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 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

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

-- [ Страница 3 ] --

7 алмазный карандаш Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– В устройстве для подачи СОЖ гидроаэродинамическим способом с на ложением УЗК на волновод-насадок 4, расположенный с зазором 0,1 – 0,3 мм по отношению к поверхности абразивного круга 6. На выходе из полости на садка 4 жидкость омывает рифления, выполненные на торце насадка, благодаря чему улучшается моющее действие по отношению к рабочей поверхности абра зивного круга, а затем поступает в зону правки. При подаче электрического сигнала от генератора на пьезокерамические преобразователи 3, закрепленные на шпильке 1 гайкой 2, УЗК накладываются на волновод-насадок 4 и алмазный карандаш 7.

Из табл. 13 [34, 42] следует, что подача СОТС в виде мелкодисперсной аэрозоли способствует формированию микрорельефа круга, обеспечивающего по сравнению с подачей СОЖ поливом, несмотря на существенно меньший (в 103 – 105 раз) расход жидкости, несколько меньшие значения показателей сило вой напряженности процесса, износа круга и параметров шероховатости шли фованной поверхности.

13. Эффективность акустического распыления СОЖ в зону правки абразивных кругов с по мощью УЗК при шлифовании заготовок из труднообрабатываемых материалов [42] Показатели процесса шлифования Силы шли- Коэффици- Удельная Параметры шеро Коэффиц фования, Н ент режу- мощность ховатости, мкм Способ подачи СОЖ иент щей спо- шлифова шлифо собности Кр, ния КN, Ra Rmax Ру Рz S вания Кш мм /мин Вт мин/мм Свободно падающей 32,5* 27,5 2,3 6,0 4,2 0,25 0,11 0, струей (поливом) 41,0 35,0 15,0 24,0 5,5 0,80 5,0 0, Одновременно гидро 31,0 26,0 2,5 5,0 4,1 0,20 0,09 0, аэродинамическим 35,0 32,5 16,0 25,0 5,0 0,70 4,5 0, способом и поливом Одновременно гидро аэродинамическим способом и поливом с 29,0 24,0 2,7 4,0 4,5 0,10 0,08 0, наложением УЗК на 25,0 25,5 22,0 21,0 5,3 0,30 3,2 0, правящий инструмент и гидроаэродинамиче ское сопло В виде мелкодисперс- 30,0 25,0 2,4 5,0 4,3 0,18 0,09 0, ной аэрозоли 29,5 28,0 18,0 21,5 5,3 0,45 4,0 0, *) В числителе – результаты при шлифовании заготовок из сплава ВЖЛ-12, в знаменателе – из стали 14Х17Н При шлифовании образцов из жаропрочного сплава ВЖЛ-12 и стали 14Х17Н2 коэффициент режущей способности круга Кр увеличивается соответ ственно на 5 и 20 %, коэффициент шлифования Кш увеличивается на 10 % (при шлифовании заготовок из сплава ВЖЛ-12);

уменьшаются параметры шерохова тости Ra – на 30 и 45 %, Rmax – на 18 и 20 %, S – на 12 и 21 %. Подача СОЖ в ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– зону правки в виде мелкодисперсной воздушно-жидкостной смеси оказывает большее влияние на процесс шлифования заготовок из стали 14Х17Н2, имею щих по сравнению с заготовками из сплава ВЖЛ-12 лучшую обрабатываемость шлифованием.

Однако наибольшую эффективность шлифования обеспечивает правка с подачей СОЖ одновременно гидроаэродинамическим способом и поливом с на ложением УЗК на волновод-насадок и карандаш. По сравнению с подачей СОЖ поливом коэффициент Кр увеличивается на 15 и 40 % при шлифовании заготовок из сплава ВЖЛ-12 и стали 14Х17Н2 соответственно;

КN уменьшается на 17 и 30 %;

Кш увеличивается на 18 % (при шлифовании заготовок из сплава ВЖЛ-12);

параметр шероховатости Ra уменьшается на 60 и 63 %, Rmax – на 30 и 35 %.

Шлифование заготовок из коррозионностойкой стали и жаропрочного сплава с подачей СОЖ в зону обработки в виде мелкодисперсной аэрозоли, как и ожидалось, малоэффективно [34, 42]. В отличие от зоны правки круга, кон такт в зоне шлифования отличается гораздо большей сплошностью. Поэтому расход подаваемой жидкости и энергия ее струи недостаточны для удовлетво рительной реализации ее функциональных свойств [34, 42].

3.4. Выводы 1. Функциональные действия СОТС при использовании в процессах ме ханической обработки УЗК, как правило, усиливаются и оказывают существен ное влияние на производительность и качество поверхностного слоя обрабо танных деталей из металлов, сплавов и КМ.

2. Из всех явлений, сопровождающих введение УЗК в зону резания заго товок инструментами при наличии в последней даже небольших количеств СОЖ, особое внимание следует уделять кавитации, способной коренным обра зом изменить условия формообразования новых поверхностей.

3. Наложение УЗК способствует ускорению движения СОЖ сквозь сеть капиллярных каналов к зонам контактного взаимодействия инструмента с ма териалом заготовки.

4. Акустическое распыление СОЖ с помощью энергии УЗ поля позволяет создать воздушно-жидкостные аэрозоли, размеры капель жидкости в которых соизмеримы с размерами поперечных сечений образующихся при резании ка пилляров.

5. Использование мелкодисперсных аэрозолей, образованных энергией высокочастотного УЗ поля при механической обработке резанием позволяет при расходе СОЖ в 103 – 105 раз меньшем, чем при подаче ее поливом, обеспе чить высокие технологические показатели при сверлении алюминиевых паке тов взамен экологически вредных быстро испаряемых фреоновых смесей и при правке абразивных кругов алмазными инструментами.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Глава 4. ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ К КОНТАКТНЫМ ЗОНАМ ПРАВКИ АБРАЗИВНЫХ КРУГОВ И ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК 4.1. Ультразвуковая техника подачи СОЖ сквозь поровое пространство абразивного круга Эффективность операций шлифования и правки абразивных кругов в су щественной степени зависит от состава и способа (техники) подачи в зону об работки СОЖ. Проблема рационального применения СОЖ особенно актуальна при совмещенном (торцекруглом или многокруговом) и фасонном шлифовании заготовок типа вала-шестерни, ступенчатых и коленчатых валов, елочных зам ков лопаток турбин, которые из-за большой площади контакта абразивного круга (или кругов) с поверхностями заготовки и особенностей кинематики про цесса характеризуются интенсивным затуплением и засаливанием рабочих по верхностей круга, высокой тепловой и силовой напряженностью и, как следст вие, большой вероятностью появления дефектов на обработанных поверхно стях деталей.

Традиционные способы подачи СОЖ свободно-падающей струей (поли вом) или напорной струей к зоне обработки под давлением не более 2 МПа не обеспечивают проникновения ее в контактные зоны шлифования и правки в достаточном количестве из-за мощных воздушных потоков, генерируемых вращающимся абразивным кругом, вследствие чего потенциальные возможно сти как самих СОЖ, так и абразивных кругов и правящих инструментов реали зуются не в полной мере.

К наиболее эффективным разработкам, используемым в нашей стране и за рубежом, относятся устройства для гидроочистки рабочей поверхности с на ложением УЗК [1, 13, 49, 53, 65, 66, 95], а также техника подачи СОЖ струйно напорным внезонным способом (СНВС) [100]. В первом случае возникают трудности, обусловленные обеспечением необходимого зазора между волново дом и рабочей поверхностью круга, который изменяется по мере износа по следнего и при правке. Эксплуатация техники подачи СОЖ СНВС предполага ет использование насосов высокого давления, дорогих и ненадежных при пода че водных (наиболее распространенных) жидкостей.

УЗ техника подачи СОЖ [63], разработанная в Ульяновском государст венном техническом университете, свободна от большей части недостатков в сравнении с имеющимися разработками при обеспечении равной или большей технологической эффективности. Ее применение существенно изменяет меха ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– низм проникновения СОЖ в зоны шлифования и правки: жидкость выбрасыва ется из пор круга непосредственно в зону его контакта с заготовкой. При этом СОЖ поступает в полость клинового насадка 3 (рис. 32), сужающуюся в на правлении подачи жидкости, совпадающем с направлением вращения абразив ного круга 2, что обеспечивает в зазоре между насадком и кругом режим гид родинамической смазки и способствует замене интенсивных торцовых воздуш ных потоков, генерируемых вращающимся кругом, жидкостными. Последнее облегчает транспортирование СОЖ в контактные зоны при подаче ее поливом через сопло 7. Остальная часть СОЖ проникает в поровое пространство абра зивного круга, затем под действием центробежных сил выбрасывается на его рабочую поверхность и поступает непосредственно в зону шлифования заго товки 6. УЗК, накладываемые на насадок от УЗ генератора препятствуют воз никновению паровоздушной закупорки пор [106] и способствуют интенсифи кации пропитки жидкостью порового пространства абразивного круга.

5 Рис. 32. Устройство для подачи СОЖ к торцу круга через полуоткрытый клиновой насадок с наложением УЗК [63]: 1 защитный кожух;

2 шлифовальный круг;

3 полуот крытый клиновой насадок;

4 патрубок для подвода СОЖ;

5 волновод;

6 обрабатывае мая заготовка;

7 – сопло для подачи СОЖ поливом Применение УЗ техники подачи СОЖ позволяет при использовании обычных низконапорных (давление до 0,05 МПа) систем подачи СОЖ и отно сительно малом (до 40 дм3/мин) расходе жидкости существенно увеличить ее расход через зону шлифования, причем в большей степени через зону контакта круга с торцовой или фасонной поверхностью заготовки, что особенно важно при совмещенном торцекруглом и фасонном шлифовании.

