44) min Минимальное значение действительной скорости Vск равно окружной скорости V.

Для оценки влияния УЗК на процесс резания А. И. Марков [55] предло жил использовать безразмерную величину м:

V ( ) м =, (45) V где V ( ) = А cos( ).

Соответственно, для максимальных и средних значений колебательной скорости V ( ) max 2 м А ср max м м = =.

;

V В табл. 5 приведены значения действительной скорости Vcк, а также ее max min ср максимальных Vск, минимальных Vск и средних Vск значений при возбуж дении колебаний во всех трех направлениях при обычном резании (без колеба ний, А = 0):

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– max ср max ср м = м = м = 0 и Vcк = Vск =Vск =V.

5. Действительные значения скорости в зависимости от параметра м и направления УЗК [55] Действительные Направление колебаний скорости Касательные Радиальные Осевые резания (в направлении оси z) (в направлении оси у) (в направлении оси х) V (1 ± м ) Vcк 2 V 1 + м V 1 + м ( ) ( ) ( ) max max V 1 + м Vск max 2 max V 1+ V 1+ м м V ( ) V V min max Vск 1 м ( ) ( ) ср 2 4 Vск max 2 max max м V 1 + V 1+ V 1+ м м 2 Таким образом, при возбуждении касательных УЗК эффект изменения действительной скорости резания Vcк пропорционален (1 ± м ), а при радиаль ных и осевых колебаниях пропорционален 1 + м.

Наложение УЗК на режущий инструмент может привести к изменению переднего к и заднего к углов, а также угла наклона главной режущей кромки к, так как при возбуждении колебаний в радиальном и осевом направлениях периодически изменяется положение плоскости резания. Следовательно, не мо гут сохранять свое постоянное значение и действительные (кинематические) углы: к = m ;

к = ±, где и – изменение углов при изменении направления плоскости резания.

Для резания без УЗК величины и незначительны, поэтому к ;

к.

Учитывая, что в реальном процессе резания изменения углов и могут оказать существенное влияние на характер стружкообразования и формирова ние поверхностного слоя детали, необходима оценка действительных значений и при наложении УЗК.

При возбуждении касательных УЗК изменение передних и задних углов возможно лишь из-за неточной установки волновода и появляющегося при этом отклонения направления векторов V и V ( ). При достаточно точном направле нии УЗК z = z = 0.

При возбуждении радиальных колебаний (в направлении оси у) значение направляющего косинуса между векторами Vcк и V может быть определено:

cos(Vск, V ) = cos y =.

1 + М Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Угол у будет положительным, если вращение вектора V к Vcк происхо дит против часовой стрелки (см. рис. 21).

Максимальное значение угла у имеет место при максимальной величине max скорости Vск :

cos y max =. (46) ( ) max 1+ м Минимальное значение угла у равно нулю ( y min = 0 ). Изменение на правления вектора Vcк относительно V вызывает изменение углов к и к. Дей ствительные задние и передние углы в этом случае равны:

к = m y ;

к = ± y ;

tg y = tgy cos ;

(47) tgy ± tg y cos tg y = ;

(48) cos «+» при 0;

«–» при 0.

Расчеты по зависимостям (47) и (48) показывают, что при возбуждении УЗК величины и возрастают с увеличением амплитуды и частоты коле баний и уменьшением окружной скорости заготовки. В табл. 6 приведены зави симости для определения значений и.

6. Изменение передних и задних углов резца в зависимости от направления УЗК [55] Направление колебаний Изменение Касательные Радиальные Осевые углов резца (в направлении оси z) (в направлении оси у) (в направлении оси х) z = arctg(м cos) arctg(м sin) arctg м ± tg arctg м m tg z = cos sin max z max max arctg( м cos) arctg( м sin) max = м м max max max arctg ± tg arctg m tg z max =0 cos sin Изменение направления вектора действительной скорости резания при сообщении инструменту радиальных и осевых колебаний приводит к периоди ческому изменению кинематического угла наклона главной режущей кромки к. При возбуждении радиальных колебаний величину к можно найти по зависимости [53] ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– м cos tgк =. (49) 1 + м sin Величина ср вычисляется по формуле [55] к ср м cos ср = arctg. (50) к ср 1 + м sin Из зависимостей (49) и (50) следует, что при наложении УЗК в радиаль ном и осевом направлениях имеет место резание с периодически изменяющи мися в достаточно больших пределах углами к. Между тем, общеизвестно, что увеличение угла сопровождается уменьшением удельной работы деформации и увеличением удельной работы трения по передней и задней поверхностям.

Это объясняется тем, что при косоугольном резании пластические сдвиги в зо не стружкообразования происходят не только в нормальной плоскости, но и в боковом направлении.

Отклонение вектора Vcк от направления вектора окружной скорости за готовки приводит к периодическому изменению толщины срезаемого слоя. По этому можно считать, что при возбуждении УЗК в радиальном и осевом на правлениях в процессе резания изменяется не только значение длины и шири ны, но и толщины срезаемого слоя ад = а ± а.

Действительная толщина срезаемого слоя определяется следующим вы ражением [54] Vs (sin cos tg sin )cos y ад =, (51) (cos cos y tg sin y ) + (sin cos tg sin ) 2 где Vs – скорость подачи, мм/об;

– главный угол в плане при вершине резца, град;

– угол, зависящий от установки инструмента относительно заготовки 2h sin =, град;

h – смещение вершины резца относительно оси заготовки, Dз мм;

Dз – диаметр обрабатываемой поверхности, мм.

С учетом ранее принятого безразмерного критерия скорости м зависи мость (51) можно упростить Vs (sin cos tg sin )cos y ад =. (52) (cos м tg ) + (1 + м ) (sin cos tg sin ) 2 2 При использовании резца с = 0 по центру заготовки ( = 0) зависимость (52) примет вид Vs sin ад =. (53) 2 1 + м sin Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Если м = 0 (обработка без УЗК), получим обычную формулу для расчета толщины срезаемого слоя: а = s sin.

Анализ результатов расчета по зависимостям (51) – (53) показывает, что влияние УЗК на периодическое изменение толщины срезаемого слоя растет с увеличением А и fr и уменьшением V.

Выше рассмотрено влияние УЗК на периодическое изменение действи тельной скорости резания V, геометрии инструмента и толщины срезаемого слоя применительно к простейшему инструменту – токарному резцу. Анало гичные изменения указанных величин будут происходить при наложении сину соидальных УЗК на другие более сложные инструменты – сверла, фрезы, мет чики, протяжки.

Гораздо сложнее изменения указанных параметров будут при использо вании в процессах механической обработки модулированных (по частоте и ам плитуде) УЗК.

2.3. Формирование свойств поверхностного слоя заготовок, обработанных с применением энергии ультразвукового поля К числу основных проблем современного машиностроения относится по лучение на этапе изготовления деталей машин таких характеристик качества, которые соответствовали бы требованиям к эксплуатационным свойствам. При этом в процессе обработки необходимо исключить образование причин отказов и научиться участвовать в формировании заранее заданных эксплуатационных свойств. Известно, что основной причиной выхода из строя машин является не их поломка, а износ подвижных сопряжений под действием сил трения. Изно состойкость трущихся пар, особенно в начальный период их работы, в сущест венной степени определяется микрорельефом поверхностных слоев, получен ных в результате механической обработки, микротвердостью и остаточными напряжениями. Наиболее сложно управлять процессом формирования эксплуа тационных свойств деталей машин, изготовляемых из материалов, склонных к фазовым превращениям в процессах механической обработки, отличающихся высокой теплосиловой напряженностью. К числу таких процессов относят прежде всего шлифование, в зоне которого возникают мгновенные контактные температуры, достигающие 800 – 1000 °С, и давления, превышающие в 2 – раза предел текучести материала. Удобным инструментом для воздействия на процесс формирования эксплуатационных характеристик при шлифовании, на наш взгляд, следует считать рациональное применение энергии УЗ поля, и пре жде всего через применяющуюся в процессе обработки СОЖ. При попадании в ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– зону обработки и реализации своих функциональных свойств СОЖ активно воздействует на процесс формирования микропрофиля поверхностного слоя.

Однако, как показывают многочисленные исследования, СОЖ на всегда в пол ной мере реализует свои потенциальные возможности, что объясняется глав ным образом, нерациональным выбором способа транспортирования ее к зонам наибольшей теплосиловой напряженности. Огромные возможности в этом имеются в рациональном применении энергии УЗ поля. Рассмотрим это на примере круглого наружного шлифования заготовок из склонных к фазовым превращениям высокопрочной стали 30ХГСА (первый этап исследований) и титановых сплавов разных групп обрабатываемости: ВТ22, ВТ3-1, ОТ4-1 и ВТ1-0 (второй этап исследований).

