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 | 3 || 5 | 6 |

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

-- [ Страница 4 ] --

Если в качестве несущих выступают колебания частотой 18,6 кГц, в каче стве модулирующего – сигнал с частотой 1 кГц, то меньшая боковая частота составляет 17,6 кГц, т. е. отличается от частоты несущих колебаний всего на 5 %.

Поскольку амплитудная модуляция связана с постоянным изменением амплитуды звукового давления и наличием трех гармонических колебаний с разными частотами, вероятность того, что R0 max R0 min может быть значительно уменьшена.

При частотной модуляции модулирующий сигнал вызывает изменения мгновенных значений частоты, не влияя на амплитуду колебаний. При модуля ции синусоидальным сигналом частота колебаний меняется по закону = н + cos( ), (117) где н – несущая частота, рад/с;

cos ( ) – определяет форму модулирующего сигнала;

– девиация частоты, представляющая собой амплитуду отклонения частоты от несущей частоты.

Полоса частот частотно-модулированного колебания зависит от величины =, которая называется индексом частотной модуляции. При 1 справедливо приближенное соотношение X = A0 [sin( ) + sin( ) cos( )]. (118) Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– В этом случае частотно-модулированные колебания, так же, как и ампли тудно-модулированные, состоят из нескольких гармонических составляющих:

несущего колебания с частотой и двух спутников с частотами ( + ) и ( – ). Таким образом, при малых полосы частот, занимаемые амплитудно модулированными и частотно-модулированными колебаниями одинаковы.

При больших спектр боковых частот значительно расширяется. Кроме колебаний частоты ( ± ), появляются и другие колебания, частоты которых равны ( ± 2) и т. д.

Полную ширину полосы частот, занимаемую частотно-модулированным колебанием с девиацией и частотной модуляцией, можно считать равной (2 + 2). Эта полоса шире, чем при амплитудной модуляции колебаний.

Широкий спектр частот, занимаемый частотно-модулированным колеба нием, очевидно, может способствовать и значительному расширению диапазо на размеров пузырьков, способных кавитировать. Так, присутствие в этом спек тре колебаний с минимальной частотой, как было показано выше, может вы звать кавитацию пузырьков, имеющих достаточно большие размеры. В то же время звуковое давление пропорционально колебательной скорости частиц, а та, в свою очередь, – частоте колебаний и амплитуде колебательного смещения частиц. Поэтому наличие в спектре колебаний с максимальной частотой долж но способствовать вовлечению в процесс кавитации пузырьков, имеющих весьма малые размеры.

Таким образом, применение модулированных колебаний должно привес ти к значительному увеличению диапазона размеров пузырьков, способных ка витировать.

Максимальная эффективность от использования частотно-модулирован ных колебаний может быть достигнута, если основная резонансная частота пре образователя будет совпадать с максимальной (верхней) боковой частотой. Это означает увеличение амплитуды звукового давления с максимальными час тотами, что, в свою очередь, должно привести к вовлечению в процесс кавита ции еще более мелких пузырьков. Устройство для УЗ очистки рабочей поверх ности абразивных кругов из сверхтвердых материалов представлено на рис. 54.

Устройство состоит из пьезоэлектрического преобразователя 1, УЗ генератора ТЕХМА-3М, волновода-насадка 3 для подачи СОЖ. Жидкость подается от электронасоса ПА-22, производительностью не более 22 дм3/мин, в трубопро вод 4 и выбрасывается на рабочую поверхность абразивного круга, где под дей ствием УЗК вовлекается в интенсивную кавитацию, очищая а.з. от налипов и отходов шлифования и предотвращая засаливание и износ режущих кромок.

Учитывая, что линейный износ абразивных кругов характеризуется очень ма лыми величинами, зазор между насадком 3 и кругом 5 сохраняется в течение всего периода эксплуатации абразивного инструмента постоянным в пределах 0,1 – 0,2 мм.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– СОЖ Рис. 54. Устройство для гидроочистки ра- бочей поверхности круга из сверхтвердых мате риалов: 1 – пьезоэлектрический преобразова тель;

2 – УЗ генератор;

3 – волновод-насадок для подачи СОЖ;

4 – трубопровод;

5 – абразивный круг;

6 – кожух С целью определения области рационального применения УЗ очистки аб разивных кругов из сверхтвердых материалов и оптимизации режимов обра ботки были проведены экспериментальные исследования при плоском маятни ковом шлифовании заготовок из высокопрочного титанового сплава ВТ22, кор розионностойкой стали 14Х16Н6 и жаропрочного сплава ЖС-6.

На первом этапе эффективность УЗ очистки оценивали по составляющим силы шлифования Рz и Ру. Рабочая скорость круга 1А – 1 ЛО1251100СТ1К составляла 35 м/с, скорость продольной подачи стола – 8 м/мин, скорость врезной подачи – 0,01мм/дв. ход. СОЖ Синхо-6 (3 %) пода вали поливом, либо одновременно поливом и на рабочую поверхность круга через клиновой полуоткрытый насадок с наложением на него УЗК (в том числе амплитудно-модулированных) с общим расходом не более 15 дм3/мин. Для полной оценки эффективности процесса шлифования, кроме составляющих си лы резания, контролировали параметр шероховатости обработанной поверхно сти заготовки Ra, мкм, и износ абразивного круга. При проведении исследова ний использовали многофакторное планирование.

При шлифовании заготовок из сплава ВТ22 с подачей СОЖ поливом че рез 16 минут составляющие силы шлифования Ру и Рz увеличивались на 40 – 60 %, при гидроочистке рабочей поверхности круга (без УЗК) – на 30 и 40 % соответственно (рис. 55).

Гидроочистка с наложением на насадок УЗК частотой 18,6 кГц (глубина модуляции – нуль) способствует не только стабилизации составляющих Ру и Рz силы шлифования по мере увеличения наработки круга (силы Ру и Рz увеличи лись в меньшей степени – на 20 и 25 %), но и снижению их непосредственно после правки круга, когда он не засален. Это объясняется созданием более прочных смазочных пленок на рабочей поверхности круга, уменьшающих ин тенсивность адгезионного взаимодействия с заготовкой, в результате чего сни жается коэффициент трения и интенсивность засаливания круга, а также более эффективной очисткой его рабочей поверхности от налипов металла и отходов шлифования.

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 105 Н Н 95 1 Ру 85 Рz 2 75 3 65 мин мин 0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 c c а) б) Рис. 55. Зависимость радиальной Ру (а) и касательной Рz (б) составляющих силы шлифования от метода воздействия на рабочую поверхность круга: 1 – подача СОЖ поли вом;

2 – гидроочистка рабочей поверхности круга;

3 – то же с использованием УЗК частотой 18,6 кГц Изменение глубины модуляции т от 0 (кривая 1, рис. 56) до 90 % (кривая 4) существенным образом влияет на изменение составляющих силы шлифова ния Ру и Рz. Как следует из анализа полученных результатов, оптимальным зна чением глубины модуляции для шлифования заготовок с УЗ гидроочисткой эльборового круга следует считать 60 % (рис. 56). По видимому, при этом зна чении т достигается наибольшая степень очистки рабочей поверхности круга от налипов и отходов шлифования.