К настоящему времени разработаны и испытаны устройства для реализа ции УЗ техники подачи СОЖ разных габаритных размеров и новые малогаба Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ритные УЗ генераторы [36], отличающиеся современной элементной базой, ма лыми потребляемой мощностью и массой.

Стендо-станочные лабораторные и опытно-промышленные испытания показали, что УЗ техника подачи СОЖ к торцам абразивного круга по сравне нию с подачей СОЖ поливом при обработке заготовок из материалов, широко используемых в разных отраслях промышленности, обеспечивает снижение на 20 – 45 % составляющих силы шлифования и контактных температур;

в 2 – раз увеличивает период стойкости и сокращает расход дорогостоящих абразив ных кругов и правящих инструментов;

кроме того, существенно улучшаются эксплуатационные характеристики шлифованных деталей.

Рассмотрим возможные пути повышения эффективности УЗ техники по дачи СОЖ к торцам шлифовального круга через клиновые полуоткрытые на садки.

4.2. Аналитическое исследование поглощения ультразвуковых волн при движении сквозь поровое пространство абразивного круга В основе теоретических предпосылок для разработки УЗ техники подачи жидкости при шлифовании через полуоткрытые клиновые насадки [36, 63] ле жит стремление использовать энергию УЗ поля для ликвидации эффекта паро воздушного закупоривания порового пространства круга при фильтрации сквозь него СОЖ [106]. При этом для расчета УЗ устройств использовали при ближенные уравнения, полученные линеаризацией уравнений гидродинамики и уравнений состояния [44], как обычно поступают при исследовании УЗ волн небольшой амплитуды, при которых возмущения равновесного состояния сре ды, вызванные этими волнами, оказываются малыми. Между тем эти прибли жения являются недостаточными в случае УЗ волн большей интенсивности, что имеет место на самом деле при использовании УЗ генераторов серии УЗУ и УЗГ для возбуждения колебаний в насадках для подачи СОЖ [88].

Распространение УЗ волн большей интенсивности сопровождается рядом эффектов, зависимых от амплитуды волны. Для описания этих эффектов необ ходимо учитывать нелинейные члены уравнений гидродинамики, наличие ко торых существенным образом меняет картину распространения интенсивной УЗ волны, в частности характер ее поглощения [88]. Это особенно важно при использовании УЗ техники подачи СОЖ для шлифования кругами диаметром свыше 600 мм, когда УЗ насадки размещаются по торцам вблизи его планшай бы, так как в этом случае жидкость по внутренним трактам до зоны обработки проходит расстояние, большее длины одной УЗ волны.

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Энергия УЗ волны при ее распространении вследствие необратимых про цессов, обусловленных теплопроводностью и вязкостью среды, переходит в энергию скрытого теплового движения. В результате этого происходит посте пенное поглощение энергии волны, а следовательно, с удалением по радиусу от окружности расположения клинового полуоткрытого насадка уменьшается ве роятность ликвидации эффекта паровоздушного закупоривания порового про странства круга при фильтрации СОЖ (см. рис. 32).

Процесс поглощения ультразвука в жидкостях описывается уравнениями гидродинамики с учетом теплопроводности и вязкости. Если искать решение линеаризованных уравнений гидродинамики для одномерного случая в виде плоской гармонической волны типа exp(ky 2f r t ), то волновое число k оказы вается комплексным: вещественная его часть k1 определяет длину волны, а мнимая – коэффициент поглощения an [51]:

k = k1 + ia n ;

(65) e ky 2f r t = e an ei (k1 y 2f r t ). (66) При этом коэффициент поглощения an, обусловленный релаксационными процессами, выражается следующей зависимостью [20]:

(C ) C0 2 f r p 2 = (4 ) an. (67) 3 f r2 + C Вещественная часть волнового числа k1 в этом случае [20] ( ) 2f r 2 2 f r2 2 1 C C 0, p k1 = ( ) (68) C0 4 f r p + 2 2 C где р – время релаксации, с;

C и Со – скорости звука на высоких ( 2f r p 1) и низких ( 2f r p 1 ) частотах соответственно, м/с.

Из соотношений (67) и (68) видно, что релаксационные процессы приво дят к дисперсии скорости звука или к зависимости фазовой скорости C = 2f r k1 от частоты и к своеобразной частотной зависимости коэффициен та поглощения, рассчитанного на одну длину волны.

Следует отметить, что при поглощении синусоидальной волны форма ее, согласно уравнений (65) и (66), не изменяется и остается гармонической при уменьшении ее амплитуды. В отличие от этого, форма УЗ сигнала произволь ной формы (например – прямоугольной, выдаваемой УЗ генераторами серии УЗУ) изменяется и со временем постепенно сглаживается. Это объясняется тем, что различные спектральные компоненты сигнала затухают по-разному из-за частотной зависимости коэффициента поглощения, возрастающего пропорцио нально квадрату частоты. При этом точки профиля, соответствующие больше му сжатию, движутся быстрее, чем точки, соответствующие меньшей плотно Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– сти. В результате крутизна волновых фронтов увеличивается, что может при вести к возникновению разрыва на каждом периоде волны и образованию вол ны пилообразной формы.

С другой стороны, вязкость и теплопроводность среды осуществляют сглаживание профиля волны и некоторое уменьшение градиентов скорости и температуры. Применение УЗ устройств подачи СОЖ при шлифовании харак теризуется использованием УЗ волн высокой интенсивности. В этом случае до минируют нелинейные эффекты и форма волны сильно изменяется. Рост по глощения энергии УЗ волн обусловлен увеличением крутизны волновых фрон тов благодаря более сильной диссипации при нарастании градиентов скорости и температуры. Поэтому поглощение УЗ волн оказывается зависящим от рас стояния до излучателя (клинового полуоткрытого насадка). Оно мало вблизи излучателя, максимально в области, где волна имеет пилообразную форму, а за тем вновь уменьшается.

В практике эксплуа тации УЗ устройств подачи СОЖ вышеописанные про цессы усугубляются и тем, что в силу стесненности ус ловий УЗ насадок доста точно часто приходится размещать под углом к торцу круга, отличным от 90° (рис. 33). В результате Рис. 33. Расположение насадка для подачи фронт распространения СОЖ с торца круга при стесненных условиях: 1 – УЗК ни только не совпадает круг;

2 – УЗ насадок для подачи СОЖ с направлением движения жидкости, но часто и противоположен последнему, что увеличивает степень поглощения энергии УЗ волн и уменьшает эффективность их действия.

Распространение волн конечной амплитуды описывается системой гидро динамических уравнений:

уравнением Эйлера (уравнением движения жидкости) Vгc µ + Vгc Vгc = P + µVгc + + µ 0 divVгc ;

(69) t уравнением непрерывности потока P + div( Vгc ) = 0;

(70) t уравнением переноса тепла ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– µ S T = + (Vгc S ) = i + i дiк l + µ 0 (div )2 + ж divT ;

(71) 2 y к y i 3 y l t уравнением состояния P = P(, S ), (72) где Vгс – гидродинамическая скорость среды, м/с;

– плотность cреды, кг/м3;

– коэффициент пропорциональности;

Т – температура среды, К;

i, k, l – ком поненты единичного вектора (орта);

S – удельная энтропия, Дж/(кг K);

– оператор Гамильтона (набла-оператор);

– оператор Лапласа;

µ – динамиче ская вязкость жидкости, Пас;

µ 0 – динамическая (вторая) объемная вязкость, Пас.

Ограничимся рассмотрением УЗ сигнала не очень большой интенсивно сти, когда характеризующие движение числа Маха* M = 0 C0 1 (0 – ам плитуда колебательной скорости волны). В этом случае можно, без исключения случаев, когда нелинейные эффекты являются весьма значительными, внести существенные упрощения, позволяющие облегчить решения уравнений (69) – (70). Последнее объясняется тем, что нелинейные поправки к решениям линей ной акустики, наряду с членами порядка M = 0 C 0, содержат также и члены, описывающие накапливающиеся эффекты, пропорциональные (например, в случае бегущей вдоль оси r плоской волны) величине Mkr. Поэтому нелиней ные эффекты заметно проявляются не только при больших амплитудах волны, когда M 1, но и в гораздо более часто встречающемся в практике применения УЗ техники подачи СОЖ случае, когда М 1, но накапливающиеся эффекты велики (для бегущей плоской волны, когда Mkr 1).

Уравнение состояния (72) можно записать в следующем виде:

1 с ( 0 )2 + P (S S 0 ) +...

P P0 = C0 ( 0 ) + (73) 2 P S S Учитывая использование линейного источника УЗК (насадок для подачи СОЖ в виде цилиндрического стержня) и кольцевых пьезокерамических преоб разователей, ограничимся одномерным случаем распространения УЗК. Тогда уравнение (69) можно преобразовать, если, использовав уравнение (71), учесть неадиабатичность процесса путем объединения члена с вязкостью в этом урав нении с последним членом уравнения состояния (73):

V гc + (Vгc )Vгc = Ps + bVгc, (74) t * Ниже приведены значения числа Маха для случая использования УЗ техники подачи СОЖ (М = 7,33 10-5).

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 1 µ + µ0 + у ;

где b = Cv C p 3 1 с ( 0 ) + ( 0 )2.

PS P0 = C0 (75) 2 P S Выражение (75) можно записать в другой форме [108]:

0 B +, PS P0 = A (76) 2 0 2 с где A = 0 C0 ;

B = 0 P.

S Найдем отношение B/A:

B 0 с 2 2C0T с = 2 0 C 0 с +, = (77) A C 0 P P S P C T, T P где – характеристика степени нелинейности уравнения состояния cреды (75) или сжимаемость [108].

Вместо B/A часто используют величину :

с 2 B = +1 = 2 + 1. (78) S C A Величина в эмпирическом уравнении состояния для конденсирован ных веществ (жидкостей) равна показателю степени n [20] :

Р = A( / 0 )n B. (79) Cp Для газов (паров СОЖ) = [20].