При шлифовании заготовок из стали 30ХГСА (НRC 43 – 45) обработку осуществляли кругом 24А16НС17К26 1 – 60050305 со съемом припуска z = 0,85 мм на станке 3Б161, модернизированном для скоростного силового шли фования и оснащенном электроприводами с бесступенчатым регулированием скорости и поперечной подачи абразивного круга. В качестве СОЖ использо вали 3 %-ную эмульсию из эмульсола Укринол-1М, которую подавали к зоне шлифования тремя способами: свободно-падающей струей (поливом), одно временно поливом и через клиновые полуоткрытые насадки к торцу круга [97], а также одновременно поливом и через клиновые полуоткрытые насадки к тор цу круга с наложением УЗК [33] (более подробная информация об УЗ технике подачи СОЖ при шлифовании и правке представлена в главах 4 и 5). УЗК ам плитудой 5 мкм передавали на насадок через пьезоэлектрические преобразова тели от УЗ генератора УЗУ-0,25 с рабочей частотой 18,6 кГц. Суммарный рас ход СОЖ во всех случаях оставался постоянным и равным 40 дм3/мин. В каче стве критериев оценки воздействия условий обработки на эксплуатационные характеристики шлифованных деталей принимали параметры микропрофиля по ГОСТ 25142–82, средний радиус вершин выступов r, безразмерный показатель шероховатости [98], сближение поверхностей [101], интенсивность изнашива ния шлифованной поверхности, оцениваемую как расчетным путем (Iр, по методике [86]), так и экс периментальным путем (Iэ, на специальном стен де, разработанном по типу машины трения Тим кен–Айшенгер, где в качестве контратела исполь зовали пластину из твердого сплава ВК3М [37] (рис. 22)), составляющие силы и коэффициент трения, определяемые экспериментально, Рис. 22. Схема экспе усталостную прочность и остаточные напряжения риментальной установки для оценки износостойкости: 1 – в поверхностном слое деталей после шлифования обработанная деталь;

2 – по известным методикам [26, 27]. Условия подложка;

3 – твердосплав проведения эксперимента приведены в табл. 7. ная пластина Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 7. Условия проведения экспериментальных исследований*) Элементы ре Элементы режима шлифования Элементы режима трения жима правки**) Длина линии кон Число проходов и Скорость рабочей Скорость врезной Время выхажива Рабочая скорость речной подачи tп, Нагрузка на под подачи стола Vs, рость детали Vд, подачи стола Vt, Время нагруже рость заготовки Окружная ско величина попе Окружная ско круга Vк, м/с ложку Рн, Н такта l, мм Vз, м/мин ния н, с ния в, с мм/мин мм/ход м/мин / 3 по 0,03;

2 по 0,02;

250 1,0 5 50 50 10,0 50 72 1 без по дачи *) Повторяемость каждой серии экспериментов не менее 5 раз **) Правка осуществляется после шлифования каждой заготовки При оценке износостойкости шлифованных поверхностей эксперимен тальным методом деталь (кольцо), закрепленную на оправке в тензометриче ских центрах, приводили во вращение при одновременном нагружении на об работанную поверхность твердосплавной пластины. Так как износостойкость сплава ВК3М несравнимо больше износостойкости стали 30ХГСА, можно ут верждать об износе в результате сухого трения только поверхностного слоя об работанной детали. Деталь до и после трения тщательно взвешивали на анали тических весах мод. WA21 (Польша), а затем, по результатам измерений рас считывали интенсивность изнашивания Iэ. Силу трения записывали на светолу чевом осциллографе.

Шлифование заготовок из титановых сплавов осуществляли при макси мально возможной скорости врезной подачи Vt, определяемой путем травления шлифованных образцов в растворах кислот*). Остальные условия были сле дующими: круг 1 – 60050305 64С25НСМ26К3;

правка круга алмазным ка рандашом С3 (три прохода по 0,03 со скоростью продольной подачи стола 0,25 м/мин);

диаметр заготовок 60 мм, ширина шлифования 15 мм, снимаемый припуск 0,2 мм, рабочая скорость круга – 35 м/с, окружная скорость заготов ки – 35 м/мин;

время выхаживания – 5 с. В процессе шлифования измеряли контактную температуру методом полуискусственной термопары, составляю щие силы шлифования Рz и Ру с помощью тензометрических центров, усилите ля и светолучевого осциллографа. «Нева МТ-1». После шлифования определя ли шероховатость поверхности на профилометре-профилографе мод. 201, мик *) Металлографический анализ титановых сплавов. Инструкция ВИАМ. № 1054– ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ротвердость – на микротвердометре ПМТ-3 по известной методике**), измене ние микроструктуры поверхностного слоя с помощью металлографического микроскопа МИМ-7. Состав и способы подачи СОЖ были одинаковыми со шлифованием заготовок из стали 30ХГСА.

Анализ результатов исследований, представленных в табл. 8 и на рис. 23, показывает, что наложение УЗК на клиновые полуоткрытые насадки для пода чи СОЖ сквозь поровое пространство к зоне шлифования абразивным кругом на керамической связке оказывает незначительное влияние на основные пара метры шероховатости. Так, относительная опорная длина профиля по средней линии tp и среднее арифметическое отклонение профиля Ra практически не за висят от УЗК.

8. Влияние техники применения СОЖ на микрогеометрию и эксплуатационные характеристики шлифованных деталей из стали 30ХГСА Среднее значение параметров микропрофиля и эксплуатаци онных характеристик шлифованных деталей сота неровностей Среднее арифме средней линии tp Наибольшая вы кривизны r, мкм Средний радиус тическое откло Сближение по Относительная показатель ше нение профиля опорная длина Безразмерный профиля Rmax, верхностей у, № Способ подачи СОЖ роховатости профиля по Ra, мкм мкм мкм 1 Свободно-падающей 0,35 1,7 0,43 520 0,27 1, струей (полив) 2 Одновременно поли- 0,43 1,6 0,45 540 0,26 1, вом и через клиновые насадки с торцов круга 3 Одновременно поли- 0,38 1,4 0,48 560 0,19 1, вом и через клиновые насадки с торцов круга с наложением УЗК Однако этого нельзя утверждать при анализе параметров микропрофиля, входящих в расчетные зависимости интенсивности изнашивания Iр [85] и сбли жения поверхностей [26]: Rmax, r, и у (см. табл. 8). Наибольшей износостой костью обладают детали, прошлифованные с использованием УЗК (см. рис. 23).

Использование УЗ техники позволяет более чем в 2 раза уменьшить интенсив ность изнашивания по сравнению с подачей СОЖ только поливом. При этом расчетные и экспериментальные значения интенсивностей изнашивания ран жируются практически одинаково. Сила трения Рт также минимальна у дета лей, шлифованных с УЗ техникой.

**) Определение величины альфированного слоя на полуфабрикатах и изделиях из титановых сплавов методом микротвердости. Инструкция ВИАМ. № 987– Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 25, Интенсивность изнашивания Jр, 105 мкм/м Интенсивность изнашивания Jр, 105 мкм/м 4, Рис. 23. Влияние техники 40, 4 40 подачи СОЖ в зону шлифования 24,0 на износостойкость обработан Сила трения Рт, Н ных поверхностей деталей из 23, 3 30 стали 30ХГСА: 1 – подача СОЖ 2,5 25,0 поливом;

2 – одновременно по 23 ливом и через клиновые насадки к торцам круга;

3 – одновремен 18, 2 но поливом и через клиновые на 22 садки к торцам круга с наложе 1, нием УЗК 1 При подаче СОЖ одновременно поливом и через клиновые насадки к торцам круга с наложением УЗК значения составляющих силы шлифования Ру и Рz и контактной температуры к заметно меньше (на 16,5;

18 и 26 % соответ ственно), чем при подаче СОЖ поливом. В результате этого растягивающие ос таточные напряжения на поверхности детали снижаются в 2,2 раза при одно временном уменьшении глу бины их залегания (рис. 24, кривые 1 и 3).

Рис. 24. Оста точные напряжения в Изменение значений поверхностном слое напряжений и глубины их за образцов из стали легания влияет на усталост 30ХГСА после шлифо ную прочность шлифованных вания с подачей СОЖ различными способа- деталей. Установлено, что ус ми. Условные обозна талостная прочность образ чения см. в подписи к цов, шлифованных с исполь рис. зованием УЗ техники, суще ственно выше, чем у образ цов, шлифованных по тради Рис. 25. Ус ционной технологии (рис. 25) талостная проч [27].