110 5 Н Н 90 2 1 Ру Рz 70 3 50 мин мин 0 3 6 9 12 15 0 3 6 9 12 а) б) Рис. 56. Зависимость радиальной Ру (а) и касательной Рz (б) составляющих силы шлифования от времени шлифования и способа подачи СОЖ: 1, …, 4 – подача СОЖ поли вом и гидроочистка рабочей поверхности круга с УЗК с глубиной модуляции т = 0, 30, 60, 90 %;

5 – подача СОЖ поливом. Материал заготовок ВТ Аналогичные результаты получены при эльборовом шлифовании загото вок из коррозионностойкой стали 14Х16Н6.

На втором этапе исследований сравнительную эффективность различных методов УЗ очистки определяли по контактной температуре в зоне шлифова ния, оцениваемой методом полуискусственной термопары при обработке заго товок из сплавов ВТ22, ЖС6 и коррозионностойкой стали 14Х16Н6 с использо ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ванием эльборовых кругов трех различных характеристик. Кроме того, состоя ние режущего профиля абразивных кругов оценивали косвенным методом – по среднему арифметическому отклонению профиля Ra шлифованных поверхно стей заготовок. Некоторые результаты данных исследований представлены на рис. 57 – 59.

1000 800 К К 800 К 600 Т Т 400 Т 200 123 123 123 123 123 123 123 123 0 0 14Х16Н 14Х16Н 14Х16Н ВТ ВТ ВТ ЖС ЖС ЖС а) б) в) Рис. 57. Влияние различной техники гидроочистки рабочей поверхности круга ЛС125/100%СТ1К (а), ЛО5 125/100%Б1В1 (б) и ЛКП 125/100%С1К (в) на контактную тем пературу Т: 1, 2, 3 – соответственно полив и гидроочистка без УЗК, то же с УЗК, то же с ам плитудно-модулированными УЗК К 700 Рис. 58. Зависимость контактной тем 650 пературы Т в зоне шлифования от времени 1 шлифования и способа подачи СОЖ: 1, …, Т 4 – подача СОЖ поливом и гидроочистка ра 550 бочей поверхности круга с УЗК с глубиной 3 модуляции т = 0, 30, 60, 90 %;

5 – подача СОЖ поливом. Материал заготовок ВТ мин 0 3 6 9 12 с 1,0 1,0 1, 1, мкм мкм мкм 0,8 0, 0, 0,6 0, Ra 0, Ra 0,4 Ra 0, 0, 0,2 0,2 0, 123 123 123 123 123 123 123 0,0 0,0 0, 14Х16Н 14Х16Н 14Х16Н ВТ ВТ ВТ ЖС ЖС ЖС а) б) в) Рис. 59. Влияние различной техники гидроочистки рабочей поверхности круга ЛС125/100%СТ1К (а), ЛО5 125/100%Б1В1 (б) и ЛКП 125/100%С1К (в) на среднее арифме тическое отклонение профиля шлифованных поверхностей Ra: 1, 2, 3 – соответственно по лив и гидроочистка без УЗК, то же с УЗК, то же с амплитудно-модулированными УЗК Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Анализ результатов исследований (см. рис. 57) показывает, что введение в зону кавитации УЗК способствует уменьшению контактной температуры в зоне шлифования от 70 до 200 К (в зависимости от теплофизических свойств шлифуемых материалов и характеристик абразивных кругов).

Учитывая, что изменения контактных температур в указанных диапазо нах происходят в зоне температур структурно-фазовых превращений данных материалов, можно не сомневаться в их существенном влиянии на качество по верхностного слоя шлифованных деталей.

Как и при анализе результатов исследований с замером составляющих силы шлифования, изменение глубины амплитудной модуляции оказывает су щественное влияние на контактную температуру в зоне шлифования. Опти мальным значением т является 60 %. В сравнении с т = 0 использование УЗ очистки с 60 %-й модуляцией позволяет на 15 – 20 % уменьшить контактную температуру в течение всего времени шлифования. Дальнейшее увеличение т до 90 % приводит к увеличению Т (см. рис. 58).

Уменьшение контактной температуры и сил резания при использовании УЗ гидроочистки рабочих поверхностей абразивных кругов из сверхтвердых материалов является одновременно косвенным свидетельством повышения их режущей способности. Более очевидно это следует из анализа результатов ис следований, представленных на рис. 59: с увеличением интенсивности кавита ции СОЖ в зоне шлифования режущая способность абразивных кругов сохра няется в течение большего времени, о чем свидетельствуют большие значения параметра Ra, характеризующего микропрофиль шлифованной поверхности.

Предпочтительной областью использования УЗ техники подачи СОЖ для гид роочистки с амплитудной модуляцией сигнала являются операции чистового шлифования, когда на первый план (в отличие от отделочного шлифования) выступает обеспечение высокой режущей способности абразивного круга. Гид роочистка обеспечивает возможность использования при чистовом шлифова нии мелкозернистых алмазных и эльборовых кругов, себестоимость которых в 1,5 – 5 раз меньше, чем у кругов, которые традиционно работают на данных операциях.

5.2. Исследование гидродинамики СОЖ при фильтрации сквозь поры абразивного круга с наложением модулированных ультразвуковых колебаний Одним из путей проникновения СОЖ в контактные зоны при шлифова нии и правке является ее движение сквозь поровое пространство кругов на ке рамической или вулканитовой связке, полученной методом прессования [22, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 106]. Подача СОЖ сквозь поры круга через центральное отверстие или через клиновые полуоткрытые насадки, расположенные у его торцев [30, 34, 36, 38, 39, 43, 63], приводит к заполнению порового пространства жидкостью. В ре зультате замены воздуха жидкостью изменяются теплофизические характери стики круга в целом и тепловой баланс процессов правки и шлифования. Абра зивный круг вместе с жидкостью представляет собой сложную гетерогенную термодинамическую систему.

На фильтрацию сквозь пористые абразивные круги оказывают влияние силы взаимодействия жидкости и развитых поверхностей порового пространст ва абразивного инструмента, силы взаимодействия между жидкостью и возду хом с ее парами и силы воздействия внешних полей (сила гравитации, центро бежная сила, давление СОЖ во внутренней полости круга и др.).