Cv В работе [108] приведены значения для некоторых жидкостей, рассчи танные по формуле (76) на основе экспериментально определенных зависимо стей скорости звука от плотности и температуры (табл. 14).

14. Значения для некоторых жидкостей в зависимости от температуры [108] Жидкость Т, К Жидкость Т, К 273 5,2 273 10, Спирт 293 6,1 293 11, (С2Н5ОН) 313 6,4 313 11, Вода (Н2О) 333 6,7 333 11, 353 7,0 Трансформа- 293 7, 373 7,1 торное масло ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– В предположении, что b 2c 3 k M, систему уравнений (70), (74) и (75) можно свести к одному уравнению. Для этого, введя функцию = dPS и потенциал скорости, перепишем уравнение непрерывности (70) в следующем виде:

2 + = 0. (80) с t r r r Из уравнения Эйлера (74) b 1 = +. (81) t 2 t 0 r Из уравнения (75) с 2 = C0 + ( 1). (82) Подставив (81) и (82) в (80), найдем с точностью до квадратичных по ма лому параметру М:

b с 2 + + C 0 ( + 1) = 0. (83) && & Перейдя в этом уравнении от переменных r, t к переменным y = t – (r/C0), r и возвратившись от потенциала к скорости =, получим r y 2 =a 2, (84) r C 0 y y b где y = ( + 1) 2, a =.

2 c Уравнение (84), несмотря на приближенный характер, достаточно точно описывает нелинейные и диссипативные процессы.

Введем безразмерные переменные u = 0 и = r L, где C L = = (85).

k y M 2f r0 y Основное уравнение нелинейной теории распространения ультразвука (84) можно переписать в следующем виде 2u u u - u =Г ( ), (86) (2f r y ) 2f r y y0 у P Г = 2 y Re = = y 0 ;

где (87) b 0 bf r P0 – амплитуда давления волны, Па;

у – длина волны, м.

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Рассмотрим распространение плоской УЗ волны достаточно большой ин тенсивности (Г 1). Предположим, что первоначально волна имеет синусои дальную форму:

= 0 sin 2f r t при r = 0. (88) При больших значениях параметра Г правой частью уравнения (86) мож но пренебречь, что позволит проинтегрировать оставшуюся часть, если рас смотреть Y как функцию и. Решение, полученное впервые таким образом в работе [79], имеет вид 2f r y = + f, (89) 0 где f – произвольная функция.

Определив эту функцию из граничного условия (88), получим решение, описывающее плоскую волну первоначально синусоидальной формы:

2f r y = arcsin. (90) 0 Представим зависимость (90) в виде суммы двух функций: arcsin и функции, тангенс угла которой растет с рас стоянием, пройденным волной (рис. 34).

Изобразим графически решение зависимости (90) для различных значений (рис. 35). Из анализа графиков, показанных на рис. 35, Рис. 34. Графическое изо следует, что вблизи источника колебаний бражение зависимости ( 1) искажения синусоидальной формы 2 f y = arcsin профиля волны невелики (см. рис. 35, а). По r 0 мере распространения волны они постепен но увеличиваются и на расстоянии = 1 профиль волны в окрестности точки = 0 становится отвесным (см. рис. 35, б), а затем – многозначным (см. рис.

35, в), что физически бессмысленно и обозначает образование разрыва или ударной волны.

Попытаемся определить расстояние до образования разрыва в условных размерных единицах из формулы (85). При = 1 (момент образования разрыва) r = L, т. е. выбранная в качестве единицы длины величина L = 1 k y M и есть то расстояние, превышение которого приводит к образованию ударной волны (разрыва).

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Рис. 35. Измене ние профиля УЗ волны конечной амплитуды при ее распространении в жидкой среде (2 fr 1) Так, при использовании в качестве жидкости низкоконцентрированных эмульсий или водных растворов концентратов синтетических или полусинтети ческих продуктов, а в качестве излучателя – УЗ технику подачи СОЖ с торцев круга через полуоткрытые клиновые насадки [63] с интенсивностью излучения J = 1,0 Вт/см2 имеем: 0 = 0,11 м/с;

С0 = 1,5 103 м/с;

y = 3,55;

М = 7,33 10 5 ;

L = 19,0 10 2 м = 190 мм.

После образования разрыва картина движения волн усложняется: волна перестает быть бегущей в одном направлении вследствие отражения при по верхностях разрыва, но при М 1 эти эффекты достаточно малы. Это под тверждается постоянством (с точностью до членов второго порядка) соотноше ний, связывающих изменение скорости, давления и плотности в ударной волне, полученных в результате расчета (при 1). Поэтому для выполнения условия приближенного сохранения непрерывного волнового движения необходимо, чтобы площади, ограниченные пунктирной кривой на рис. 35, г, слева и справа от разрыва были равны, что возможно, если разрыв происходит в точке 2f r y = 0. Тогда зависимость (90) примет вид p p = arcsin (91) 0 p p = sin.

или (92) 0 Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Как следует из рис. 35, соотношение (92) есть условие, что точка профиля волны, соответствующая скорости p, вышла на фронт разрыва, расположен ный на оси 2f r y = 0;

поэтому после возникновения разрыва при = 1 (см. рис.

35, б) его величина растет, пока при = 2 на разрыве не будет максимальное значение колебательной скорости. После этого величина разрыва будет умень шаться, а волна примет пилообразную форму (рис. 35, г). Это подтверждается и при непосредственной подстановке p = 0 при = 2 в выражение (92).

p Полагая, где, имеем p p = sin ( ) = sin = sin (93).

0 Подставим результаты расчета в (92):

p = (94).

0 1 + Из выражения (94) следует, что пилообразная волна конечной амплитуды затухает не экспоненциально, причем степень затухания растет с увеличением амплитуды волны в связи с тем, что пропорционально последней. С увеличе нием начальной амплитуды волны 0 пиковое значение колебательной скорости пилообразной волны, совпадающее с величиной p в фиксированной точке по рового пространства, растет все медленнее, асимптотически приближаясь к пре дельному состоянию pm, не зависящему от начальной амплитуды 0 [92]:

C pm = (95).

y ky При дальнейшем распространении пилообразной волны относительная роль нелинейных эффектов вследствие затухания уменьшается, что приводит к постепенному размыванию образовавшихся разрывов.

При использовании УЗ сигнала прямоугольной формы, выдаваемого, на пример, УЗ генераторами серии УЗУ (УЗУ-01, УЗУ-0,25, УЗУ-0,25М и др.), за тухание волн конечной амплитуды происходит также, как и при распростране нии пилообразной волны, неэкспоненциально и на достаточно коротком от из лучателя расстояния. Естественно предположить, что при использовании УЗ сигнала синусоидальной формы технологическая эффективность УЗ техники подачи СОЖ будет существенно выше.

Сильное поглощение происходит при отражении УЗ волны от твердых стенок пор абразивного круга. Оно обусловлено тем, что вблизи стенки градиен ты температуры и касательной к стенке составляющей скорости частиц жидко сти или газа (при наклонном падении звуковой волны) значительны по величине.

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Доля энергии, поглощаемой при отражении УЗ волны от твердой стенки, равна [104] W 2 2f r Cp sin к C 1 a ж.

= (96) C cos к W v При распространении УЗК в жидкостях Cp = Cv;

тогда выражение (96) можно переписать в следующем виде:

W 2 2f r sin 2 к, = (97) C cos к W где к – угол падения, град;

аж – температуропроводность среды Вт/(мК).

Зависимость (96) справедлива, если к, акустическое сопротивление стенки пор круга много больше акустического сопротивления СОЖ и темпера тура стенки постоянна.

Величина угла к при использовании УЗ устройств подачи СОЖ сквозь поры круга [63] зависит от большого числа факторов, определяемых, главным образом, характеристикой и технологией изготовления шлифовального круга.

Точные значения его величины определению не подлежат, однако, используя данные по определению канальной пористости кругов, приведенные в работе [106], можно определить математическое ожидание величины к.

Как известно, канальная пористость является самостоятельной характе ристикой структуры шлифовального круга, определяемой не только величиной, но и направлением. Установлено, что объем канальных пор круга в радиальном направлении меньше объема всех пор крупнее 5 мкм и составляет в среднем 0,6 – 0,8 от активной пористости [106]. В то же время в направлении от торца к торцу канальная пористость кругов несколько выше и составляет 0,75 – 0,9 от активной пористости, что объясняется направлением прессования кругов.

Поэтому [97] 0,6 0, M (tg к ) = = 0,8485;

0,75 0, M ( к ) 40 o 30 (рис. 36).

Воспользуемся полученными значениями угла к и приближенно опре делим по зависимости (97) долю энергии, поглощаемой при отражении УЗ вол ны от твердой стенки порового канала (условно примем один сквозной канал, расположенный под углом 40°30 к направлению распространения УЗ волн).

Для 3 %-й эмульсии Укринол-1: С = 1430 м/с, = 1,405 10 6 м2/с;

при использо вании УЗ генератора УЗУ-0,25 fr = 19600 Гц;

при этих данных [97] W =0,0032 или 0,32 %.

W Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Рис. 36. Взаимодействие абразивного круга с СОЖ при наложении УЗК: 1 – планшай ба;

2 – УЗ насадок для подачи СОЖ;

3 – круг;

4 – связка;

5 – канальные поры;

6 – абразивные зерна;

i – орт направленности радиальных каналов;

j – орт направленности осевых каналов Учитывая, что протяженность большинства прямых участков каналов в круге составляет не более 15 – 20 мкм [106], в процессе движения сквозь поро вое пространство УЗ волны отражаются от твердых стенок каналов (пор) до 103 – 104 раз (в зависимости от высоты круга), что может привести к полному поглощению энергии УЗ волн. Именно этим вызывается целесообразность ис пользования двух УЗ насадков при высоте круга свыше 50 мм.