ность образцов, шлифованных с Анализ результатов ис применением тех- следований при шлифовании 1 ники подачи образцов из титановых спла СОЖ различными вов показывает, что при об способами. Ус ловные обозначе- работке заготовок из высоко ния см. в подписи прочного сплава ВТ к рис. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– [(+) – сплав переходного класса] его поверхностный слой приобретает по вышенную (по сравнению с сердцевиной) твердость, т. е. подвергается наклепу (степень наклепа 10 – 15 %), обеспечивающему повышение прочности и одно родности свойств поверхностного слоя [26]. Наклеп наблюдается на глубине до 0,2 мм (табл. 9). В микроструктуре поверхностного слоя деталей из сплава ВТ22 (рис. 26, а) заметных изменений по сравнению со структурой сердцевины не обнаружено.

9. Влияние УЗ поля при шлифовании с подачей СОЖ на микротвердость и технологические показатели обработки заготовок из титановых сплавов Способ подачи СОЖ Материал заготовки Одновременно Одновременно поливом и че Технологические показатели процесса поливом и че- рез клиновые шлифования и микротвердость шлифо Полив рез клиновые насадки с тор ванной детали насадки с тор- цов круга с на цов круга [2] ложением УЗК [62] Максимальная скорость врезной бес- 0,60 0,75 0, прижоговой подачи круга Vtm, мм/мин ВТ22 (НВ 320 – 340) Среднее отклонение профиля Ra, мкм 2,0 1,8 1, Радиальная составляющая силы шлифо- 93 59 вания Ру, Н Касательная составляющая силы шлифо- 81 35 вания Рz, Н I 2850 2870 Микротвердость Нµ, МПа, из II 2800 2910 меренная на глубине 50 (I), (II), 200 (Ш) мкм от поверхно- Ш 2840 2980 сти и в сердцевине (IV) IV 2600 2600 Vtm, мм/мин 0,70 0,85 1, Ra, мкм 0,85 1,60 1, ВТ3-1 (НВ 300) Ру, Н 84 116 Рz, Н 70 100 I 2110 2470 II 2100 2610 Нµ, МПа Ш 2030 2490 IV 2120 2120 Vtm, мм/мин 0,60 0,70 0, ОТ4-1 (НВ 250 – 270) Ra, мкм 0,85 1,75 1, Ру, Н 58 64 Рz, Н 48 38 70 1900 2270 II 1890 2140 Нµ, МПа Ш 1880 2140 IV 2080 2080 Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– В отличие от сплава ВТ22 у жаропрочного -сплава ВТ3-1 микротвер дость поверхностного слоя при шлифовании не изменяется, несмотря на суще ственное увеличение Vtm (от 0,6 до 0,7 мм/мин, см. табл. 9). Микроструктура поверхностного слоя (рис. 26, б) и сердцевины различий также не имеют.

Поверхностный слой заготовок из пластичного псевдо--сплава ОТ4- после шлифования имеет совсем иную микротвердость, чем его сердцевина. В поверхностном слое (рис. 27, а) наблюдаются вытянутые в одном направлении под углом к поверхности -зерна с мелкой глобулярной -фазой, а в сердцеви не (рис. 27, б) – сравнительно крупные -зерна, внутренний объем которых расчленен пластинами -фазы [56].

а) б) Рис. 26. Микроструктура поверхностного слоя шлифованных деталей из сплавов ВТ (а) и ВТ3-1 (б) (увеличение в 70 раз) а) б) Рис. 27. Микроструктура поверхностного слоя (а) и сердцевины (б) шлифованных де талей из сплава ОТ4-1 (увеличение в 70 раз) Измельченная микроструктура поверхностного слоя толщиной 450 – мкм обусловила его меньшую микротвердость по сравнению с сердцевиной (см. табл. 9). Измельчение структуры поверхностного слоя свидетельствует о деформации его в -области при температуре выше перехода, которая для сплава ОТ4-1 составляет 910 – 950 °С [85], и о большей скорости после дующего охлаждения. Очевидно, это имело место в процессе прокатки загото ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– вок, так как за- Рис. 28.

готовка из дан- Остаточные на МПа ного сплава по- пряжения в по Остаточные напряжения верхностном слое сле токарной 0 образцов из спла обработки име- вов ВТ22 (а) и – ла уменьшен- ВТ1-0 (б) после ную микро- шлифования с – а) использованием твердость на техники подачи глубине 2 – 2,5 30 1 СОЖ различны- МПа мм. ми способами. Исполь- Условные обо- б) зование энергии значения см. в – 0 20 40 60 80 100 120 мкм подписи к рис. УЗ поля при подаче СОЖ в процессе шлифования заготовок позволило увеличить Vtm (см. табл. 9) при шлифовании заготовок из сплава ВТ22 на 58 %, ВТ3-1 – на 57 %, ОТ4-1 – на %. При этом шероховатость и микротвердость шлифованных поверхностей не ухудшились. В некоторых случаях Ra даже уменьшается по сравнению с пода чей СОЖ поливом. Несмотря на увеличение Vtm, применение энергии УЗ поля в процессе подачи СОЖ снижает Ру и Рz на 20 – 30 %, и следовательно обеспечи вает более полную реализацию потенциальных возможностей жидкости. Все это способствует уменьшению температурно-силового воздействия на поверх ностный слой заготовки, о чем свидетельствуют эпюры остаточных напряже ний (рис. 28). В поверхностных слоях шлифованных образцов из сплава ВТ1- получены наибольшие сжимающие напряжения, а из сплава ВТ22 – наимень шие значения растягивающих напряжений.

2.4. Выводы 1. Наименьшие энергозатраты УЗ поля при механической обработке за готовок достигаются в случае использования кавитации СОЖ, подаваемой к зоне резания.

2. Воздействие УЗК инструмента или заготовки на процесс резания про является в периодическом изменении углов инструмента (к, к, к), толщины срезаемого слоя ак, изменении характера приложения нагрузки в зоне резания и формирования эксплуатационных характеристик и свойств поверхностного слоя, улучшении условий проникновения СОЖ в зону резания.

3. Применение энергии УЗ поля при шлифовании заготовок, чувстви тельных к структурно-фазовым превращениям в поверхностных слоях, позво Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ляет осуществлять их бездефектное шлифование на форсированных режимах без нежелательных изменений структурно-фазового состава поверхностного слоя (вероятность возникновения дефектов снижается в 1,4 – 1,6 раза) [26].

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Глава 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В КОНТАКТНЫХ ЗОНАХ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ЗАГОТОВОК С НАЛОЖЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ 3.1. Функциональные действия СОЖ при использовании в процессах механической обработки заготовок ультразвуковых колебаний Взаимодействие вновь образующихся при резании металлов новых по верхностей стружки и обрабатываемой заготовки с изнашивающимися и посто янно обновляющимися передними и задними поверхностями инструмента яв ляется сложным и многосторонним. При механической обработке заготовок развиваются процессы трения весьма твердых тел, упруго-пластического де формирования и разрушения контактирующих инструментов и заготовки в ус ловиях высокой теплосиловой напряженности. Присутствие смазочно охлаждающих технологических средств (СОТС) в контактной зоне способно в существенной степени изменить характер физико-механических и физико химических взаимодействий контактирующих объектов. Различают следующие способы проникновения СОТС в зону резания и проявления там своих функ циональных свойств [81]: 1) внешняя среда поступает в контактную зону, не изменяя своего агрегатного состояния и химического состава;

2) СОТС изменя ет агрегатное состояние или химический состав (например, сероорганическая присадка вступает в химическое взаимодействие с хлорорганической), прежде чем вступает в реакцию с трущимися поверхностями инструмента и заготовки;

3) СОТС при поступлении в контактную зону изменяет агрегатное состояние и вступает в химическую реакцию с кислородом перед началом реакции с по верхностями заготовки и инструмента или во время этой реакции;

4) посту пающее извне СОТС изменяет агрегатное состояние и подвергается термиче скому разложению (пиролизу) с образованием новых химических продуктов, которые вступают во взаимодействие с кислородом, а затем с трущимися по верхностями. И если первый случай встречается на практике в редких случаях при механической обработке на низких скоростях, то второй и третий реализу ются достаточно часто в широком диапазоне режимов резания при использова нии, в основном, масляных СОТС. Четвертый – наиболее широко распростра нен при применении как масляных, так и водных СОЖ при обработке заготовок из различных материалов.

Известно, что наложение УЗК инициирует прохождение химических ре акций, а при возникновении кавитации – переход из одного агрегатного состоя ния в другое [88].

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– В процессе резания проникновение СОЖ в зону контакта трущихся по верхностей инструмента и заготовки обусловлено рядом причин [84]. При реза нии с относительно невысокими скоростями разрушаются и вновь образуются наросты или налипы. Вместо нарушившегося нароста или налипа на короткий промежуток времени создается полость, куда и устремляются частицы СОТС.