Возникновение первых двух сил проявляется в результате различных мо лекулярных связей. Так, ван-дер-ваальсовы силы проявляются во всех агрегат ных состояниях контактирующих объектов. Силы межмолекулярного взаимо действия имеют электрическое происхождение. Различают силы когезии, соот ветствующие явлению сцепления однородных молекул, и силы адгезии, соот ветствующие явлению сцепления между разнородными молекулами. Силы ад гезии могут как превосходить, так и уступать силам когезии. Последнее зависит от состояния ПАВ и его химического состава из пары взаимодействующих объ ектов. Чем меньше работа когезии жидкости и ее поверхностное натяжение, а также чем больше работа адгезии жидкости к твердому телу, тем лучше жид кость смачивает поверхность твердого тела и наоборот. Степень смачиваемости твердого абразивного круга жидкостью, или степень гидрофильности поверх ности его порового пространства, зависит от полярности молекул твердого тела (а.з., связки).

На поверхности раздела жидкости и твердого тела могут происходить процессы адсорбции и десорбции. Различают физическую (ван-дер-ваальсову) адсорбцию и химическую – хемосорбцию. Физическая адсорбция является об ратимой и вызывается силами, имеющими электрическую природу (взаимодей ствие молекул с индуцированными и постоянными диполями, между неполяр ными молекулами). Хемосорбция необратима и вызывается химическими си лами (ионные, ковалентные и координационные связи).

Природа внешних сил может быть разнообразной, однако при фильтра ции СОЖ сквозь поровое пространство вращающегося абразивного круга, в ос новном, центробежная.

Таким образом, СОЖ, заполняющая поры абразивного круга, находится в сложном взаимодействии с внутренними и внешними силовыми полями раз личной природы (гравитационными, электромагнитными, температурными, центробежными и др.). Степень подвижности и фильтрация СОЖ зависят от характера сил, действующих на круг с жидкостью, количества СОЖ, подводи Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– мой в поровое пространство круга, и физико-химических свойств СОЖ, а.з. и связки.

В процессе шлифования в зонах контактного взаимодействия происходит интенсивное испарение СОЖ. При традиционных способах ее подачи образует ся паровая заслонка, которая препятствует быстрому переходу избыточного те пла в основную массу жидкости. Пары СОЖ, как при ее подаче поливом, так и при транспортировании к контактным зонам сквозь поровое пространство, спо собны проникать во внутренние полости (каверны) круга и перемещаться от более нагретых участков к менее нагретым. Перемещение паров СОЖ в поро вом пространстве, в силу действия эффекта Томпсона, осуществляется от вы пуклых поверхностей внутренних полостей круга к вогнутым или плоским по верхностям. При этом происходит полная или частичная их конденсация, бла годаря чему движение жидкости переходит в свою другую категорию, напри мер, капиллярную. В равной степени возможен и обратный процесс.

Конденсация паров СОЖ, происходящая с изменением температуры, на зывается термической. При фильтрации СОЖ сквозь поры круга может быть и молекулярное взаимодействие паров СОЖ, когда молекулы пара адсорбируют ся в поровом пространстве на стенках внутренних полостей круга с образова нием адсорбированной СОЖ [106].

Адсорбция паров СОЖ определяется их относительной упругостью и за висит от удельной поверхности порового пространства круга, химического со става связки и а.з., размеров пор и теплового режима в зоне резания. В резуль тате электростатического притяжения между ионами твердого тела круга (а.з., связка) и дипольными молекулами СОЖ образуется однослойная сорбция мо лекул [106]. Ван-дер-ваальсовы силы поверхности твердого тела круга и элек тростатическое притяжение от дипольного строения самих молекул СОЖ яв ляются основой процесса многослойной сорбции. Дальнейшее увеличение сло ев адсорбированной СОЖ идет за счет капиллярной конденсации. Благодаря конденсации, СОЖ может полностью заполнить отдельные поры и находиться в состоянии связанной СОЖ. Это оказывает существенное влияние на теплофи зические свойства круга.

Связанная СОЖ по своим свойствам существенно отличается от СОЖ, находящейся в объемном состоянии. Ее плотность на 20 – 40 % выше плотно сти обычной жидкости [106]. В результате действия на молекулы СОЖ поверх ностных электрических зарядов а.з. и связки круга и ионов на поверхности раз дела твердой и жидкой фаз подвижность молекул связанной СОЖ уменьшается, что приводит к изменению физических свойств самой жидкости.

Слой молекул СОЖ, находящийся в непосредственной близости с по верхностями а.з. и связки, как правило, характеризуется особо прочными свя зями с твердым телом, которые носят характер химического взаимодействия.

Такую категорию СОЖ называют химически связанной. Слой различен по ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– толщине и зависит от формы шероховатых поверхностей а.з. и связки круга. На выпуклых участках этих поверхностей электромолекулярные силы значительно сильнее, поэтому здесь толщина слоя химически связанной СОЖ больше.

Учитывая, что в соответствии с эффектом Томпсона, молекулы жидкости должны перемещаться от выпуклых к вогнутым участкам шероховатых по верхностей а.з. и связки, то с учетом электромолекулярных сил вокруг каждого а.з. и по всей поверхности порового пространства круга устанавливается опре деленная толщина химически связанной СОЖ. Ее первый слой испытывает давление в несколько сотен мегапаскаль от действия электромолекулярных сил, что существенно изменяет свойства химически связанной СОЖ: увеличивается вдвое плотность и температура кипения, в 1,3 – 1,5 раза увеличивается тепло емкость, в ней не действуют законы гидростатики [8, 21]. Удалить такую СОЖ с поверхностей а.з. и связки можно только нагреванием.

За счет молекулярных сил сцепления между молекулами жидкости и а.з.

и связки и за счет ориентации дипольных молекул СОЖ, вокруг химически свя занной жидкости образуется слой физически связанной СОЖ. Физически свя занная жидкость удерживается у стенок а.з. и связки с существенно меньшей силой, чем химически связанная. Однако эта сила в несколько тысяч раз боль ше силы тяжести. Поэтому физически связанная СОЖ способна перемещаться под действием молекулярных сил независимо от действия силы тяжести, но это перемещение происходит с меньшей скоростью по сравнению с передвижением жидкости при ее капиллярном поднятии. Вследствие этого происходит увели чение сопротивления фильтрации ее сквозь поровое пространство круга. Физи чески связанная СОЖ имеет несколько повышенную вязкость по сравнению с обычной жидкостью.

В процессе насыщения порового пространства абразивного круга жид кость стягивается в местах контакта а.з. и заполняет углы пор. СОЖ в углах пор ограничена их стенками и поверхностью мениска, образующегося на опреде ленном расстоянии от вершины угла поры. Такие капельки СОЖ находятся в разобщенном состоянии, и перемещение жидкости между ними отсутствует.

При дальнейшем увеличении насыщения СОЖ поры круга заполняются жидко стью с образованием системы поровых каналов, по которым под действием ка пиллярного давления происходит перемещение СОЖ.

Высота поднятия жидкости по капиллярам шлифовального круга зависит от величины поверхностного натяжения СОЖ, ее плотности, смачиваемости, структурного строения круга, размеров его пор и др. [16, 46].