С целью компенсации потерь энергии УЗ волн из-за поглощения, а также для концентрации энергии в необходимой зоне и изменения ее направления, целесообразно использовать фокусирующие системы (акустические усилите ли), созданные непосредственно в теле излучателя УЗК (УЗ насадка) [38]. Ве личина коэффициента усиления интенсивности УЗК при использовании сфери ческих акустических усилителей определяется по формуле [88] K I = K py K, (98) где Kpy – коэффициент усиления звукового давления.

Для акустического усилителя сферического типа (рис. 37) с равномерным распределением амплитуды Р:

K C = S B f ф лy = f ф Щ лy = kв hг ;

(99) py m где kв – коэффициент пропорциональности (kв Sв/Sф);

Sв – площадь сходящего ся волнового фронта, м2 (см. рис. 37);

Sф – площадь фокального пятна, м2.

Величины Kpу и KI максимальны, когда амплитуда колебательной скоро сти распределена по сходящемуся волновому фронту равномерно (см. рис. 37, а);

K – максимален, если амплитуда максимальна в центре и убывает к краям ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– по косинусоидальному закону (см. рис. 37, б). Выражение KC при косинусои дальном распределении амплитуды имеет вид ( )( ) K = ( f ф y ) 2 sin ф 4 1 cos 3 ф 3, C (100) где fф – расстояние от фо куса F до поверхности фо кусирующей системы в на правлении акустической оси фронта, м;

m = 2 (1 cos ф ) – телес ный угол раскрытия вол нового фронта;

ф – пло скостной угол раскрытия волнового фронта, град.

Рис. 37. Параметры акустического усилителя (см. рис. 37);

hг – глубина сферического типа: а – расчетная схема: fф – фокусное фокусирующей системы расстояние;

hг – глубина;

D – диаметр;

ф – угол рас (акустического усилителя), крытия;

б – равномерное распределение амплитуды;

в – м. косинусоидальное распределение амплитуды Если поглощение УЗ волн происходит по экспоненциальному закону, то ин тенсивность УЗК при использовании сферических акустических усилителей [77] W 2a f I = 2 sin 2 ф e n ф. (101) 4 y Из зависимости (101) следует, что существует значение оптимальной длины волны опт, а следовательно, и соответствующая ей частота УЗК fr, при которых имеется максимум интенсивности при постоянной величине фокусно го расстояния fф.

Найдем максимум функции (101) в зависимости от длины волны y :

W I max = (102), e опт опт = 2bc f ф ;

где (103) bс – постоянная величина, определяемая свойствами среды [77].

Существование волн оптимальной длины опт и соответствующей ей час тоты fr определяется тем, что, с одной стороны, с увеличением частоты увели чивается концентрация энергии вследствие роста коэффициента усиления, с другой стороны – возрастает поглощение энергии УЗ волн.

Таким образом, поглощение УЗ волн при движении СОЖ сквозь поровое пространство шлифовального круга в существенной степени определяется сле дующими основными факторами:

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– – направленностью УЗК в поровом пространстве круга;

– формой УЗ сигнала;

– наличием фокусирующей системы;

– амплитудой и частотой УЗК;

– расстоянием от излучателя УЗК (насадок для подачи СОЖ, расположенный у торца круга) до зоны шлифования заготовки или правки круга.

И если влияние расстояния от излучателя УЗК на эффективность шлифо вания достаточно хорошо изучено [43, 89, 101], то для оценки влияния осталь ных факторов необходимы дополнительные исследования.

4.3. Исследование эффективности ультразвуковой техники подачи СОЖ при изменении параметров акустического поля 4.3.1. Влияние направленности ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования заготовок и правки круга Для оценки влияния направленности УЗК на эффективность шлифования заготовок и правки кругов проведены две серии экспериментов, одна из кото рых включала в себя модельные исследования, а вторая – исследования непо средственно на шлифовальном станке.

При проведении модельных исследований УЗК накладывали на СОЖ, в которой с зазором 0,1 мм от излучателя располагался стеклянный капилляр (трубка) с диаметром отверстия 0,2 мм, что соответствует среднему диаметру пор (от 0,17 до 0,23 мм) в абразивном круге на керамической связке средней структуры (5 – 7), зернистости (25) и твердости (СМ2 – С1). В качестве СОЖ использовали воду, 5 %-й водный раствор Аквол-15 и 5 %-ю эмульсию НГЛ-205. Учитывая, что высота подъема СОЖ в капилляре определяется крае вым углом смачивания [106], предварительно определяли последний расчетным путем для всех жидкостей на стеклянных пластинах ( °= 7°, 11° и 12° соответ ственно для воды, 5 %-го раствора Аквол-15 и эмульсии НГЛ-205) и на отполи рованных плоских поверхностях электрокорунда 24А ( ° = 7°, 7°30 и 9° соот ветственно), ориентируясь на диаметр пятна растекания dp нормируемой капли жидкости по поверхности образца:

16V ° = arctg 3, (104) d рhк 2 d p hк + 2 ;

hк – высота капли, м.

где V – объем сферической капли, V = 6 В качестве преграды, при прохождении которой возможно поглощение энергии УЗ волн, использовали стекло, для чего стеклянный капилляр наклоня ли под углом к относительно вектора направленности УЗК (рис. 38, 39). Из ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– вестно, что поры в круге образованы не только абразивными зернами, но и ке рамической связкой, основу которой составляют огнеупорная глина, кварц, борное стекло. После обжига свойства связки по показателям растекаемости близки к стеклу. Учитывая незначительную разницу в краевых углах смачива ния для стекла, керамической связки и электрокорунда, полученные результаты можно распространить на движение СОЖ по капиллярам в круге. Для возбуж дения УЗК использовали генераторы УЗУ-0,25 (fr = 18,6 кГц, выходная мощ ность и амплитуда колебаний А = 5 мкм постоянны) и Вулкан-1 (fr = 2,64 МГц, выходная мощность изменяется в пределах от 10 до 50 Вт).

К генератору УЗУ-0,25 подключали излучатели УЗК, выполненные в ви де УЗ насадков для подачи СОЖ с пьезокерамическими кольцами ЦТС-19 диа метром 50 и 22 мм (рис. 40) [43], что при постоянной выходной мощности во втором случае обеспечивало в 1,25 раза большую интенсивность УЗК. Резуль таты исследований подвергли регрессионному анализу с целью получения ма тематических зависимостей [10] высоты подъема СОЖ, принятой в качестве критерия оценки влияния направленности УЗК на процесс поглощения энергии, от угла наклона капилляра к [53].

Анализ результатов исследований, представленных на рис. 41 и в табл.

15, показывает, что высота подъема СОЖ в капилляре при постоянных значе ниях fr и мощности (или амплитуды колебаний) излучения существенно зависит от угла наклона капилляра (см. рис. 38) для всех видов СОЖ: в большей степе ни для воды и в меньшей – для эмульсии.

15. Влияние угла к между направлением распространения колебаний и осью капилляра на высоту подъема жидкости в капилляре (частота УЗК fr = 18,6 кГц, диаметр колец по рис. 40 dпк = 22 мм) Высота подъема к Исследуемая жидкость жидкости h, мм Вода 0 15 30 45 60 75 5 %-й раствор 0 продукта Аквол-15 15 30 45 60 75 5 %-я эмульсия 0 НГЛ-205 15 30 45 60 75 Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Рис. 38. Схема эксперименталь- Рис. 39. Схема эксперименталь ной установки на базе генератора Вул- ной установки на базе генератора УЗУ кан-1: 1 – капилляр;

2 – штатив со шка- 025: 1 – капилляр;

2 – штатив со шка лой;

3 – стакан;

4 – рабочая (исследуе- лой;

3 – стакан;

4 – рабочая (исследуе мая) жидкость;

5 – дистиллированная мая) жидкость;

5 – излучатель (УЗ наса вода;

6 – излучатель;

7 – мембрана док ) УЗК;

6 – ось;

7 – основание Рис. 40. УЗ насадки для пода чи СОЖ к шлифовальным станкам:

а – с кругами 400 мм;

б – с кру гами 400 мм;

1 – шлифовальный круг;

2 – насадок для подачи СОЖ;

3 – пьезокерамические кольца;

4 – алмазная пластина;

5 – планшайба ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Исследования свидетельствуют, что с увеличением угла к высота подъ ема СОЖ в капилляре уменьшается. При увеличении угла к с 0 до 45° высота подъема жидкости уменьшается в два раза, а при к = 75° – более чем в три раза. Увеличение угла к до 30° значительно сказывается на изменении высоты подъема, h уменьшается на 15 – 20 %.

Практически при всех усло виях экспериментов наибольшая высота подъема зафиксирована для водопроводной воды, наи меньшая – для 5 %-й эмульсии НГЛ-205. Полученные результаты можно объяснить различными зна чениями коэффициентов поверх ностного натяжения и краевых уг лов смачивания для этих жидко стей. Известно, что скорость и вы сота подъема жидкости в капилля ре пропорциональны капиллярно- Рис. 41. Влияние угла к между на правлением распространения колебаний и му давлению, величину которого осью капилляра на высоту подъема жидкости можно определить по формуле [16] в капилляре: fr = 18,6 кГц, диаметр пьезоэлек 2 0 cos o трического кольца 50 мм;

1 – вода водопро P=, (105) водная;

2 – 5 %-й раствор Аквол-15;

3 – rк 5 %-я эмульсия НГЛ- где rк – радиус капилляра.

Из зависимости (105) видно, что с уменьшением 0 и увеличением угла o высота подъема жидкости уменьшается, что хорошо коррелируется с полу ченными результатами.

Несколько большие абсолютные значения высоты подъема СОЖ в ка пилляре при использовании пьзокерамических колец диаметром 22 мм объяс няются тем, что во втором случае интенсивность воздействия на жидкость УЗК в 1,25 раза больше.