СОТС в жидком, газообразном или диссоциированном состоянии проникает в зоны контакта стружки с инструментом и инструмента с вновь появившимся участком поверхности резания через капилляры, сеть которых непрерывно соз дается, разрушается и создается вновь. При износе режущего инструмента воз никает дополнительная сеть капиллярных каналов. Наложение УЗК способст вует ускорению движения СОЖ по капиллярам к зонам контактного взаимо действия, что позволяет интенсифицировать и комплекс функциональных дей ствий (эффектов): смазочного, проникающего, диспергирующего, охлаждаю щего и моющего. Л. В. Худобиным и его сотрудниками [96] установлено, что при шлифовании СОЖ, обладающие определенными реологическими свойст вами, проявляют еще и демпфирующее действие. Учитывая тенденции разви тия современного машиностроения, заключающиеся в расширении областей применения высокоскоростной (V 25 м/c) механической обработки лезвий ным инструментом [47], демпфирующему действию СОЖ необходимо уделять в будущем пристальное внимание при всех видах механической обработки.

Рассмотрим вышеупомянутые функциональные действия при механиче ской обработке с подачей СОЖ к зоне обработки свободно-падающей струей (поливом).

Смазочное действие проявляется в понижении внешнего трения в кон такте «режущий инструмент–заготовка», «режущий инструмент–стружка» и «заготовка–стружка» (уменьшается схватывание, трение, задиры, изнашивание и фрикционный нагрев). Как известно, силы сухого трения двух контактирую щих объектов являются суммой всех тангенциальных сил сопротивления сдви гу при пластической деформации поверхностного слоя и пластической дефор мации выступов, возникающих в пятнах контакта, сил сопротивления схваты ванию для материалов, склонных к хрупкому разрушению, адгезионных сил, возникающих вследствие межмолекулярных физических связей материалов за готовки и инструмента, химических связей и др. СОЖ, поступающая в зону контакта, предотвращает или ослабляет адгезионные и другие взаимодействия, в результате чего улучшаются практически все параметры обработки:

– уменьшаются теплообразование и износ режущего инструмента;

– увеличивается период стойкости инструмента вследствие уменьшения износа и задира (для лезвийных инструментов) или засаливания (для абразивных инст рументов);

– возрастает производительность обработки;

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– – стабилизируется процесс наростообразования, уменьшается размер нароста, прочность и силы сцепления его с инструментом.

Увеличение смазочного действия СОЖ наблюдается при обработке жид костей ультразвуком [15]. Это связано, главным образом, с уменьшением зна чения коэффициента трения.

Не следует также забывать, что в ряде случаев увеличение смазочного действия СОТС может иметь и отрицательные последствия:

– период стойкости инструмента может уменьшиться в случае коррозионно механического изнашивания режущих кромок при ликвидации нароста, предо храняющего рабочие площадки инструмента от износа;

– возрастают силы резания при обработке заготовок из металлов, граничные пленки которых имеют более высокую прочность, чем металл заготовки (обра ботка заготовок из алюминия, свинца, меди резцами из быстрорежущих ста лей);

– уменьшается производительность из-за недостаточной жесткости технологи ческой системы при внутреннем шлифовании и суперфинишировании вследст вие увеличения гидродинамической силы в клине и увеличения количества а.з., скользящих по обрабатываемой поверхности и не участвующих в процессе ре зания.

Как известно, смачивание жидкостью поверхностей заготовки и инстру мента является необходимой предпосылкой для выполнения смазочного, мою щего, охлаждающего, диспергирующего и демпфирующего действий СОТС.

Если жидкость плохо смачивает охлаждаемую поверхность, то возможен толь ко пленочный режим кипения. В этом случае у поверхности твердого тела об разуется паровая пленка, которая резко ухудшает теплообмен. Наложение УЗК вызывает в жидкости явление кавитации и нарушение сплошности жидкости за счет образования на контактирующих поверхностях заготовки и инструмента мельчайших пульсирующих пузырьков (каверн), которые разрушают паровую пленку, и способствует улучшению теплообмена.

Смачивание жидкостью поверхностей инструмента и заготовки зависит от материала твердого тела, микрогеометрии поверхности, химического состава и строения СОЖ. Степень смачивания оценивается по поверхностному натяже нию 0 жидкости на границе раздела фаз твердое тело – жидкость;

по краевому углу смачивания ;

по работе адгезии Аа и коэффициенту растекания Sр. Хоро шее смачивание обеспечивается при малых значениях поверхностного натяже ния и краевых углах, высоких значениях работы адгезии и коэффициента рас текания.

В зависимости от химического состава материалов инструмента и заго товки и состава СОТС различают физическое (или обратимое) и химическое смачивание. В первом случае температура в контактных зонах при механиче Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ской обработке оказывает незначительное влияние на краевой угол. Во вто ром – наоборот, краевой угол смачивания резко уменьшается при повышении температуры, так как при этом наблюдается ускорение почти всех возможных химических процессов. Наложение УЗК на жидкость, по данным А.Л. Глузман [15], оказывает существенное влияние на физическое смачивание, что подтвер ждено экспериментально резким увеличением коэффициента растекания.

Как и смачивание, проникновение жидкости в зону резания является не обходимой предпосылкой для оказания всех действий СОТС, и, прежде всего, смазочного. Последнее объясняется тем, что в силу стесненных условий зоны контакта, высоких удельных нагрузок, в несколько раз превышающих предел текучести материала заготовки, и экстремальных значений контактных темпе ратур, наиболее важны именно случаи проникновения СОТС непосредственно в зону резания, где другие функциональные свойства СОТС менее существенны из-за их малого объема. Особенно это важно для шлифования, хонингования, глубокого сверления, резьбонарезания, развертывания и алмазного выглажива ния.

По мнению ряда исследователей [79], под действием температуры, давле ний, электронной эмиссии и других явлений, сопровождающих процесс реза ния, молекулы СОТС могут разлагаться в физико-химическую плазму. Компо ненты плазмы имеют особо высокую проникающую способность, что и способ ствует проникновению СОТС в зону резания. Заметим, однако, что на практике образование плазмы в зоне резания маловероятно. Значительно большей вери фикацией обладают механизмы проникновения СОТС в зону резания в резуль тате отрыва нароста, под воздействием вибраций, по капиллярам, под воздейст вием сил адсорбции, посредством диффузии и др. [84]. Все эти механизмы чрезвычайно чувствительны к наложению УЗК на все контактирующие в зоне резания объекты (инструмент, заготовка, СОТС).

Охлаждающее действие СОТС заключается в отводе образовавшейся в зоне резания теплоты от нагретых участков обрабатываемой заготовки и режу щего инструмента. Поскольку последние являются твердыми телами, поглоще ние тепла СОТС (твердый или пластичный смазочный материал, жидкость или газ) осуществляется путем конвективного теплообмена (теплопередачи). По следний зависит, главным образом, от теплофизических и скоростных характе ристик среды [100]. В наибольшей степени на него оказывают влияние: тепло проводность среды, скорость обтекания охлаждаемой поверхности, теплоем кость, температуропроводность, плотность и вязкость среды, а также разность температур СОТС и контактирующих поверхностей. Если в контактной зоне при резании СОТС переходит из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газообразное, то приобретает существенное значение скрытая теплота плавле ния или парообразования. Обеспечение надлежащего охлаждения зоны контак ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– та инструмента с заготовкой способствует снижению и стабилизации темпера туры технологической системы, уменьшению химической активности материа лов заготовки и режущего инструмента.

На основе вышеизложенного можно наметить следующие пути интенси фикации теплоотвода из зоны резания: использование в качестве СОТС жидко стей, обладающих высокой теплопроводностью, теплоемкостью, плотностью и наименьшей кинематической вязкостью, хорошими смазочными свойствами;

создание условий перехода СОТС в смежное агрегатное состояние;

увеличение скорости относительного перемещения контактирующих объектов;

целена правленное изменение теплофизических характеристик контактирующих объ ектов.

Рассмотрим влияние охлаждающего действия СОТС на теплообмен в зо не резания лезвийным инструментом. Источниками теплоты в данном случае являются участки главной задней и передней поверхностей инструмента, на ко торых происходит трение с обрабатываемой заготовкой и стружкой, а также зо ны упругих и пластических деформаций.

СОТС отбирает теплоту от задней и передней поверхностей инструмента, верхней и надрезцовой сторон стружки, а также поверхностей заготовки.

Температура от трения задней поверхности режущего инструмента о за готовку может быть определена по следующему выражению [84] P sin V Т кз = f т тз, (54) зlз cз t где Ртз – сила трения на задней поверхности, Н;

– радиус скругления режу щей кромки, м;

lз – длина контакта по задней поверхности, м;

V – скорость ре зания, м/мин;

t – глубина резания, м;

з, cз – соответственно теплопроводность, Вт/(мК), и теплоемкость, Дж/(мК), заготовки;

– главный угол в плане, град.;

fт – коэффициент трения.