Если СОЖ полностью заполняет поровое пространство, то в крупных по рах не действуют капиллярные силы. Жидкость находится в свободном состоя нии и способна перемещаться под действием гравитационного поля (силы тя жести).

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Таким образом, в поровом пространстве абразивного круга СОЖ нахо дится в виде пара, адсорбированной физически и химически связанной, в ка пиллярном и гравитационном состоянии. При подаче СОЖ сквозь поры вра щающегося шлифовального круга она может перемещаться по поровым кана лам под действием гравитационных и капиллярных сил. При определенном зна чении центробежной силы часть физически связанной СОЖ под действием вибраций также может перемещаться по поровым каналам, однако ее большая часть, а также вся химически связанная СОЖ в виде адсорбционных пленок, проникает в точки непосредственного контакта а.з. с заготовкой и правящим инструментом.

Проводимость круга по отношению к СОЖ характеризуется его прони цаемостью, которая определяется по закону Дарси и для абразивных кругов вы ражается следующей зависимостью [106]:

qµ R К= ln, (119) p 2H Rн где q – объемный расход СОЖ, м3/с;

P – перепад давления СОЖ, создаваемый насосом (Рн) и центробежным полем, Па;

Н – высота круга, м;

R – наружный радиус круга, м;

Rн – радиус расположения насадка для подачи СОЖ сквозь по ры круга, м.

Удельное сопротивление круга характеризуется величиной, обратной его проницаемости. Экспериментально показано [106], что гидравлическое сопро тивление кругов при движении через поровое пространство СОЖ непостоянно.

По мере фильтрации даже чистой СОЖ гидравлическое сопротивление круга непрерывно возрастает. После прекращения подачи СОЖ и возобновления ее через некоторое время сопротивление оказывалось близким к исходному.

Это явление, называемое фильтрационным эффектом, обусловлено обра зованием в поровых каналах абразивных кругов паровоздушных пузырьков, ко торые или выносятся СОЖ из поровых каналов, или закупоривают их, увеличи вая гидравлическое сопротивление круга, что на практике встречается чаще.

Для исключения фильтрационного эффекта необходимо либо увеличить давление подаваемой СОЖ не менее, чем на 3 – 5 Па, либо подавать ее с нало жением УЗК. Последнее вызывает в поровом пространстве круга кавитацию и способствует, с одной стороны, интенсивному захлопыванию паровоздушных пузырьков, с другой стороны – интенсификации капиллярного подъема СОЖ по микроканалам порового пространства и уносу паровоздушных пузырьков при одновременном увеличении расхода жидкости из-за уменьшения гидравли ческого сопротивления в порах круга.

Математическая модель движения СОЖ в контактные зоны по порам круга при подаче ее к его торцам была рассмотрена В. В. Ефимовым в работах [17, 18]. Ему удалось получить аналитическим путем и проверить эксперимен ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– тально уравнение траектории движения СОЖ сквозь поры круга. Исследования [17, 18, 30, 34, 45] позволяют однозначно утверждать, что, варьируя конструк тивными параметрами клинового полуоткрытого насадка (см. рис. 22) и вели чиной начальной скорости пропитки кругов высотой до 120 мм, поровое про странство круга, примыкающее к его периферии, можно всегда заполнить СОЖ.

Однако при рассмотрении фильтрации жидкости сквозь поровое про странство круга в уравнении (119), а также в работах [17, 18, 45] не учтены вязкостный в и инерционный и коэффициенты гидравлического сопротивления [6], что недопустимо при наличии динамической колебательной системы (вращающиеся абразивный круг и заготовка, периодически перемещающийся или вращающийся правящий инструмент). Значения коэффициентов в (характеризует сопротивление движению жидкости в порах круга за счет вязкого трения) и и (учитывает потери давления, обусловленные формой поровых каналов) изменяются, по имеющимся в литературе сведениям, в широких пределах, что не позволяет проводить точный количественный анализ фильтрации СОЖ в поровом пространстве вращающегося абразивного круга под действием УЗК с различными параметрами. Согласно [6] в = АП а [м 2 ];

и = ВП b [м 1 ], (120) где А = (0,064…10,4)1010;

В = (1,15…72,0)109;

а = –(4,4…5,0);

b = –(5, … 5,9);

Па – активная пористость круга [106]:

П а = VпаV 1, где Vпа – объем активных пор абразивного круга, м3;

V – объем абразивного круга, м3.

Далее (параграф 5.3) будет показано, как можно определить величины в и и для условий фильтрации СОЖ сквозь поры вращающегося абразивного круга.

Опираясь на аналитические исследования В. В. Ефимова [17, 18], попыта емся получить уравнение движения жидкости по поровому пространству круга, воспользовавшись схемой, показанной на рис. 60.

Рис. 60. Расчетная схе ма для вывода уравнения движения жидкости внутри круга: Vr, V соответственно радиальная и касательная ско рости фильтрации Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– На выделенный элемент жидкости в пористом круге действуют внешние поверхностные силы или градиент давления, обусловленный избыточным дав лением СОЖ в зоне ее подвода к торцу круга (область S), центробежные или внутренние массовые силы, силы сопротивления и капиллярный напор.

Учитывая, что скорость фильтрации мала по сравнению с окружной ско ростью шлифовального круга, можно допустить, что подаваемый через непод вижный насадок площадью S расход жидкости распределяется равномерно по площади Fr = 2r1 H к, где H к – единица высоты круга. В этом случае скорость 1 фильтрации будет определяться массовой плотностью тока g 1 = G ж Fr на ра диусе r1, одинаковой по углу. Таким образом, процесс фильтрации в квазиу становившемся режиме можно считать осесимметричным (в подвижной систе ме координат), а касательную скорость фильтрации можно принять равной ну лю.

Весь круг можно разделить на две области: область I – r1 r Rк, жид кость поступает через поверхность F длиной L1 = 2r1 и шириной H к и выхо дит через поверхность F длиной L2 = 2Rк и шириной H к ;

область II – r0 r r1, поверхность Fr = 2r0 H к непроницаема для жидкости, поэтому в об ласти II после заполнения пор жидкостью устанавливается равновесие всех сил при радиальной скорости фильтрации v r = 0.

После заполнения области I (при установившемся режиме) влиянием ка пиллярного напора можно пренебречь [17].

С учетом схематизации процесса и сделанных допущений для выделенно го элементарного объема круга можно записать:

С учетом схематизации процесса и сделанных допущений для выделенно го элементарного объема круга можно записать R1 R2 + R3 R4 = 0, (121) где R1 сила, действующая на площадку АВ, Н;

R2 сила, действующая на площадку СD, Н;

R3 центробежная сила, действующая на жидкость в объеме ABCD, Н;

R4 сила сопротивления движению в объеме ABCD, Н.

R1 = prd, (122) R2 = (p + dp)(r + dr)d = prd + pdrd + rdpd + dpdrd.