Почти все уравнения регрессии, полученные в результате обработки экспе риментальных данных, имеют неявно выраженный параболический характер (табл. 16). Проверка адекватности полученных моделей по общепринятым крите риям показала значимость коэффициентов уравнения регрессии при квадратич ных членах (кроме одного). Это подтверждает нелинейный характер уравнения гидродинамики и уравнения состояния и недопустимость их линеаризации [44].

С увеличением выходной мощности излучателя УЗК зависимость высоты подъема СОЖ в капилляре от угла его наклона приобретает четко выраженный параболический характер для всех СОЖ (см. рис. 42, табл. 17, 18). С увеличе нием угла наклона коэффициенты уравнения регрессии при квадратичных чле Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– нах в зависимостях, связывающих параметры h и N, уменьшаются (см. табл.

18), а с увеличением мощности N в зависимостях, связывающих h и к, увеличиваются (см. табл. 17), но во всех случаях остаются значимыми.

Любопытно, что с увеличением мощности излучателя УЗК зависимость высоты подъема СОЖ в капилляре от угла наклона к усиливается.

16. Регрессионные зависимости h = f ( к ) для различных жидкостей и диаметров пьезокерамических колец (частота УЗК fr = 18,6 кГц) Предпочтительная математи Диаметр пьезокерами- Номер Исследуемая ческая модель, связывающая ческого кольца кривой жидкость параметры h и к по рис. 40, мм на рис. 50 h = 207 2,4 к + 0,0055 к Вода 22 – h = 197 2,1 к + 0,0024 к 50 h = 184 1,9 к + 0,0004 к 5 %-й раствор продукта Аквол-15 22 – h = 204 2 к 50 h = 160 1,7 к + 0,0014 к 5%-я эмульсия НГЛ-205 22 – h = 188 3,9 к + 0,025 к 17. Регрессионные зависимости h = f ( к ) для различных жидкостей и мощности излучения УЗК (частота УЗК fr = 2,64 МГц) Предпочтительная математи Мощность Номер кри Исследуемая ческая модель, связывающая излучения N, вой на рис.

жидкость параметры h и к Вт 41, а, б, в 10 h = 88 1,5 к + 0,01 к 25 h = 131 1,4 к + 0,08 к Вода 35 h = 174 1,6 к + 0,01 к 50 h = 233 + 1,1 к 0,08 к 10 h = 65 1,2 к + 0,013 к 25 h = 84 1,6 к + 0,016 к 5 %-й водный раствор Аквол-15 35 h = 109 1,3 к + 0,066 к 50 h = 187 4,0 к + 0,04 к 10 h = 55 1,0 к + 0,015 к 25 h = 65 1,3 к + 0,017 к 5%-я эмульсия НГЛ-205 35 h = 92 0,6 к 0,004 к 50 h = 147 1,7 к + 0,009 к ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 18. Регрессионные зависимости h = f (N) для различных жидкостей и углов между направле нием распространения колебаний и осью капилляра по рис. 27 (частота УЗК fr = 2,64 МГц) Угол к, Предпочтительная математическая модель, Исследуемая жидкость связывающая параметры h и N град.

h = 61 + 2,5 N + 0,02 N h = 30 + 2,4 N + 0,008 N Вода h = 41 + 0,91 N + 0,006 N h = 74 1,8 N + 0,08 N 5 %-й раствор h = 33 + 0,1 N + 0,027 N продукта Аквол- h = 35 0,1 N + 0,024 N h = 63 1,3 N + 0,06 N 5 %-я эмульсия h = 44 1,0 N + 10,04 N НГЛ- h = 49 1,3 N + 0,035 N Рис. 42. Влияние угла к и мощно сти излучателя N на высоту подъема жид кости в капилляре: fг = 2,64 МГц;

а – вода водопроводная;

б – 5 %-й раствор Аквол 15;

в – 5 %-я эмульсия НГЛ-205;

1, 2, 3, 4 – соответственно N = 2, 10, 25, 35 и 50 Вт Полученные результаты хорошо согласуются с уравнениями регрессии, описывающими зависимость составляющих силы шлифования при обработке заготовок из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т (табл. 19) на плоскошли фовальном станке 3Е710В от угла наклона клинового полуоткрытого насадка к торцу круга (от 0 до 2, рис. 43):

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Py = 51,9 0,09 + 0,00028 2 ;

(106) Pz = 32,2 0,01 + 0,00027 2. (107) 19. Влияние угла наклона УЗ насадка для подачи СОЖ к торцу круга на эффективность плоского шлифования заготовок из стали 12Х18Н10Т (см. рис. 33). Круг 92АМ20НСМ2К 1 – 2502532, Vк = 38 м/с;

Vs = 10 м/мин;

СОЖ – Аквол-15 (5 %) Показатели процесса шлифования Техника подачи Составляющие силы шлифования, Н Параметр шерохова СОЖ тости Ra, мкм Py Pz Подача СОЖ поливом 54 37 0, Подача СОЖ поливом и к торцу шлифовального круга с наложением УЗК = 90° 46 27 0, 48 29 0, = 60° 49 31 0, = 30° 52 32 0, = 0° Рис. 43. Сравнительная эффективность правки круга алмазным роликом при различ ных углах наклона УЗ насадка для подачи СОЖ с торцев круга: касательная Рzп (1, 2, 3) и радиальная Руп (1, 2, 3) составляющие силы правки при подаче СОЖ поливом и через кли новой полуоткрытый насадок с наложением УЗК (1, 1);

поливом и через клиновой полуот крытый насадок (2, 2) и поливом (3, 3);

а, б, в – соответственно, круг 92АМ16СМ16К3, 92АМ25СМ16К3, 92АМ40СМ16К Плоское шлифование осуществляли кругом 92АМ20НСМ2К20 1 – 2502532 при рабочей скорости Vк = 38 м/с с продольной подачей стола Vs = 10 м/мин и поперечной подачей – 1 мм/дв. ход при глубине шлифования 0,05 мм. СОЖ (5 %-й водный раствор Аквол-15) подавали поливом, а также од ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– новременно поливом и к торцу шлифовального круга через клиновой полуот крытый насадок с наложением УЗК [43].

При изменении угла от 90° до 60° радиальная Py и касательная Pz со ставляющие силы шлифования, а следовательно, и мощность, расходуемая на шлифование, практически не изменились. Полученные данные хорошо корре лируются с результатами исследований движения жидкости через капилляры, которые свидетельствуют, что увеличение угла до 30° оказывает незначи тельное влияние на высоту подъема жидкости.

Дальнейшее изменение угла приводит к существенному увеличению обеих составляющих силы шлифования: уменьшение от 60° до 0° приводит к увеличению Py на 13 % и Pz на 11 %. Однако даже при наименее благоприятных условиях для интенсификации пропитки круга жидкостью с помощью УЗК, со ответствующих углу = 0°, эффективность шлифования была выше, чем при подаче СОЖ поливом, о чем свидетельствуют меньшие соответственно на 4 и 13 % составляющие Py и Pz силы шлифования. По-видимому, это объясняется тем, что при подаче СОЖ через клиновые полуоткрытые насадки торцовые воздушные потоки заменяются жидкостными и тем самым облегчается реали зация потенциальных свойств СОЖ, подаваемой поливом [99].

Аналогичные исследования проведены при правке кругов различной зер нистости алмазным правящим роликом АРСЧ 1000/800. Рабочая скорость круга при правке составляла Vк = 43 м/с, ролика Vp = 10 м/с, скорость продольной по дачи стола плоскошлифовального станка 3Е710В-1 при правке Vsп = 1 м/мин, глубина резания – 0,03 мм, число проходов – 3. Элементы режима правки и шлифования приняты в соответствии с рекомендациями [25].

Установлено, что, как и при шлифовании, эффективность УЗ техники по дачи СОЖ в существенной степени зависит от угла наклона УЗ насадка (рис.

43). Однако эта зависимость носит явно линейный характер и с уменьшением угла наклона насадка составляющие силы правки монотонно увеличиваются, оставаясь меньшим, чем при подаче СОЖ через клиновой насадок без наложе ния УЗК и подаче СОЖ поливом. Полученные результаты, по-видимому, объ ясняются тем, что, в отличие от шлифования, зона контакта абразивных зерен круга с алмазными зернами правящего инструмента является более доступной для СОЖ, что сглаживает нелинейный характер зависимости составляющих си лы правки от угла наклона УЗ насадка.

Таким образом, экспериментально подтверждена зависимость эффектив ности шлифования заготовок и правки кругов от направленности распростра нения УЗК в поровом пространстве круга при подаче СОЖ через клиновые по луоткрытые торцевые насадки [43], что подтверждает справедливость сделан ных ранее выводов (см. параграф 4.2) о связи степени поглощения УЗ волн с направленностью УЗК [97].

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 4.3.2. Влияние формы ультразвукового сигнала на эффективность шлифования заготовок и правки круга В качестве основных источников УЗК, накладываемых на полуоткрытые клиновые насадки, до настоящего времени использовали генераторы серии УЗУ (УЗУ-0,1, УЗУ-0,25, УЗУ-0,25М). Однако форма электрического сигнала УЗ час тоты, вырабатываемого этими генераторами, как упоминалось ранее (см. гл. 1), близка к прямоугольной или к пилообразной. Форма таких сигналов не позволя ет в полной мере использовать эффективность УЗ поля для интенсификации движения СОЖ сквозь поровое пространство абразивного круга. Гораздо более перспективной является серия новых генераторов ТЕХМА, разработанных и из готовляемых Ульяновским государственным техническим университетом.

Сравнительные исследования эффективности УЗ генераторов УЗУ-0,25 и ТЕХМА-01 проводили при круглом наружном врезном шлифовании модельных заготовок из коррозионностойкой стали 95Х18 и жаропрочного сплава ВЖЛ- и при правке круга на экспериментальной установке, смонтированной на базе круглошлифовального станка ЗМ151 с подачей 3 %-й эмульсии Укринол-1М (Qс = 40 дм3/мин).