Если инструмент остро заточен, то в случае обработки заготовок из мате риалов, не относящихся к труднообрабатываемым, и обычных условий резания температурой трения по задней поверхности для оценки тепловых условий в зоне резания обычно пренебрегают.

Теплота, выделяющаяся при трении стружки о переднюю поверхность инструмента, вызывает нагрев передней поверхности. Обобщение результатов, полученных различными исследователями [50], позволило получить зависи мость, отражающую влияние различных параметров на максимальную темпе ратуру Т кн при трении стружки о переднюю поверхность [84] max Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– P V max Т кн = f т, (55) t kп l з c з где Р – сила резания, Н;

k – коэффициент усадки стружки;

lп – длина контакта стружки с передней поверхностью, м.

Учитывая, что большинство параметров зависимости (55) взаимосвязаны, max влияние элементов режима резания на величину Т кн неоднозначно. Так, с уве личением глубины резания t одновременно увеличивается сила резания Р и уменьшается усадка стружки. Все это может привести к росту максимальной температуры. Однако, при этом одновременно увеличивается длина контакта max стружки с передней поверхностью, что приводит к уменьшению Т кн. Анало max гичное влияние на Т кн оказывает скорость подачи.

max С увеличением скорости резания Т кн пропорционально увеличивается.

При этом в определенном диапазоне растет усадка стружки и уменьшается длина контакта стружки с передней поверхностью.

При увеличении теплопроводности и теплоемкости обрабатываемого ма max териала заготовки следует ожидать уменьшение Т кн, так как теплота при этом быстрее и в большем количестве отводится в массу стружки.

Для оценки влияния элементов режима резания на теплообразование и контактную температуру на передней поверхности режущего инструмента в ряде случаев используют безразмерный коэффициент RT [50], характеризующий условия резания V Vs2 sin 2 c з RT =, (56) з lп k где Vs – скорость подачи, м/мин.

Используя выражение (56), можно утверждать, что повышение скорости резания, толщины стружки (скорости подачи и угла в плане) и теплоемкости, а также уменьшение теплопроводности обрабатываемого материала заготовки и коэффициента усадки стружки приводят к нагреву надрезцового слоя стружки.

Верхняя поверхность стружки в большинстве случаев прогревается за предела ми зоны ее контакта с передней поверхностью.

Для используемых на практике режимов резания обычно принимают, что температура деформации стружки Тд для всех точек стружки одинакова bP Тд = fт, (57) t Vs c з где b – коэффициент, показывающий, какая доля теплоты деформации идет в стружку [50]:

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– V Vs c з sin b = fт. (58) k з Увеличение скорости Vs подачи приводит к уменьшению Тд, что связано с облегчением деформирования. С повышением скорости резания увеличивается сила резания, что должно бы приводить к увеличению количества теплоты, вы деляемой при деформации стружки. Однако при этом пропорционально возрас тает скорость схода стружки, поэтому количество теплоты, приходящееся на единицу объема стружки, остается неизменным.

Глубина резания t не оказывает влияния на температуру Тд, так как ее увеличение прямо пропорционально связано с увеличением силы резания Р.

Основным фактором, определяющим количество теплоты, уходящей в стружку, является теплоемкость материала заготовки. С увеличением сз проис ходит уменьшение Тд, так как в этом случае для нагрева единицы массы обра батываемого материала заготовки требуется большее количество теплоты.

Таким образом, с увеличением скорости резания, толщины среза (скоро сти подачи S и угла в плане ) и теплоемкости сз обрабатываемого материала заготовки, а также с уменьшением коэффициента теплопроводности з тепло обмен от деформации в стружку возрастает.

Снижение температуры в результате охлаждения надрезцовой стороны стружки может произойти только в точках, лежащих за пределами ее контакта с передней поверхностью режущего инструмента. Так как скорость схода струж ки при существующих скоростях резания превышает скорость распространения теплоты, то охлаждение стружки за пределами ее контакта с передней поверх ностью инструмента не влияет на температуру последней.

Уменьшить температуру зоны контакта инструмента с заготовкой охлаж дением поверхности заготовки в большинстве случаев нельзя из-за сравнитель но небольшой температуры нагрева последней.

Очевидную роль в уменьшении температуры резания отводится теплооб мену между СОТС и режущим инструментом по передним и задним поверхно стям. Для этого на изнашиваемых поверхностях инструмента необходимо обеспечить интенсивное охлаждение режущего клина, а не заготовки или стружки.

Интенсивность теплообмена, а значит и интенсивность охлаждения уча стков зоны резания, пропорциональна величине коэффициента теплообмена Т 1 п с п ж w т Т = с1 ж т ж 1 т, (59) п Dэкв где с1 = i CT;

CT – коэффициент, зависящий от критерия Рейнольдса;

i – поправка:

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 0, Pr i= c, (60) Pr ж где Prc, Prж – критерий Прандтля, соответственно, при средней температуре ох лаждаемой поверхности (стенка, стержень) и при средней температуре СОТС;

ж – теплопроводность СОТС, Вт/(мК);

сж – теплоемкость СОТС, Дж/(кгК);

ж – плотность СОТС, кг/м3;

ж – кинематическая вязкость СОТС, м2/с;

w – скорость относительного перемещения потока СОТС и охлаждаемого объекта, м/с;

Dэкв – гидравлический диаметр охлаждаемого стержня инструмента, м:

f D=4 n, (61) U где fп – площадь поперечного сечения стержня инструмента, м2;

U – смоченный периметр стержня инструмента, омываемого СОТС, м;

т и п – показатели сте пени для случая обтекания (охлаждения) цилиндрического стержня (обрабаты ваемая заготовка) п = 0,35;

т = 0,6 [50].

Анализируя зависимость (59), можно отметить, что для увеличения Т не обходимо (при подаче СОТС по внешним трактам):


– использовать в качестве СОТС жидкости, обладающие наиболее высокой те плопроводностью (ж), теплоемкостью (сж) и плотностью (ж);

– использовать в качестве СОТС жидкости, обладающие наименьшей кинема тической вязкостью (ж);

– увеличивать скорость относительного перемещения СОТС и охлаждаемого объекта (w);

– уменьшать гидравлический эквивалентный диаметр охлаждаемого стержня (Dэкв).

Очевидно, что для увеличения Т наиболее эффективным путем является увеличение теплопроводности СОТС (ж);

почти столь же эффективно увели чение скорости потока СОТС (w), так как показатели степени при w – 0,6, а при ж – 0,65. Существенно меньший эффект дают остальные из перечисленных выше путей увеличения теплообмена.

Все это показывает, что лучшими охлаждающими свойствами обладают СОЖ на водной основе, но опосредованно лучшую охлаждающую способность обеспечивают масляные СОЖ, которые гарантируют (вследствие лучших сма зочных свойств) меньшее значение силы резания, коэффициента трения, а сле довательно и меньшие значения контактных температур в зоне резания.

Если диапазон изменения температур при резании в контактных зонах невелик, то для приближенной оценки охлаждающих свойств можно пренеб речь зависимостью теплофизических характеристик СОТС (ж, сж, ж, ж) от температуры. В этом случае, обозначив ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 1 п с ж ж п ж = С, (62) с1 тп зависимость (59) перепишем в виде wт Т = С, (63) D1 т экв где С – коэффициент, характеризующий охлаждающую среду, включает теп лофизические характеристики среды и не зависит от условий резания.

В связи с этим по величине С можно осуществлять приближенную оценку охлаждающей способности различных СОТС.

В табл. 10 приведены значения коэффициента С для различных типов СОЖ.

10. Значения коэффициента С для различных типов СОЖ [12] Тип СОЖ С Водные растворы электролитов 0,0160…0, Эмульсии 0,0120…0, Масляные (углеводородные) жидкости 0,0014…0, Наличие УЗК в зоне резания оказывает существенное влияние на охлаж дающее действие СОТС [74]. Этому есть несколько объяснений:

– наложение УЗК на жидкость вызывает в ней кавитацию. Последняя сопрово ждается интенсивным парообразованием, на что расходуется достаточная часть образовавшейся в зоне резания теплоты (скрытая теплота парообразования) [88];

– наложение УЗК способствует уменьшению коэффициента трения, что в свою очередь уменьшает интенсивность теплового потока, возникающего при реза нии металла заготовки [88];

– процесс наложения УЗК сопровождается уменьшением вязкости активиро ванной СОЖ [15]. При этом, как следует из зависимости (59), коэффициент те плообмена Т увеличивается, что способствует отводу тепла из зоны резания.