Учитывая, что dpdrd 0, R2 = prd + pdrd + rdpd. (123) Опуская промежуточные вычисления для R3, можно записать R3 = 2жП2r2drd. (124) Из закона Дарси [14, 103, 109] и с учетом (120) R4 = (вµr + иr2ж) rdrd, (125) где радиальная скорость фильтрации ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Gж r =, м/с. (126) 2 рrс ж H к Подставив полученные соотношения (122) (125) в (121), и разделив обе части уравнения на d, получим:

pr pr pdr rdp + 2жП2 r2dr (вµr + иr2ж) rdr = 0;

d ( pr ) = ( б в мхr + в и х r с ж )r 2 с ж Пщ 2 r 2 = dr (127) б в мGж в и Gж = + 2 с ж Пщ r.

2рс ж H к 4р 2 rс ж Н к2 б в мGж в и Gж ;

Сж = 2жП2, получим Обозначив Аж = ;

Вж = 22 2 рс ж Н к 4 р сж Н к уравнение движения СОЖ в следующем виде:

d(pr) = Аж dr + Вж d (ln r) Сжr2dr. (128) Отсюда:

p1 r1 p2 Rк = Аж (Rк r1) + Вж ln Rк (r1)-1Cж3-1(Rк3 r13)-1 (129) Для серединного сечения круга G H Gж p1 = ps ж к б в м + в и, (130) 8 рr1rs с ж 4 рr1rs где рs давление СОЖ на выходе из торцевого насадка, Па.

Для сечения на торцевой поверхности круга р1 = рs.

Решив системы уравнений (129) и (130) при заданных давлениях рs и р2 и размерах r1, r2, rs методом последовательных приближений, определяют Gж, а затем, используя выражение (126), радиальную скорость фильтрации r.

5.3. Определение коэффициентов вязкостного и инерционного гидравлического сопротивления фильтрации СОЖ сквозь поры абразивного круга под действием модулированных ультразвуковых сигналов Для практического использования уравнения движения СОЖ (128) необ ходимы численные значения вязкостного в и инерционного и коэффициентов гидравлического сопротивления. Эти коэффициенты фактически являются ха рактеристиками проницаемости пористых материалов, без знания которых не правомерно использование закона Дарси [109] для фильтрации СОЖ сквозь вращающиеся абразивные круги. Аналитической оценке значения этих коэф фициентов не поддаются, поэтому были предприняты дополнительные теоре Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– тико-экспериментальные исследования. Значения в и и определяли для абра зивных кругов 1 – 60030563 (Rк = 0,3 м) следующих характеристик:

14А40НС26К20 (Па = 0,323), 64А25ПС16К3 (Па = 0,329), 92А25ПС27К (Па = 0,381) и 14А25ПС18К16 (Па = 0,416). В качестве фильтрующейся жидко сти использовали 3 %-ю водомасляную эмульсию Укринол-1М (ТУ 38.101878–83), которую подавали с торца круга (2Rн = 0,356 м) через клиновой полуоткрытый насадок без наложения и с наложением УЗК от УЗ генератора ТЕХМА-1 вы ходной мощностью 50 Вт и частотой 18,6 кГц. Исследования проводили при «холостом» вращении круга на экспериментальной установке, созданной на ба зе круглошлифовального станка 3Б161, оснащенного электрическим приводом бесступенчатого регулирования окружной скорости абразивного круга и стан цией подачи СОЖ под высоким (до 5 МПа) давлением. В процессе исследова ний угловую скорость круга изменяли от 100 до 200 с-1 (через каждые 10 с-1).

При этом рабочая скорость Vк шлифования и правки составляла от 30 до 60 м/с.

Избыточное давление СОЖ на входе в поровое пространство шлифовального круга варьировали в диапазоне (1,3–3,3)105 Па (через каждые 0,4105 Па). Рас ход фильтрующейся СОЖ определялся массовым методом после сбора ее с по мощью специальной четырехсекционной ловушки, пришлифованной к перифе рии круга [41, 101] (рис. 61).

Рис. 61. Схема установ ки для измерения расхода СОЖ, проходящей сквозь поры круга: 1 – шлифовальный круг;

2 – клиновой полуоткрытый насадок;

3 – ловушка для СОЖ;

4 – мерная колба Введем новые обозначения:

µ (Rк Rн ) ln(R Rн ) ( ) ;

В = и 2 к 2 ;

С = ж П 2 Rк Rн ;

3 А = в (131) 2 ж Н к 4 ж Н к ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– D = p1 Rн p1 Rк, где p11, p 2 – давление СОЖ соответственно на входе и выходе из круга, Па.

Тогда уравнения (126) и (128) можно видоизменить:

АGж + B Gж = С + D. (132) Действительный корень алгебраического уравнения (132) определяется соотношением А + А 2 + 4 В (С + D ) Gж =. (133) 2В Соотношение (133) отражает в явном виде (через С) влияние угловой скорости на расход фильтрующейся СОЖ. Если на жидкость наложить УЗК, то изменение расхода СОЖ сквозь поры круга проявится через изменение численных значений коэффициентов в и и, входящих в (131).

Представим выражение (132) в следующем виде С D = А + В Gж. (134) Gж Тогда для определения числовых значений коэффициентов в и и необ С D ходимо найти зависимость от Gж. В соответствии с (134) эта зависи Gж мость является линейной, что позволяет, используя метод наименьших квадра тов, вычислить коэффициенты А и В, а затем значения в и и (рис. 62).

Как следует из ре зультатов эксперимен тальных исследований, значения коэффициентов А и В при подаче СОЖ без наложения и с нало жением УЗК группиру ются около разных пря мых, пересекающихся в точке с ординатой Рис. 62. Схема графического определения значе С D 6 – = 1,6810 с. ний коэффициентов А и В Gж Анализ результатов исследований (рис. 63) позволяет сделать важный практи ческий вывод: УЗК давления, накладываемые на СОЖ, приводят к интенсифи кации фильтрации жидкости (увеличению ее расхода Gж ) при С D С D 1,68 10 6. При 1,68 10 6 наложение УЗК нецелесообразно. Эти Gж Gж Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– результаты объясняются следующими причинами. Известно, что фильтрации СОЖ сквозь поровое пространство абразивного круга препятствует образова ние паровоздушных пузырьков в его порах. Предотвратить этот процесс можно путем увеличения жидкостного давления [106] или возбуждением кавитации при наложении на жидкость УЗК [88]. Однако увеличение жидкостного давле ния в свою очередь препятствует образованию кавитации. При одновременном увеличении жидкостного давления и возбуждении кавитации в СОЖ, что было осуществлено в наших экспериментах, эффект от наложения УЗК на фильт рующуюся жидкость проявляется лишь в области относительно невысокого давления подаваемой СОЖ (избыточное давление до 0,3 МПа). Использование высоконапорных систем подачи СОЖ на практике (например, на станках для глубинного шлифования) связано с необходимостью резкого увеличения про изводственных площадей и энергозатрат. Использование УЗ техники и низко напорных систем подачи СОЖ, также обеспечивающее повышение эффектив ности процессов шлифования и правки [30, 34], свободно от указанных недостатков.