Рабочая скорость круга 24А25НС17К26 1 – 60025305 составляла 50 м/с, скорость врезной подачи 0,5 мм/мин при шлифовании заготовок из сплава ВЖЛ-12 и 1 мм/мин – при шлифовании заготовок из стали 95Х18. С шейки заготовок шириной 15 мм из сплава ВЖЛ-12 и стали 95Х18 снимали, со ответственно, припуск 0,2 и 0,85 мм. Окружная скорость заготовок Vз = м/мин. Круг правили перед обработкой партии заготовок (после потери стойко сти) алмазным роликом АРСЧ 1000/800 с продольной подачей 0,25 м/мин в три прохода при поперечной подаче 0,03 мм за каждый проход. Все элементы ре жима шлифования и правки соответствовали производственным условиям НПО «Молния» (г. Москва), а также рекомендациям [25].


Как следует из табл. 20, изменение формы УЗ сигнала с прямоугольной на синусоидальную позволяет на 10 – 20 % уменьшить силу Py, однако, сила Pz, а следовательно, и мощность, затрачиваемая при шлифовании KN, почти не изме нились. Отмечено значительное (на 80 %) увеличение коэффициента шлифова ния по объему при обработке заготовок из стали 95Х18 и сплава ВЖЛ-12.

Период стойкости круга при УЗ сигнале синусоидальной формы увели чивается почти в 2 раза, параметр шероховатости Ra при шлифовании загото вок из сплава ВЖЛ-12 уменьшился на 44 %.

Положительные результаты использования УЗ сигнала синусоидальной формы зафиксированы и при правке круга (рис. 44): силы правки Pzп и Pуп оказались в этом случае на 2 – 14 % меньше, чем при использовании УЗ сигнала прямоуголь ной формы, следовательно уменьшалась теплосиловая напряженность процесса правки, что благотворно сказалось на сроке службы правящих инструментов.

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 20. Эффективность УЗ техники подачи СОЖ с использованием УЗ сигналов различной формы при шлифовании. Круг 24А25НС17К26;

1 – 600х25х305 Vк = 50 м/с;

Vз = 50 м/мин;

3 %-я эмульсия Укринол-1М Показатели процесса шлифования* Среднее Составляющие си- Удельная лы шлифования, Н Коэффици- мощность арифмети- Период Способ Форма ческое от- стойко подачи УЗ сиг- ент шлифо шлифова- сти СОЖ нала вания по клонение ния КN, Py Pz профиля Ra, c, мин объему Кш Втмин/мм мкм Поливом – 12,9/52,1 24,2/96,6 14/5 0,18/1,73 1,47/1,12 3,4/0, Одновре менно по- Прямо 12,3/51,4 22,4/90,4 21/10 0,17/1,70 1,00/0,96 6,0/1, ливом и к угольная торцу круга через полу открытый Синусои насадок с 10,1/51,0 20,0/75,0 38/12 0,17/1,70 1,00/0,54 11,0/2, дальная наложени ем УЗК * В числителе приведены результаты шлифования заготовок из стали 95Х18, в знаменателе – из сплава ВЖЛ- Рис. 44. Эффективность УЗ техники подачи СОЖ с использованием УЗ сигналов раз личной формы при правке шлифовального круга: 1 – подача СОЖ поливом;

2, 3 – подача СОЖ одновременно поливом и к торцу круга через полуоткрытый клиновой насадок с нало жением УЗК;

2, 3 – соответственно УЗ сигнал прямоугольной и синусоидальной формы Таким образом, использование УЗ сигнала синусоидальной формы вза мен сигнала прямоугольной формы является, как было показано в параграфе 4.2, действенным средством повышения эффективности правки кругов и шли фования заготовок с подачей СОЖ по внутренним трактам.

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 4.3.3. Влияние формы акустических излучателей (фокусирующих систем) ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования заготовок Возможности создания сходящихся волновых фронтов сферической фор мы при использовании рассмотренной ранее УЗ техники подачи СОЖ [27, 62, 98] с конструктивной точки зрения существенно ограничены. Наличие клино вой полуоткрытой полости (см. рис. 32) вызвано необходимостью создания в зазоре между торцами насадка и вращающегося круга режима гидродинамиче ской смазки, чтобы пропитать поровое пространство жидкостью [35]. Всякое изменение формы внутренней полости приводит к понижению гидродинамиче ского давления в зазоре и к ухудшению пропитки, а вследствие этого – и к уменьшению количества СОЖ, поступающей в зону контакта круга с заготов кой или правящим инструментом. Форму внутренней полости насадков (радиус и сочетание поверхностей) выбирали таким образом, чтобы установить воз можности придания УЗ насадку функции акустического усилителя. Поэтому, после тщательного анализа возможностей конструктивного использования аку стического усилителя сферического типа остановились на пяти видах насадков.

Насадок с кумулятивной симметричной формой полости (рис. 45, а) обеспечи вает максимум энергии акустического излучателя СОЖ на торце шлифовально го круга. Однако такая форма практически не учитывает гидродинамику СОЖ, подаваемой на торец круга. Насадок с клиновой формой полости (рис. 45, б) максимально учитывает возможности гидродинамического клина для улучше ния пропитки порового пространства круга и транспортирования СОЖ в зону шлифования. УЗК, накладываемые на насадок, способствуют разрушению па ровоздушных пузырьков [98] и обеспечивают тем самым интенсификацию движения СОЖ в порах круга. Однако мощность передаваемых УЗК из-за кон структивного исполнения насадка не в полной мере используется для активиза ции движения СОЖ. Клиновой полуоткрытый насадок с турбулизирующей по верхностью (рифлениями) (рис. 45, в) имеет в 1,25 раза большую площадь кон такта с СОЖ, чем насадок только с клиновой полостью.

Рис. 45. Конст руктивное исполне ние полости акусти ческого усилителя (насадка): а – кумуля тивная симметричная;

б – клиновая;

в – тур булизирующая кли новая;

г – кумулятив ная асимметричная;

д – турбулизирующая кумулятивная асим метричная ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Турбулизация динамически активного потока жидкости, выходящего из насадка, способствует гидроочистке торцев круга от шлифовального шлама и усиливает кавитацию. Насадок, показанный на рис. 45, г, обладает преимуще ствами насадков по рис. 45, а и б и имеет кумулятивную асимметричную фор му. Кумулятивный асимметричный насадок по рис. 45, д имеет дополнительно турбулизирующую поверхность и обладает теми же преимуществами, что и на садок по рис. 45, в.

При проведении исследований модельные заготовки близкие по форме к кулаку шарнира автомобиля ГАЗ-66 из стали 40Х HRC 28...32 обрабатывали кругом 24А40НС17К26, заправленным алмазным роликом для совмещенного (торцекруглого) шлифования (рис. 46). Со вмещенное шлифование выбрано в связи с тем, что в этом случае из-за трудностей попадания СОЖ в контактные зоны парамет ры качества шлифованных поверхностей (прижоги, микротрещины и др.) наиболее чувствительны к изменениям теплосиловой напряженности процесса обработки. Элемен ты режима шлифования выбирали по норма тивам АО «ГАЗ» (Н. Новгород): рабочая ско Рис. 46. Схема торцекруглого рость шлифовального круга Vк= 50 м/с, ок шлифования ружная скорость заготовки Vз = 50 м/мин, скорость врезной подачи Vt = 0,35 мм/мин (подача на цилиндр заготовки Vtц = 0,345, на торец – Vtт = 0,055 мм/мин);

снимаемый с цилиндрической части припуск Zц = 0,8 мм, с торца – Zт = 0,05 мм. В качестве СОЖ использовали 3 %-ю эмульсию Укринол-1М, которую подавали через полуоткрытый насадок и поливом одновременно с общим расходом Qс = 40 дм3/мин (соответственно 10 и 30 дм3/мин). УЗК создавал УЗ генератор УЗУ-0,25. В качестве базы для сравнения использовали подачу СОЖ одновременно поливом и гидроаэроди намическим способом [35].

Установлено, что эффективность совмещенного шлифования существен но зависит от конструктивных параметров насадков для подачи СОЖ [38]. Наи больший период стойкости круга обеспечивают насадки, выполненные по рис.

45, в и д. Использование таких насадков позволяет по сравнению с подачей СОЖ одновременно гидроаэродинамическим способом и поливом [35] повы сить период стойкости круга с 5,5 до 29,4 мин (рис. 47). Наименьшая мощность необходима на шлифование с насадками с кумулятивной асимметричной внут ренней полостью (рис. 48). Через 5,5 мин после начала шлифования значение KN при использовании этих насадков были ниже, чем при подаче СОЖ одно временно поливом и гидроаэродинамическим способом на 40 – 42 %.

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Рис. 47. Период стойкости шлифовально го круга с при совмещенном шлифовании заго товок из стали 40Х, HRC 28...32 с подачей СОЖ: 1 – поливом и гидроаэродинамическим способом одновременно;

через клиновой торцо вый насадок без наложения УЗК (2), кумуля тивный (3), клиновой (4), клиновой с рифле ниями (5), кумулятивный асимметричный (6), кумулятивный асимметричный с рифлениями (7) с наложением УЗК. Круг 24А40НС17К26 1 – 60030563;

Vк = 50 м/с, Vз = 50 м/мин;

Vt = 0, мм/мин;

Zц = 0,8 мм;

Zт = 0,05 мм;

3 %-я эмуль сия Укринол-1М (суммарный расход дм3/мин) Рис. 48. Влияние формы насадка для подачи СОЖ на удельную мощ ность шлифования КN: ус ловия экспериментов и обо значения см. в подписи к рис. с Клиновой и кумулятивный симметричный насадки обеспечивают мень шую технологическую эффективность СОЖ по сравнению с насадками по рис.