Моющее действие СОТС заключается в обеспечении непрерывной эва куации из зоны обработки, с рабочей поверхности инструмента, с поверхностей станка, приспособления, обрабатываемой заготовки мелкой стружки, продуктов износа инструмента, карбидов, выломанных из структуры металла заготовки и инструмента, и др., которые удерживаются на поверхностях твердых тел элек тростатическими, ван-дер-ваальсовыми и механическими силами. Чем меньше частицы шлама, тем легче они проникают в неровности инструмента, заготов ки, деталей станка и приспособления и тем прочнее удерживаются на поверх ности твердого тела, ухудшая технологические показатели процесса механиче ской обработки и увеличивая его себестоимость, так как обрабатываемые заго Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– товки приходится подвергать дополнительной технологической операции – мойке. При плохой очистке СОЖ шлам может осаждаться на поверхностях твердых тел непосредственно из жидкости, загрязняя их и затрудняя контроль.

Твердые частицы, попадая в зону контакта инструмента и детали, вызывают повышенный износ рабочих поверхностей инструмента, ухудшают микрогео метрию обработанной поверхности детали.

Для правки круга и шлифования особо важное значение имеет именно моющее действие СОЖ, заключающееся, прежде всего, в удалении частиц аб разива и связки с рабочей поверхности круга и правящего инструмента, в пре дотвращении засаливания круга и в очистке его порового пространства за счет гидромеханического воздействия струи жидкости, «выламывающей» отходы из межзеренного пространства и смывающей их с рабочей поверхности круга. Ме ханизм моющего действия весьма сложен и пока слабо исследован. Однако яс но, что для улучшения моющего действия в состав СОТС необходимо вводить специальные моющие присадки, состоящие главным образом из поверхностно активных веществ (ПАВ), способных образовывать вокруг твердой частицы от ходов обработки адсорбционно-смачивающие пленки, обладающие низким по верхностным натяжением на поверхностях раздела или спосбных создавать двойной электрический слой или сольватную оболочку, результатом чего явля лось бы отделение частиц от твердых поверхностей.

Очевидными средствами усиления моющего действия СОТС являются увеличение ее расхода через зоны обработки, увеличение скорости потока и создание условий возникновения кавитации на рабочей поверхности инстру мента. Все это в существенной степени зависит от технологических средств реализации потенциальных возможностей СОТС или от техники подачи их в контактные зоны. Весьма перспективным направлением для усиления моющих свойств СОТС является использование УЗ техники ее подачи, так как в этом случае, как правило, в зоне резания создаются условия для возникновения ка витации и ускорения движения жидкости сквозь сеть капиллярных каналов в удаляемых слоях металла заготовки.

Диспергирующее (или режущее и пластифицирующее) действие СОТС заключается в способности технологической среды облегчать пластиче ское деформирование обрабатываемого материала заготовки и разрыв связей в нем при внедрении инструмента. Эти свойства позволяют повысить период стойкости режущего инструмента, облегчить процесс резания заготовок, в том числе из труднообрабатываемых материалов, интенсифицировать режим реза ния.

Современное представление о механизме «режущего» действия СОТС ба зируется на работах академика П. А. Ребиндера и его сотрудников [76]. В соот ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ветствии с ними «режущее» действие заключается в адсорбционном понижении прочности и пластифицировании металла.

В основе проявления диспергирующего (пластифицирующего и режуще го) действия СОТС лежат механистический и энергетический механизмы.

Согласно механистическому механизму, СОТС, проникая за счет капил лярных сил в микротрещины, которые создаются в процессе резания металла заготовки, вызывает в них при дальнейшей деформации расклинивающее дей ствие и образует пленки на стенках образовавшихся полостей, затрудняющие их сваривание.

По энергетической трактовке диспергирующего действия СОТС, отдель ные ее атомы (например, азота, водорода, кислорода) внедряются в кристалли ческую решетку металла заготовки и располагаются на межатомных связях, ос лабляя их. При дальнейшей деформации облегчается процесс пластифицирова ния металла и уменьшается удельная работа резания.

Степень проявления эффекта Ребиндера зависит от следующих факторов [12]:

– химического состава твердого тела и СОТС, определяющих характер и интен сивность межатомных взаимодействий;

– структуры, характера и количества дефектов на поверхности;

– условий деформации и разрушения (для проявления эффекта необходимо рас тяжение, а не сжатие);

– количества поступающих в зону разрушения активных компонентов СОТС.

В зависимости от совокупности этих факторов, а также элементов режима механической обработки эффект Ребиндера может проявляться в различной степени и форме – от облегчения пластического деформирования до значитель ного понижения прочности, приводящего к возникновению хрупкости, вплоть до самопроизвольного диспергирования на частицы коллоидных размеров.

Обязательным условием существования эффекта Ребиндера является сходство химического состава и строения внешней среды и разрушаемого тела. Учиты вая, что использование энергии УЗ поля связано с возникновением звукокапил лярного эффекта и релаксацией остаточных напряжений поверхностного слоя металлов, можно предположить возможность влияния УЗК на степень проявле ния эффекта Ребиндера в процессах механической обработки.

Демпфирующее действие СОТС заключается в понижении амплитуды колебаний элементов технологической системы (прежде всего – инструмент– заготовка) в случае использования водных и особенно масляных СОЖ. Этот факт впервые отмечен И. Л. Худобиным [96] и находит практическое примене ние при шлифовании с выхаживанием. В последнем случае производительность шлифования существенно увеличивается за счет сокращения времени на про цесс выхаживания. Понижение уровня колебаний в зоне контакта шлифоваль Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ный круг–заготовка (а также круг–правящий инструмент), вероятно, может быть достигнуто в том случае, когда СОТС создает пленки, разделяющие тру щиеся поверхности.

Учитывая ударный характер взаимодействия инструмента и заготовки, при некоторых методах обработки (например, фрезерование) и современные тенденции к резкому увеличению скоростей лезвийной обработки (до 10 – м/с и более [47]) данному действию СОТС и методам его реализации в бли жайшем будущем, несомненно, будет уделено достаточно большое внимание. В частности следует ожидать использования в качестве демпфера в контактных зонах не только масляных СОЖ, но и пластичных смазок и твердых смазочных материалов, способных при контактных температурах зоны резания переходить из одного агрегатного состояния в другое, усиливая теплоотвод и повышая ка чество поверхностного слоя обрабатываемых заготовок. Наложение УЗК будет усиливать демпфирующее действие СОТС.


3.2. Ультразвуковая гидроочистка рабочих поверхностей инструментов из сверхтвердых материалов Как упоминалось ранее (см. гл. 2), УЗ гидроочистка рабочих поверхно стей абразивных инструментов известна достаточно давно. Однако ее исполь зование в производственных условиях не нашло пока широкого применения главным образом из-за трудности в обеспечении постоянного и малого (0,1 – 0,3 мм) зазора между рабочей поверхностью быстроизнашиваемого абразивно го инструмента на керамической связке и обрабатываемой заготовкой.

В последние годы в различных отраслях промышленности и прежде всего в авиастроении, судостроении и автомобилестроении в конструкциях серийно выпускаемой техники находят широкое применение волокнистые (в том числе полимерные) композиционные материалы (КМ), образованные объемным соче танием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. КМ характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один из ком понентов, взятых в отдельности. Обычно КМ состоят из основы (часто пласти ческая масса или сравнительно легкие металлы), называемой матрицей, служа щей связующим материалом, и включений различных компонентов в виде по рошков, волокон, нитевидных кристаллов, тонкой стружки и т.п. Варьируя объ емным содержанием компонентов, можно получить КМ с требуемыми значе ниями прочности, жаропрочности, жесткости, абразивной стойкости и др. экс плуатационными свойствами, которыми не обладают известные материалы. Их применение из года в год все более возрастает. Так в конструкции магистраль ного самолета Ту-204 КМ составляют 14 % от массы конструкции. В самолете ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Ил-96-300 КМ применены в большом количестве (1650 кг), что позволило су щественно уменьшить его массу. Большое количество КМ (по массе и наиме нованиям) было использовано в орбитальном корабле многоразового использо вания «Буран» [9].

Механическая обработка таких материалов сводится, как правило, к ал мазной отрезке и алмазному сверлению и связана с особыми сложностями. Так, при сверлении (чаще всего такая обработка осуществляется алмазными сверла ми трубчатого сечения), которое выполняется, как правило, без СОЖ, особая трудность заключается в предотвращении распыления частиц КМ в механооб рабатывающем цехе.

При абразивной отрезке кругами из сверхтвердых материалов наблюдает ся интенсивное засаливание рабочих поверхностей инструмента весьма мягким материалом матрицы КМ.