Рис. 63. Результаты обоб 2, щения опытных данных по 2,0 фильтрации СОЖ в порах абра зивных кругов 14А40С26К20;

С + D 61, 64С25ПС16К3;

92А25ПС27К5;

Gж 14А25ПС18К6 (Па = 0,323 0,416):

1, 1, 2 – аппроксимирующие зави симости соответственно без на 0, 80 г/c 30 40 50 60 70 ложения ( ) и с наложением ( ) УЗК Gж Обработка результатов исследований, выполненных с использованием кругов средней структуры 5 – 8, зернистостью 16 – 40 и твердостью от М3 до С2, наиболее распространенных в промышленности и имеющих значение по ристости от 0,323 до 0,416, позволила получить обобщенные значения коэффи циентов в и и (табл. 21).

21. Коэффициенты гидравлического сопротивления [34] в, м-2 и, м- Условия фильтрации СОЖ 1,21012 2, Без наложения УЗК 3,421011 2, С наложением УЗК Для уточнения значений коэффициентов в и и в условиях наложения УЗ колебаний с различными параметрами, в том числе амплитудно-модулирован ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ных, были проведены СОЖ дополнительные иссле УЗК дования на эксперимен тальной установке, схе- ма которой показана на рис. 64. избыток СОЖ Численные значе 0,1 – 0,2 мм ния коэффициентов в и и получали из уравне- ния движения СОЖ в пористом элементе экспериментальной ус тановки, измеряя массо вый расход жидкости через этот элемент при различных параметрах УЗ сигнала (варьирова Рис. 64. Схема экспериментальной установки для иссле ли амплитудой механи- дования фильтрации СОЖ в порах абразивного бруска под ческих колебаний торца действием УЗ колебаний: 1 – УЗ насадок для подачи СОЖ;

2 – насадка и глубиной ам- абразивный брусок (пористый элемент);

3 – мерный цилиндр плитудной модуляции).

Пренебрегая ка пиллярным напором и линейным ускорением (замедлением) фильтрующегося потока и считая фильтрацию одномерной [106], уравнение движения СОЖ в пористом элементе 2 экспериментальной установки получим из условия равно весия жидкости внутри выделенного элементарного объема ABCD (рис. 65):

F1 F2 + F3 F4 = 0, (135) где F1, F2 – силы давления на D площадки CD и AB соответст- Р венно, Н;

F3 – сила тяжести, dx A действующая на жидкость в B Н объеме ABCD, Н;

F4 – сила со- D C противления движению жид u кости в объеме ABCD, Н.

x Величины F1,…, F4 оп- Рис. 65. Схема фильтрации СОЖ в порис ределяются зависимостями: том элементе установки F1 = pdS ;

F2 = ( p + dp )dS ;

(136) F3 = П ж gdSdx;

(137) Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ( ) F4 = в µ жu + и жu 2 dxdS, (138) где p, u – соответственно давление жидкости (Па) и скорость ее фильтрации (м/с);

dS – площадь сечения элементарного объема (площадь поверхности АВ или CD), м2;

g – ускорение свободного падения, м/c2.

После подстановки выражений (136) – (138) в уравнение (135) и некото рых преобразований получим уравнение движения жидкости в дифференци альной форме ( ) dp = в µ ж u + и ж u 2 П ж g. (139) dx Средняя скорость фильтрации и определяется из уравнения неразрывности 4Gж и=, (140) ж D где D – диаметр пористого элемента, м.

Проинтегрировав уравнение (139) с учетом (140) при постоянных значе ниях величин в, и, ж, µж, получим уравнение движения жидкости в интегральной форме 4Gж в µ ж 16Gж и Р= П ж g Н, +2 (141) D 2 ж D ж где P = ж gh – гидростатическое давление столба жидкости на входе в порис тый элемент, Па;

h – высота столба жидкости, м;

Н – толщина пористого эле мента, м.

Измеряя массовый расход жидкости G1 и G2 через пористые элементы разной толщины (Н 1 и Н 2) при фиксированных значениях Р и D и подставляя измеренные значения в уравнение (141), получим систему двух уравнений от носительно двух неизвестных в и и:

gh 4G µ 16G12 и = П ж g ж 1вж + D 2 ж D Н1 ж. (142) ж gh 4G2 в µ ж 16G2 и = П ж g + Н D 2 ж D 2 ж Решив систему уравнений (141), получим искомые значения коэффици ентов в и и.

Результаты экспериментального определения массового расхода СОЖ через пористые элементы разной толщины под действием УЗ сигналов различ ных характеристик приведены на рис. 66 и 67. В качестве пористого элемента использовали бруски, вырезанные из шлифовального круга 25А25НС17К5. Ак тивная пористость этого круга Па = 0,323 и, как следует из результатов работы [34], полученные для этого круга коэффициенты гидравлического сопротивле ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ния, будут достоверно характеризовать и другие круги средней проницаемости (Па = 0,31 – 0,41).

29 4, 4, г мин 24 3, мин 1 2 3,0 Gж 19 п 2, 2, 1,5 9 1, % % 0 30 60 90 0 30 60 а) б) т т Рис. 66. Влияние глубины модуляции УЗ сигнала на величину массового расхода СОЖ Gж (а) и времени пропитки абразивных брусков 24А25НС17К5 (б) различной толщи ны:: 1, …, 5 – толщина бруска соответственно 10, 15, 20, 25, 30 мм. Амплитуда колебаний волновода-насадка 3 мкм 24 г 4 г мин мин 18 3 2 G ж 12 G ж 6 0 0 3 6 9 мкм 12 0 3 6 9 мкм А А а) б) 18 г г мин мин Gж Gж 1 0 0 3 6 9 мкм 12 0 3 6 9 мкм А А в) г) Рис. 67. Влияние амплитуды механических колебаний насадка А, глубины амплитуд ной модуляции задающего УЗ сигнала и толщины пористого элемента, вырезанного из круга 25А25НС17К5, на массовый расход СОЖ: а, б, в, г – толщина пористого элемента соответст венно 10, 20, 30, 40 мм;

1, 2, 3, 4 – глубина модуляции соответственно 0, 30, 60, 99 % Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Как следует из анализа результатов, представленных на рис. 66, ампли тудная модуляция УЗ сигнала даже малой основной (максимальной) амплитуды волновода-насадка А = 3 мкм оказывает существенное влияние как на величину массового расхода Gж, так и на время пропитки (скорость фильтрации) порис тых элементов.

Еще большая эффективность амплитудной модуляции наблюдается с увеличением максимальной амплитуды до 9 – 12 мкм (см. рис. 67).