45, в, г и д, однако и в этом случае KN меньше, чем при подаче СОЖ гидроаэро динамическим способом и поливом, а также через клиновой полуоткрытый на садок без наложения УЗК. Использование кумулятивных асимметричных на садков способствует снижению темпа засаливания и затупления рабочей по верхности круга, обрабатывающей торец заготовки. Более развитый рельеф круга на этом участке приводит к формированию относительно больших значе ний высотных параметров шероховатости (рис. 49). Сохранение высокой ре жущей способности шлифовального круга и менее интенсивное искажение его исходного профиля в процессе шлифования заготовки при подаче СОЖ через клиновые насадки с рифлениями, кумулятивный асимметричный и кумулятив ный асимметричный с рифлениями обеспечивают более стабильные значения параметров шероховатости поверхности (по Ra) цилиндрической шейки (см.

рис. 49). При шлифовании с использованием насадков по рис. 45, д разброс зна чений Ra в партии обработанных заготовок составляет около 5 %, в то время как при шлифовании с кумулятивным симметричным и клиновым – соответст венно 20 и 25 %.


ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Таким образом, наибольшую эффек тивность совмещен ного шлифования обеспечивают насадки по рис. 45, в, г и д, способствующие об разованию гидроди- Ra намического клина с избыточным давлени ем и рациональному использованию энер гии УЗ поля, что обес- с печивает интенсив- Рис. 49. Влияние формы насадка для подачи СОЖ ную пропитку поро- на среднее арифметическое отклонение профиля шлифо ванной поверхности заготовки: 1–7 – цилиндрические по вого пространства верхности;

1–7 – торцовые поверхности;

1–1 – подача круга, а следователь СОЖ поливом и гидроаэродинамическим способом одно но, увеличение расхо- временно;

подача СОЖ через: 2–2 – клиновой торцевой да СОЖ через кон- насадок без наложения УЗК;

3–3 – кумулятивный насадок;

тактные зоны шлифо- 4–4 – клиновой с наложением УЗК;

5–5 – клиновой с риф лениями и с наложением УЗК;

7–7 – кумулятивный асим вания и правки. Тур метричный с рифлениями и с наложением УЗК. Условия булизация потока экспериментов см. в подписи к рис. СОЖ в зазоре между торцом круга и насадком и увеличение площади контакта УЗ насадка с СОЖ, как следует из результатов исследований, приводит к увеличению расхода жид кости сквозь поры круга, о чем свидетельствует большая эффективность клино вого и кумулятивного асимметричного насадков с рифлениями по сравнению с насадками без рифлений.

Выполненные исследования позволили выявить возможности фокуси рующих систем для повышения эффективности УЗ техники подачи СОЖ при шлифовании, что было предсказано аналитическими исследованиями парагра фа 4.2.

4.3.4. Влияние амплитуды и частоты ультразвукового сигнала на эффективность шлифования заготовок Известны утверждения, что причиной увеличения скорости движения и высоты подъема жидкости по вертикальным капиллярным каналам при нало жении УЗК является кавитация [88]. Так как поровое пространство шлифоваль Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ного круга имеет весьма развитую сеть капиллярных каналов различных разме ров и направлений, с учетом результатов наших исследований можно предпо ложить что, несмотря на отличие вектора направленности УЗК и направления движения жидкости по каналам, увеличение скорости пропитки и расхода СОЖ сквозь поровое пространство круга к контактным зонам, а вследствие этого и повышение эффективности правки и шлифования, вызвано и кавитационным действием.

Количественно момент возникновения кавитации и степень ее развития характеризуются числом кавитации [88] P Pн Кк = 0, (108) Pa где Р0 и Рн – соответственно гидростатическое давление и давление насыщен ного пара, Па;

Ра – амплитуда звукового давления, Па.

Учитывая взаимосвязь между амплитудой механических колебаний торца УЗ насадка Ап и давлением Ра [77], можно предположить, что эффективность правки и шлифования также зависит от величины Ап.

Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты. Так известно, что с ростом частоты УЗК увеличивается роль микропотоков, но уменьшается кавитационная эрозия [77].

Какой из этих эффектов оказывает влияние на пропитку круга, а следовательно, на эффективность правки и шлифования, можно установить лишь эксперимен тально.

Для проверки влияния амплитуды и частоты УЗК на эффективность шлифования были проведены специальные исследования [29, 41]. С подачей Vt = 0,35 мм/мин шлифовали заготовки деталей типа «кулак поворотный» (см.

рис. 46) из стали 40Х, HRC 28...32. Цикл шлифования завершался выхаживани ем в течение 5 с. Шлифовальный круг 24А16НС17К26 1 – 60063305 правили с продольной подачей Vs = 0,25 м/мин по двум поверхностям алмазным каран дашом С3 за 3 прохода глубиной 0,03 мм. Условия шлифования и правки выби рали в соответствии с рекомендациями [25]. В качестве СОЖ использовали 3 %-ю эмульсию Укринол-1 и подавали ее с суммарным расходом (поливом и через полуоткрытый клиновой насадок с торца круга) 40 дм3/мин. Источником УЗК служил УЗ генератор УЗГ-10 с магнитострикционным преобразователем ПМС-15, позволяющий плавно изменять частоту и амплитуду колебаний. Па раметры УЗК (частоту fr и амплитуду Ап) контролировали с помощью виброиз мерительного прибора голландской фирмы «Брюль и Кьер» с пьезоэлектриче ским датчиком 4339.

Результаты исследований, представленные на рис. 50, 51, показывают, что из числа исследованных параметров УЗК наибольшее влияние на период стойкости круга и шероховатость шлифованных поверхностей оказывает ам ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– плитуда колебаний. Наибольшее значение c по критерию появления видимых следов дробления на прошлифованных цилиндрических поверхностях зафикси ровано при Ап = (9 – 12,5) мкм, по появлению прижогов на торце – при Ап = 12,5 мкм (см. рис. 50). Таким образом, увеличение Ап свыше 9 мкм не дает существенного прироста периода стойкости по видимым следам дробления, од нако способствует увеличению числа деталей, прошлифованных без прижогов.

Полученные результаты объяс няются тем, что а.з.

круга, контакти рующие с торцовой поверхностью заго Ra товки, работают в крайне стесненных условиях по срав нению с зернами, контактирующими с цилиндрической поверхностью. В первом случае про- Рис. 50. Зависимость периода стойкости шлифоваль ного круга с (1, 2) и среднего арифметического отклонения цесс обработки ха профиля Ra (3, 4) от амплитуды колебаний УЗ насадка при рактеризуется совмещенном шлифовании: 1 – период стойкости по види большей теплоси мым следам дроблений на цилиндрической части заготовки;

ловой напряженно- 2 – период стойкости по прижогам на торце;

3, 4 – соответст стью, и увеличение венно цилиндрическая и торцовая поверхности заготовки.

периода стойкости Условия шлифования см. в подписи к рис. напрямую связано с увеличением расхода СОЖ, транспортируемой в зону обработки.

Рис. 51. Зависимость периода стойкости шлифо вального круга c (1, 2) и Ra среднего арифметического отклонения профиля Ra (3, 4) от частоты УЗК: 1 – 4 см. под пись к рис. 50. Условия шлифования см. в подписи к рис. Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Увеличение амплитуды колебаний УЗ насадка интенсифицирует процесс прохождения СОЖ сквозь поры круга и приводит к увеличению расхода ее че рез зону шлифования, что, в свою очередь обуславливает увеличение периода стойкости круга, определяемого по прижогам на торцовой поверхности заго товки. Во втором случае увеличение амплитуды УЗК и связанное с этим увели чение расхода СОЖ через зону шлифования имеют для условий проведения экспериментов оптимум при Ап = 9 мкм и дальнейшее увеличение Ап не приво дит к увеличению периода стойкости.

Параметр Ra шероховатости цилиндрической шейки шлифованной дета ли имеет наименьшее значение при УЗК с амплитудой Ап = 5 мкм и пропорцио нально увеличивается с дальнейшим увеличением амплитуды до 12,5 мкм. На торцовой поверхности, шлифованной с использованием УЗК малых амплитуд (Ап = 5 – 6 мкм), значения параметра Rа в 1,4 раза больше, чем при Ап = (9 –12,5) мкм. По-видимому, объяснение этих фактов связано прежде всего с существенно различными условиями работы а.з. при шлифовании цилиндри ческих и торцовых поверхностей заготовки не только из-за различного количе ства попадающей в контакт СОЖ, но и с разницей в абсолютных значениях ско ростей врезной подачи, а следовательно, и в глубинах внедрения отдельных а.з.

при шлифовании. В систему кинематики совмещенного шлифования (см. рис.

46), с торцовой поверхности с подачей Vtт = 0,055 мм/мин снимали припуск Zт = 0,05 мм. За это же время с цилиндрической поверхности заготовки с пода чей Vtц = 0,345 мм/мин снимали припуск Zц = 0,8 мм. Увеличение амплитуды УЗК при шлифовании цилиндрической поверхности приводит не только к уве личению расхода СОЖ через зону шлифования, но и к увеличению режущей способности круга вследствие увеличения развитости микропрофиля а.з. благо даря усилению кавитационных эффектов. Можно предположить, что при шли фовании торцовых поверхностей это не происходит, так как с увеличением Ап и пропорциональном увеличении расхода СОЖ из-за малых удельных нагрузок на а.з. процесс формирования их микропрофиля протекает менее интенсивно, чем при шлифовании цилиндрических поверхностей. При этом а.з. работают в условиях частичного затупления, что приводит к уменьшению значений высот ных параметров шероховатости шлифованных поверхностей. Эти результаты находят подтверждение и в работах других исследователей [105, 107].

Изменение частоты УЗК fr (см. рис. 51) в диапазоне 18,6 – 32,5 кГц прак тически не оказывает влияния на период стойкости круга и шероховатости шлифованных цилиндрических и торцовых поверхностей заготовок.