Подобная задача была успешно решена в процессе исследований в дейст вующем производстве НПО «Молния» (г. Москва) при разрезке заготовок из боралюминиевых КМ использованием энергии УЗ поля для гидрокавитационн ной очистки рабочих поверхностей алмазных отрезных кругов [40]. В данном КМ чрезвычайно высокая твердость включений карбидов бора (НV 4200) соче тается с высокой пластичностью и химической активностью алюминиевого сплава.

Исследования выполнены на экспериментальной установке, созданной на базе алмазно-отрезного станка GS-400 (Германия). Рабочая скорость круга Vк = 14,5 м/с, скорость врезной подачи круга Vt варьировали от 20 до мм/мин. Заготовку – трубу из боралюминиевого КМ диаметром 45 мм и толщи ной 1 мм устанавливали в призму. Гидрокавитацию с использованием энергии УЗ поля создавали с помощью трех полуоткрытых клиновых насадков, распо ложенных с зазором 0,2 мм от рабочих поверхностей алмазного отрезного круга (рис. 29). В качестве базы для сравнения использовали результаты исследова ний по заводской технологии с подачей СОЖ Аквол-10М (5 %-й водный рас твор) поливом. Во всех случаях суммарный расход СОЖ составлял 20 дм3/мин.

Рис. 29. Принципиальная схе ма устройства для УЗ гидрокавита ции для очистки алмазных кругов при отрезке заготовок из КМ: 1 – отрез ной круг;

2 – клиновой полуоткры тый насадок;

3 – трубопровод;

4 – пьезоэлектрический преобразователь;

цифры в скобках – номер насадка Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– УЗК частотой 18,6 кГц и амплитудой 5 мкм накладывали от УЗ генерато ра УЗУ-025.

Для оценки эффективности процесса отрезки использовали следующие критерии:

– Ру и Рz – радиальную и касательную составляющие силы резания, Н;

– коэффициент резания К Т = Р z Р у.

Составляющие силы резания измеряли с помощью универсального дина мометра УДМ-100, усилителя 8АНЧ-7М и осциллографа Нева-МТ1.

Отрезка заготовок из боралюминиевых КМ абразивным кругом из карби да кремния черного на бакелитовой связке 54С40НСТ1Б2 малоэффективна: по сле отрезки одной заготовки вследствие высокой скорости износа наружный диаметр круга уменьшился на 1,5 мм. Для повышения эффективности отрезки использовали алмазные отрезные круги на металлических связках: А 200/ 100 M, AOK 200/160 50 M (Германия).

Анализ результатов исследований (табл. 11) показал, что использование устройства для очистки алмазных отрезных кругов позволяет существенно по высить эффективность отрезки.

11. Влияние УЗ гидроочистки рабочих поверхностей алмазного круга на эффективность отрезки заготовок из боралюминиевых КМ Скорость Составляющие силы Коэффици Техника подачи СОЖ врезной пода- резания, Н ент реза чи Vt, мм/мин ния, КТ Pz Py *) Полив 50 9,3/9,0 6,0/6,3 1,6/1, 80 13,4/13,1 8,0/8,0 1,7/1, 100 20,0/19,5 10,4/10,3 1,9/1, Гидроочистка с помощью насадка 2 50 9,3/9,0 6,6/6,4 1,4/1, (см. рис. 29) 80 12,4/11,5 7,7/7,4 1,6/1, 100 19,5/17,4 10,0/10,4 2,0/1, Гидроочистка с помощью насадков 50 9,3/8,6 6,5/6,5 1,4/1, 2и3 80 10,2/11,0 7,5/7,1 1,4/1, 100 18,2/17,0 10,0/10,4 1,8/1, Гидроочистка с помощью насадков 50 9,2/8,5 6,7/6,5 1,4/1, 1и2 80 11,9/11,0 6,8/7,6 1,8/1, 100 17,1/17,0 9,6/10,7 1,8/1, Гидроочистка с помощью насадков 50 9,0/8,0 6,7/5,9 1,3/1, 1, 2 и 3 80 11,2/10,0 7,3/7,0 1,5/1, 100 16,5/15,2 9,2/10,1 1,8/1, *) В числителе приведены результаты при шлифовании кругом А 200/160 100 M, в знамена теле – кругом AOK 200/160 50 M Подача СОЖ с наложением УЗК через 3 насадка по сравнению с подачей СОЖ поливом позволяет уменьшить составляющую силы резания Рz на 3,0;

16,0 и 17,5 % при скорости врезной подачи Vt = 50;

80 и 100 мм/мин соответственно при отрезке кругом А 200/160 100 M и на 11,0;

24,0 и 22,0 % ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– венно при отрезке кругом А 200/160 100 M и на 11,0;

24,0 и 22,0 % при отрезке кругом AOK 200/160 50 M.

Составляющая силы резания Ру при этом уменьшилась на 6,0 – 11,0 %.

Уменьшение силы резания при отрезке объясняется интенсивной гидроочист кой рабочей поверхности круга от частиц металла и отходов вследствие возни кающей гидрокавитации в УЗ поле. Следует отметить, что эффективность гид роочистки по сравнению с подачей СОЖ поливом повышается с интенсифика цией режима отрезки.

Таким образом, УЗ гидроочистка алмазных инструментов позволяет су щественно повысить эффективность обработки заготовок из таких труднообра батываемых материалов, как боралюминиевые КМ. При этом эффективность тем выше, чем больше теплосиловая напряженность обработки заготовок.

3.3. Использование акустического распыления СОЖ для интенсификации ее действий при механической обработке заготовок Известно, что проникновение СОЖ в контактные зоны при механической обработке заготовок облегчается с уменьшением диаметра капель жидкости.

При этом интенсифицируются функциональные действия СОЖ в зоне обработ ки за счет увеличения удельной поверхности капель, и появляется возможность сокращения ее непроизводительного расхода путем направления жидкости к контактным зонам сквозь капиллярные каналы, существующие между поверх ностями инструмента и заготовки, в стружке. Учитывая, что современные СОЖ изготавливаются из дорогостоящих и дефицитных компонентов, предпочтение следует отдавать технологии и технике их применения, обеспечивающим при максимальной технологической эффективности минимальный расход СОЖ.

Малый расход СОЖ достигается при подаче их в виде воздушно жидкостной смеси (аэрозоли). Аэрозоли СОЖ представляют собой полидис персную систему, в которой дисперсной фазой являются сферические движу щиеся капли жидкости. Свойства воздушно-жидкостного аэрозоля (тумана) ко ренным образом отличаются от свойств как воздуха, так и жидкости в объеме.

Например, триэтиленгликоль в объеме не обладает бактерицидными и дезин фицирующими свойствами, а аэрозоль триэтиленгликоля – сильнейший дезин фектант.

Специфические свойства аэрозолей обусловлены в основном их полидис персностью, поэтому распределение частиц по размерам (кривая распределе ния) является самой полной характеристикой аэрозоля. Однако в связи с труд ностью ее построения на практике пользуются частотными характеристиками дисперсности – средним объемно-поверхностным и медианным диаметрами.

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Дисперсность аэрозолей сложным образом зависит от физико-технических свойств распыляемой жидкости, конструкции сопла (насадка), способа и режи ма распыления. Серийно выпускались установки для подачи воздушно жидкостных СОТС к зоне резания типа УР-3, УР-3А, УР-3М, УРС-75 (размер капель 12 – 15 мкм) Моссальским опытным заводом СКБ металлорежущих станков, однако, широкого распространения в условиях действующего произ водства не получили из-за сложности в эксплуатации и больших габаритных размеров. Преимущества – малый расход дефицитных СОТС (не более не более 400 – 500 г/ч распыленной СОЖ на водной основе и 0,5 – 3,0 г/ч – масляных).

Такие установки использовали в составе станков с ЧПУ и на автоматических линиях.

В Ульяновском государственном техническом университете разработано принципиально новое устройство [64], обеспечивающее образование мелкодис персных аэрозолей, капли жидкости которых соизмеримы с размерами капил лярных каналов, существующих между поверхностями стружки и инструмента при лезвийной обработке, в зонах контакта а.з. – обрабатываемый материал при шлифовании и а.з. – алмазное зерно при правке абразивных кругов.

Мелкодисперсная воздушно-жидкостная смесь в предлагаемом устройст ве образуется путем подвода к зоне распыления акустической энергии высокой частоты через слой распыленной жидкости. Распыление происходит в верхней части образующегося при этом фонтана.

Выбор диапазона частот УЗК обусловлен необходимостью получения частиц жидкости определенного размера. Известно [87], что диаметр d капель (частиц) и частота колебаний fr связаны зависимостью 8 d =3, (64) ж f r где 0 – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м.