Как видно из рис. 67, наложение на насадок УЗ колебаний до 10 раз уве личивает массовый расход фильтрующейся жидкости. При амплитуде механи ческих колебаний торца насадка менее 2 – 3 мкм, интенсификации фильтрации жидкости не наблюдается. Дальнейшее увеличение амплитуды колебаний торца насадка способствует интенсификации фильтрации жидкости через поры бру ска. Амплитудная модуляция УЗ сигнала позволяет дополнительно увеличить массовый расход жидкости до 1,6 раз. Максимальный эффект наблюдается при глубине амплитудной модуляции 99 %.

Значения вязкостного в и инерционного и коэффициентов гидравличе ского сопротивления в условиях наложения амплитудно-модулированных УЗ колебаний различной амплитуды, рассчитанные из уравнений (142) с использо ванием данных для минимальной (10 мм) и максимальной (40 мм) толщин по ристого элемента, сведены в табл. 22.

22. Коэффициенты гидравлического сопротивления * Глубина Амплитуда механических колебаний торца насадка, мкм амплитудной модуляции, % 3 6 9 (без УЗК) 1,69 10 5,38 1011 3,48 1011 1,99 1011 1,51 7,14 1010 2,25 10 9 1,78 10 9 1,55 10 1,96 5,05 1011 3,33 1011 1,76 1011 1,48 30 – 7,38 1010 2,41 10 9 1,66 10 9 1,04 10 4,99 1011 2,80 1011 1,92 1011 1,40 60 – 7,21 10 9 2,22 10 9 6,52 108 5,56 10 5,30 1011 2,85 1011 1,66 1011 1,22 99 – 6,88 1010 1,66 10 9 7,05 108 3,89 * в числителе в (м-2), в знаменателе – и (м-1) Полученные значения коэффициентов гидравлического сопротивления удовлетворительно согласуются с результатами (см. табл. 21), полученными для вращающегося шлифовального круга.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Анализ результатов исследования показывает, что применение амплитуд но-модулированного сигнала в устройствах подачи СОЖ способствует сниже нию гидравлического сопротивления фильтрации жидкости в поровом про странстве шлифовального круга и увеличению ее массового расхода через по ры, а значит, и через зоны шлифования и непрерывной правки. Это, в свою оче редь, способствует наиболее полной реализации СОЖ своих функциональных свойств.

Таким образом, применение в УЗ устройствах подачи СОЖ амплитудно модулированного сигнала можно рекомендовать как средство повышения эф фективности операций шлифования.

5.4. Исследование влияния модуляции ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования заготовок и правки кругов с транспортированием СОЖ сквозь поры абразивного круга*) Оценку степени влияния модуляции УЗК на эффективность обработки за готовок абразивным кругом выявим на примере торцекруглого шлифования за готовок типа «ступенчатый вал» с непрерывной правкой круга алмазным пра вящим роликом. Данный процесс характеризуется весьма высокой теплосило вой напряженностью из-за участия в шлифовании а.з., осуществляющих кон такт с заготовкой и алмазным роликом как по линии, так и по плоскости. При этом УЗ модуляции подвергается СОЖ, подаваемая с торца круга через клино вой полуоткрытый насадок (рис. 68).

А–А р СОЖ А Рис. 68. Схе- rр rр р хр ма торцекруглого к 5 шлифования заго товки типа «ступен- к В чатый вал» с непре- хк р з rк рывной правкой к В круга: 1 – заготовка;

2 – шлифовальный rк круг;

3 – алмазный rз правящий ролик;

4 – з хз В–В сопло для подачи rз увеличено СОЖ поливом;

5 – А насадок для подачи СОЖ к торцу шли- СОЖ фовального круга;

6 – УЗ волновод 0,2 – 0, *) В написании данного параграфа принимали участие канд. техн. наук, доцент А. Н. Унянин и канд. техн. наук В. Н. Ковальногов Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– При проведении исследований источником амплитудно-модулированных ультразвуковых колебаний служил генератор ТЕХМА-03. Волноводы для пода чи СОЖ были укомплектованы пьезоэлектрическими преобразователями ЦТС 19. Рабочая частота генерируемого сигнала – 18,6 кГц, модулирующая часто та – 1 кГц (рис. 53). Мощность УЗК, излучаемых преобразователем, – 100 Вт.

Амплитуду колебаний торца насадка регулировали, изменяя напряжение на вы ходном каскаде усилителя устройства.

В процессе исследований СОЖ (3 %-ю водомасляную эмульсию из эмульсола Укринол-1) подавали к зоне шлифования поливом (способ 1), поли вом и к торцу круга через клиновой полуоткрытый насадок с наложением на него УЗ синусоидальных колебаний частотой 18,6 кГц (способ 2), а также по ливом и к торцу круга с наложением на насадок модулированных по амплитуде УЗК с несущей частотой 18,6 кГц, модулирующей частотой 1 кГц и глубиной модуляции 99 % (способ 3). Во всех случаях общий расход СОЖ составлял 20 дм3/мин.

Экспериментальные исследования проводили на установке, созданной на базе круглошлифовального станка и оснащенной устройством для непрерывной правки круга алмазным роликом и тензометрической аппаратурой. Шлифовали заготовки деталей типа ступенчатый вал из стали 40Х (HRC 32 … 38). Рабочую скорость Vк шлифовального круга 25А25ПСМ17К20М поддерживали равной 50 м/с, окружную скорость заготовки Vз – 50 м/мин, скорость врезной подачи Vs шлифовальной бабки – варьировали в диапазоне 1,25 – 1,60 мм/мин. Рабочая скорость Vр алмазного ролика АРСЧ 1000/800 составляла 5 м/c, скоростью его врезной подачи Vsр варьировали в пределах от 2 до 10 мкм/мин. Малые значе ния Vsр обеспечивало устройство для непрерывной правки шлифовального кру га алмазным роликом оригинальной конструкции [3].

Для сопоставления результатов исследований была выполнена серия экс периментов с периодической правкой абразивного круга алмазным карандашом С3 после потери кругом режущей способности. Периодическую правку круга осуществляли за три прохода со скоростью продольной подачи 0,25 мм/мин и поперечной подачей 0,03 мм/ход.

Критериями оценки технологической эффективности процесса шлифова ния служили период стойкости с шлифовального круга, радиальная Ру и каса тельная Рz составляющие силы шлифования, контактная температура в зоне шлифования торцовой Тт и цилиндрической Тц поверхностей заготовки и сред нее арифметическое отклонение профиля Ra шлифованных поверхностей.

Контактную температуру измеряли в шести точках зоны контакта абра зивного круга с заготовкой методом полуискусственной термопары.

При шлифовании с непрерывной правкой изменяли скорость врезной по дачи алмазного ролика с целью определения ее минимального значения, обеспе чивающего стабильные значения силы шлифования и контактной температуры.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– При периодической правке абразивного круга составляющие силы шли фования и контактная температура с увеличением наработки шлифовального круга увеличиваются, причем наиболее интенсивно при подаче смазочно охлаждающей жидкости поливом (способ 1). При шлифовании со скоростью врезной подачи 1,6 мм/мин составляющие силы шлифования Рz и Ру выросли за 10 минут соответственно с 237 и 300 Н до 263 и 342 Н, т. е. на 11 и 14 % (рис.