Полученные результаты подтверждают правильность сделанных предпо ложений: повышение эффективности шлифования с увеличением амплитуды УЗК, вероятно, связано с интенсификацией движения СОЖ сквозь поровое пространство круга за счет кавитационных явлений. Известно, что наиболее ин ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– тенсивная кавитация при малых значениях амплитуды колебаний (до 10 мкм) происходит при частотах колебаний от 18 до 19 кГц [16]. Возрастание частоты УЗК сверх этих значений не только не приводит к увеличению, но, по некото рым данным, наоборот, уменьшает кавитацию [88].

Однако, при этом, как упо миналось выше, увеличивается роль микропотоков в жидкости. По-видимому, их действия при фильтрации СОЖ сквозь поры шлифовального круга взаимно противоположны, но примерно одинаковы по эффективности. Вследствие это го, с увеличением fr эффективность шлифования не уменьшается. Этот вывод важен для проектирования новых УЗ генераторов, ввиду того, что имеются ре комендации о целесообразности перехода на УЗ частоты минимального диапа зона fr = 42 – 50 кГц при разработке новой бытовой техники [62]. Хотя эти ре комендации и не распространяются на УЗ технику, используемую в промыш ленности, однако, с целью повышения безопасности труда выполнение реко мендаций желательно.

4.4. Выводы 1. Аналитически установлено и подтверждено экспериментально, что распространение интенсивных УЗ волн в поровом пространстве шлифовально го круга сопровождается рядом эффектов, интенсивность которых зависит от амплитуды волны. Из-за поглощения энергии акустического поля твердыми стенками поровых каналов круга уменьшается эффективность действия УЗК с увеличением расстояния от источника колебаний и угла между векторами на правленности УЗ волн и продольной осью капиллярных каналов в круге.

Показана недопустимость линеаризации уравнений гидродинамики и уравнений состояния при рассмотрении процессов фильтрации СОЖ сквозь по ровое пространство круга в УЗ поле.

2. Получены регрессионные зависимости высоты подъема СОЖ различ ных составов в капиллярах от мощности выходного УЗ сигнала и угла между векторами направленности колебаний и осью капиллярных каналов, зависимо сти составляющих сил шлифования от угла наклона клинового полуоткрытого насадка к торцу круга, подтверждающие нелинейный характер взаимосвязи УЗК и эффективности процесса шлифования.

3. Аналитически обоснована и подтверждена экспериментально целесо образность использования в УЗ технике подачи СОЖ выходного сигнала сину соидальной формы. Показано, что эффективность действия УЗК может быть существенно увеличена с помощью фокусирующей системы, а также путем оп тимизации формы внутренней полости торцевого насадка.

4. Аналитически и экспериментально доказано влияние амплитуды УЗК на технологическую эффективность УЗ техники подачи СОЖ при правке круга и шлифовании заготовок.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Глава 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ ПРИ ШЛИФОВАНИИ И ПРАВКЕ АБРАЗИВНЫХ КРУГОВ 5.1. Исследование влияния модуляции ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования с гидроочисткой рабочих поверхностей кругов из сверхтвердых материалов Эффективность процесса шлифования определяется, главным образом, состоянием режущего контура абразивного круга. Одной из основных причин потери режущей способности абразивных кругов является засаливание их ра бочих поверхностей. Общеизвестно, что радикальным средством предотвраще ния засаливания является гидроочистка межзеренного пространства СОЖ, по даваемой под высоким давлением и с большим расходом к зоне шлифования и вне ее на рабочую поверхность круга [79, 100]. Однако, наметившаяся в по следнее время тенденция к сокращению объема потребления СОЖ на операци ях механической обработки [33], заставляет искать новые средства воздействия на круг с целью сохранения его режущей способности. К числу таких средств, на наш взгляд, следует отнести новую малоэнергоемкую УЗ очистку рабочих поверхностей круга модулированными акустическими полями [65, 66]. Извест но, что акустическая кавитация возникает при достаточно широком спектре частот колебаний [7, 13, 95], но исследования, посвященные изучению влияния частоты и амплитуды УЗК на эффективность гидроочистки рабочих поверхно стей абразивных кругов, носят фрагментарный характер: частота и амплитуда варьировались в узком диапазоне или не варьировались совсем [1, 45]. Какие либо работы, направленные на оптимизацию формы колебаний, проведены не были. В большинстве проведенных экспериментов использовались УЗК сину соидальной формы.

Рассмотрим процесс изменения в СОЖ размеров кавитационного пузырь ка, заполненного газом, предполагая, что: жидкость несжимаема, УЗ поле имеет синусоидальное распределение звукового давления в непосредственной близо сти от поверхности пузырька, а максимальный диаметр пузырька меньше дли ны волны.

В работе [19] получены уравнения, описывающие изменение размеров пузырька:

2 0 R 3 2 R R 2 R p sin р t p0 + p0 + = 4 ж + 3 ж R + 2 ж R t 2 ;

(109) R0 R t ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ( ) ( ) 2 R 3 2 R0 p + 0 ln 2 R 2 R0 0 + R 3 R 2 R R 0 (110) R ( ) p sin р t p0 = ж R 3.

t где р0 – гидростатическое давление жидкости, Па;

R0, R – соответственно на чальный и текущий радиус пузырька, м;

р – амплитуда звукового давления, Па;

0 – поверхностное натяжение жидкости, Н/м;

ж – плотность СОЖ, кг/м3;

– резонансная частота, рад/с.

Собственная (резонансная) частота колебаний пузырька может быть оп ределена по формуле [19] 1 3 ( p0 + 2 0 R0 ) р =, (111) ж R где – постоянная, характеризующая свойства среды (для газов = Сp/Cv – от ношение теплоемкостей при постоянном давлении и объеме, см. также табл.

14).

Таким образом, если начальный размер пузырька R0 меньше резонансно го, пузырек под действием отрицательного давления сначала растет, затем, при положительном давлении начинает захлопываться. Пузырьки, размер которых больше резонансного, под действием зву- P, атм ковой волны совершают колебательные движения, не захлопываясь (рис. 52).

Из этого следуют выводы:

1. При определении значения фикси- R, 1 рованной частоты УЗК существует верхнее мкм 1, предельное значение начального размера пузырьков, способных расширяться, т. е. 1, кавитировать.

0, 2. Способны кавитировать лишь те пузырьки, размер которых меньше резо 0,3, мкс 0 0,1 0, нансных.

Рис. 52. Изменение размеров Необходимо отметить, что при ис- кавитационных пузырьков в СОЖ пользовании УЗ техники подачи жидкость при модуляции УЗК: 1 – начальный размер пузырька меньше резонанс неизбежно насыщается воздухом из-за ра ного;

2 – начальный размер больше боты насоса. Это позволяет предположить, резонансного. 1 = 3107 Гц;

что в озвучиваемой СОЖ существуют пу- 2 = 9107 Гц;

р0 = 105 Н/см2 [19] зырьки радиусом до 1 мм. Следовательно, Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– если амплитуда звукового давления незначительно превышает порог кавита ции, не все газовые пузырьки, размер которых меньше резонансных, способны кавитировать.

Минимальный размер R0min пузырька, способного кавитировать при за данной амплитуде звукового давления, может быть определен из условия раз рыва жидкости, при котором [19] 8 Р Р0. (112) 3 3R0 min (Р0 + 2 0 R0 min ) Максимальный размер R0max пузырька, способного кавитировать, может быть определен из условия резонанса:

ж ( р R0 max )2 = 3 (Р0 + 2 0 R0 max ). (113) Таким образом, в кавитацию вовлекаются пузырьки, размеры которых удовлетворяют условию R0 max R R0 min, (114) где R0min определяется амплитудой звукового давления, а R0max – частотой коле баний. Из условия (114) следует, что при некоторых соотношениях частоты и амплитуды звукового давления может оказаться, что R0 max R0 min и тогда кави тация не возникает при любых значениях R0 и амплитуд звукового давления.

С другой стороны, при больших амплитудах звукового давления скорость роста и максимальный радиус пузырьков могут оказаться такими, что в фазе положительного давления они не успевают захлопнуться. Очевидно, для того, чтобы обеспечить кавитацию пузырьков, имеющих различные начальные раз меры R0, следует расширить как спектр частот колебаний насадка, так и диапа зон амплитуд звукового давления. На практике это можно осуществить, накла дывая на насадок модулированные по частоте, амплитуде или фазе колебания.

Модулированные колебания – это колебания с относительно медленным изменением амплитуды, частоты или фазы, таким чтобы за период колебаний модулируемый параметр изменялся незначительно. При модуляции амплитуды синусоидальным сигналом уравнение, описывающее модулированное колеба ние имеет вид X = A0 (1 + m sin ) sin( + ), (115) где A0 – амплитуда исходного колебания параметра, м;

= 2f r, Гц;

– на чальная фаза исходного колебания, рад;

– частота модулирующих колебаний, рад/с;

m – глубина модуляции, характеризующая степень изменения амплиту ды:

A Amin m = max, (116) Amax + Amin где Amax и Amin – максимальное и минимальное значения амплитуды, м.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Амплитудно-модулирован- А ное колебание с синусоидальной Аmax модуляцией представляет собой сумму трех гармонических коле- Аmin баний с частотами, ( + ) и ( ) (рис. 53). Колебание час тотой называется несущим;

его амплитуда равна амплитуде A0 Рис. 53. Осциллограмма амплитудно-моду исходного колебания. Две другие лированного сигнала частоты называются боковыми, амплитуда каждого из этих колебаний равна mA0 / 2.

Присутствие в спектре амплитудно-модулированного сигнала гармониче ских колебаний с частотой ( ) способствует вовлечению в процесс кавита ции более крупных пузырьков, чем в случае использования немодулированного сигнала частотой.

Учитывая, что отношение должно быть не менее 10 %, применение амплитудно-модулированных колебаний приводит к кавитации пузырьков, размеры которых незначительно превышают максимальный размер, соответст вующий частоте несущих колебаний.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 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.