Расчеты по зависимости (64) показали, что для жидкостей на водной ос нове (0 = 710-3 Н/м;

ж = 1000 кг/м3) диаметр частиц равен размеру сечений капилляров в зоне механической обработки, который по данным работ [46, 52, 79] составляет 210-7 – 410-6 м при частоте колебаний 1 – 77 МГц.

Устройство для подачи СОТС в виде мелкодисперсной аэрозоли (рис. 30) содержит промежуточный 1 и верхний 2 сосуды, образующие камеру распыле ния, в которой располагается сосуд 5 для распыляемой жидкости. На дне про межуточного сосуда 1 крепится фокусирующий пьезоэлемент (пьезопреобразо ватель) 7. С верхним сосудом 2 соединены трубки 3 и 4 для подачи в камеру сжатого воздуха и нагнетания аэрозоля в зону обработки. После заполнения со суда 5 жидкостью до уровня, расположенного несколько выше фокусного рас стояния пьезопреобразователя, на последний подается электрический сигнал от ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– УЗ генератора. Жидкость распыляется благо даря эффекту кавитации. При наложении УЗК на поверхность струи, возникающей вследствие фонтанирования СОЖ, возбуж даются капиллярные волны, а капли аэрозоля образуются в результате их отрыва от греб ней волн. Через трубку 3 подается воздух, а образовавшаяся воздушно-жидкостная смесь через трубку 4 направляется в зону обработ ки.

Эффективность устройства выявляли при сверлении пакета из алюминиевых спла- Рис. 30. Устройство для подачи СОТС в виде мелкодис вов, при правке абразивных кругов алмазны персной аэрозоли [64]: 1 проме ми инструментами и шлифовании заготовок жуточный сосуд камеры распыле из труднообрабатываемых материалов. Базой ния;

2 верхний сосуд;

3 трубка для сравнения во всех случаях являлась эф- для подачи воздуха;

4 трубка для подачи аэрозоли;

5 сосуд фективность предусмотренных технология для распыляемой СОЖ;

6 кон ми, действующими на предприятии, уст центрат водной СОЖ или масло;

ройств для подачи СОЖ. Так, на операциях 7 пьезопреобразователь сверления пакетов заготовок из алюминие вых сплавов по действующему технологическому процессу предусмотрена по дача поливом жидкого быстроиспаряющегося фреона, объемы производства и применения которого сокращаются из-за негативных экологических последст вий. Имеются технические предложения по замене фреона подачей ионизиро ванного воздуха [72]. На операциях шлифования и при правке кругов исполь зуют подачу СОЖ поливом.

Отверстия в заготовках из алюминиевых сплавов 1163Т7 сверлили на стенде, смонтированном на базе станка мод. 6Д10 сверлами диаметром 10 мм из стали Р6М5 с углом в плане 2 = 118°. В качестве критериев оценки эффек тивности процесса использовали крутящий момент Мкр и осевую силу Р, возни кающие при сверлении, параметр Ra шероховатости обработанной поверхно сти, износ сверла по задней поверхности. Элементы режима резания выбирали, ориентируясь на базовое предприятие (Воронежское авиационно производственное объединение): частота вращения шпинделя п = 1600 об/мин, скорость подачи Vx = 71 мм/мин.

Исследования отличались способом подачи СОТС: 1 – без подачи СОТС;

2 – подача ионизированного воздуха через специальное устройство [72] при выходном токе Iвых = 300 мкА;

3 – подача мелкодисперсной аэрозоли спирта, распыляемого путем наложения УЗК частотой 2,64 МГц и выходной мощно стью 50 Вт с расходом спирта 40 г/ч с помощью устройства по рис. 30;

4 – по Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– дача аэрозоля спирта, распыляемого за счет энергии струи движущегося возду ха с помощью установки типа УРС-75 с расходом спирта 400 г/ч;

5 – подача фреона поливом с расходом 4,65 г/мин.

Результаты исследований (табл. 12) показали, что процесс сверления с по дачей мелкодисперсной аэрозоли спирта характеризуется низкой силовой на пряженностью, при этом обеспечивается минимальный крутящий момент (Мкр = 5,7 Нм) и малая осевая сила Рх = 250 Н. Подача аэрозоли, получаемой за счет энергии сжатого воздуха, несмотря на одинаковый расход спирта, обеспе чивает большие силовые показатели процесса: сила Рх выше на 12 %, крутящий момент Мкр – на 37 % по сравнению по сравнению с подачей мелкодисперсной аэрозоли, полученной с помощью УЗК от устройства по рис. 30, что можно объ яснить большими размерами частиц капель распыляемой жидкости в аэрозоли.

12. Эффективность акустического распыления СОТС с помощью УЗК при сверлении алюминиевых пакетов [42] (условия эксперимента см. выше) Показатели процесса сверления № Способ подачи СОТС Рх, Н Мкр, Нм Ra, мкм 1 Без подачи СОТС 370 8,5 3, 2 Подача ионизированного воздуха 265 6,5 1, 3 Подача аэрозоли, распыляемой с помощью УЗК 250 5,7 1, 4 Подача аэрозоли, распыляемой за счет энергии сжато- 280 7,8 2, го воздуха 5 Подача фреона поливом 310 8,0 1, Максимальная осевая сила Рх зарегистрирована при сверлении всухую и с подачей в зону обработки жидкого фреона;

в этих случаях получен и наиболь ший крутящий момент Мкр.

Подача в зону резания мелкодисперсной аэрозоли и жидкого фреона по зволяет получить обработанную поверхность с минимальным параметром ше роховатости Ra = 1,7 мкм. Максимальное значение Ra = 3 мкм зафиксировано при сверлении без применения СОТС.

Таким образом, эффективность сверления с подачей мелкодисперсной аэ розоли выше, чем с подачей жидкого фреона, а также аэрозоли, образующейся за счет использования энергии сжатого воздуха при одинаковом расходе спирта, что можно объяснить тем обстоятельством, что в последнем случае образуются капли жидкости относительно большего размера (12 – 15 мкм). По сравнению с предлагаемым вариантом решения технологических затруднений сверления алюминиевых пакетов использование в качестве СОТС ионизированного охлаж денного воздуха [72] отличается меньшей эффективностью и надежностью.

Исследование эффективности устройства для подачи СОЖ в виде мелко дисперсных аэрозолей, распыляемых в зону правки путем наложения УЗК час ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– тотой 2,64 МГц на концентрат СОЖ, проводили на экспериментальной уста новке, созданной на базе круглошлифовального станка 3М151.

Для оценки эффективности процесса правки использовали показатели, связанные с эффективностью шлифования заготовок кругом, правка которого осуществлялась при различных способах подачи СОТС:

– составляющие силы шлифования Рz и Ру, Н;

– коэффициент шлифования по объему К ш = Q м Qа, где Qм – объем сошлифо ванного материала заготовки, мм3;

Qа – расход круга, мм3;

– коэффициент режущей способности абразивного круга К р = Q р Р у, где Qм – режущая способность круга (объем сошлифованного материала заготовки в единицу времени), мм3/мин;

– удельная мощность шлифования К N = N ш Q р, Втмин/мм3, где Nш – мощ ность шлифования, Вт.

После правки абразивного круга 24А16НСМ16К6 шлифовали образцы из коррозионностойкой стали 14Х17Н2 и жаропрочного сплава ВЖЛ-12 с рабочей скоростью круга Vк = 35 м/с и окружной скоростью заготовки Vз = 35 м/мин.

Скорость врезной подачи составляла 0,1 мм/мин при шлифовании образцов из сплава ВЖЛ-12 и 1,2 мм/мин – из стали 14Х17Н2. Периодическую правку абра зивного круга осуществляли после обработки 4 – 8 заготовок алмазным каран дашом СФ в три прохода с поперечной подачей 0,03 мм/дв. ход и продольной подачей 0,3 мм/мин.

Эффективность устройства для подачи СОТС в виде мелкодисперсной аэрозоли концентрата СОЖ (см. рис. 30) оценивали в сравнении с подачей той же СОЖ (5 %-й водный раствор Аквол-15) поли вом, одновременно поли вом и гидроаэродинамиче ским способом [35], а так же одновременно гидроаэ родинамическим способом и поливом с наложением УЗК частотой 18,6 кГц (от генератора УЗУ-025) на правящий карандаш и гидродинамическое сопло (рис. 31) [42]. После правки Рис. 31. Устройство для подачи СОЖ в зону круга заготовки шлифова- правки гидроаэродинамическим способом с наложе ли с подачей СОЖ поли- нием УЗК: 1 шпилька;

2 гайка;

3 пьезокерамиче 3 ские кольца;

4 волновод-насадок для подачи СОЖ;

вом с расходом 40 дм /мин.

5 штуцер;

6 круг;



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.