69, а), а контактная температура в зоне шлифования торцовой Тт и цилиндриче ской Тц поверхностей заготовки с 1020 до 1090 и 1130 К соответственно, т. е.

на 7 и 11 % (рис. 70, а).

350 Tangent omponent of grnding Н Н Radial component of grinding force Py, N force PZ, N 295 Рz 4 Ру 5 240 мин 2 4 6 8 10 мин 2 4 6 8 Time of grinding, min, min a) 320 Н Н PZ, N Py, N Рz Ру 4 5 мин 2 4 6 8 мин 2 4 6 8 10, min, min б) 290 Н Н 280 270 PZ, N Py, N Ру Рz 4 250 240 мин мин 2 4 6 8 10 2 4 6 8, min, min в) Рис. 69. Влияние времени шлифования и скорости врезной подачи алмазного ролика на радиальную Py и касательную Pz составляющие силы шлифования: а, б, в – подача СОЖ способами 1, 2 и 3 соответственно;

1 – шлифование с периодической правкой круга;

2, 3, 4, 5, 6 – шлифование с непрерывной правкой круга со скоростью врезной подачи ролика соответ ственно 2, 4, 6, 8 и 10 мкм/мин Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 1150 Contact temperatureTc, K Contact temperature Tfl, K K K 1100 1050 Тт 3 Тц 1000 950 6 900 2 4 6 8 10 2 4 6 8 мин мин, min, min а) K K 2 Тт 1000 Tfl, K Tc, K Тц 4 950 5 900 2 4 6 8 10 2 4 6 8 мин мин, min, min б) 1100 К К 2 Tc, K Tfl, K Тц Тт 950 900 2 4 6 8 мин мин 2 4 6 8, min, min в) Рис. 70. Влияние времени шлифования и скорости врезной подачи алмазного ролика на контактную температуру в зоне шлифования торцовой Тт и цилиндрической Тц поверхностей заготовки: а, б, в – подача смазочно-охлаждающей жидкости способами 1, и 3 соответственно;


1 – шлифование с периодической правкой круга;

2, 3, 4, 5, 6 – шлифо вание с непрерывной правкой круга со скоростью врезной подачи ролика соответственно 2, 4, 6, 8 и 10 мкм/мин При шлифовании с подачей СОЖ одновременно поливом и к торцу шли фовального круга с наложением на насадок УЗК абсолютные значения состав ляющих силы шлифования и контактной температуры заметно ниже, чем при подаче СОЖ поливом. При наложении на насадок синусоидальных УЗК (спо ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– соб 2) составляющие силы шлифования Рz и Ру выросли за 10 минут соответст венно до 233 и 312 Н, т. е. на 11 и 9 % (рис. 69, б). При наложении на насадок амплитудно-модулированных УЗК (способ 3) значения Рz и Ру еще ниже и со ставляют после 10 минут шлифования соответственно 218 и 282 Н, что меньше, чем при подаче жидкости способом 1 на 17 и 18 % (рис. 69, в).

Контактные температуры Тт и Тц при подаче жидкости способом 3 после 10 минут шлифования увеличились до 1070 и 1100 К соответственно (рис. 70, а), что ниже, чем при подаче поливом. Снижение теплосиловой напряженности шлифования благоприятно отразилось на режущей способности шлифовально го круга вследствие снижения интенсивности изнашивания и засаливания его рабочей поверхности, что привело к увеличению периода стойкости шлифо вального круга. Если при подаче смазочно-охлаждающей жидкости способом с равен 10 мин, то при подаче способами 2 и 3 – 18 и 22 мин, т. е. увеличился на 80 и 120 %.

Повышение эффективности шлифования при использовании УЗ техники подачи СОЖ к торцу шлифовального круга достигается за счет увеличения расхода СОЖ непосредственно через зону шлифования, причем наиболее ин тенсивная пропитка круга и максимальный расход жидкости через зону шлифо вания обеспечивает использование амплитудно-модулированного сигнала.

Однако даже при использовании высокоэффективной техники подачи СОЖ теплосиловая напряженность шлифования с периодической правкой кру га велика, а период стойкости круга достаточно мал. При шлифовании с непре рывной правкой круга алмазным роликом составляющие силы шлифования и контактные температуры ниже, чем при шлифовании с периодической правкой во всем исследованном диапазоне скоростей подачи ролика, причем с увеличе нием скорости подачи ролика уменьшаются как абсолютные значения этих па раметров, так и интенсивность их роста с увеличением времени шлифования.

Для каждого способа подачи СОЖ выявлена минимальная скорость врезной подачи ролика, при которой процесс шлифования стабилизируется во времени и характеризуется постоянными значениями составляющих силы шлифования и контактных температур. При подаче жидкости способом 1 эта скорость соста вила 10 мкм/мин, а при подаче способами 2 и 3 – соответственно 8 и 6 мкм/мин, т. е. уменьшилась на 20 и 40 % соответственно.

Применение высокоэффективной техники подачи СОЖ обеспечивает снижение теплосиловой напряженности шлифования с непрерывной правкой круга. Так, при скорости врезной подачи ролика, равной 6 мкм/мин, и подаче жидкости способом 1 составляющие силы Рz и Ру выросли через 10 минут шли фования до 213 и 290 Н, при подаче способом 2 – до 200 и 268 Н, а при подаче способом 3 эти составляющие стабильны во времени (Ру = 250 Н;

Рz = 186 Н) и ниже по сравнению со способом 1 на 13 – 14 %.

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– При этой же скорости врезной подачи ролика контактные температуры Тт и Тц выросли через 10 минут шлифования соответственно до 950 и 970 К при подаче СОЖ способом 1, а при подаче способом 3 эти температуры стабильны во времени и равны соответственно 900 и 930 К.

Общие закономерности влияния способов правки круга и подачи СОЖ на показатели процесса шлифования со скоростью врезной подачи 1,25 мм/мин практически не отличаются от соответствующих закономерностей, отмеченных при шлифовании со скоростью 1,6 мм/мин. Однако стабилизация процесса шлифования со скоростью 1,25 мм/мин возможна при меньших значениях ско рости врезной подачи правящего ролика.

5.5. Выводы 1. Аналитически и экспериментально показана возможность повышения эффективности гидроочистки рабочей поверхности кругов из сверхтвердых ма териалов использованием энергии УЗ модулированного поля.

2. В результате аналитических исследований разработана математическая модель гидродинамики фильтрующейся сквозь поровое пространство абразив ного круга жидкости.

3. Получено уравнение движения жидкости во вращающемся пористом абразивном круге с учетом вязкостного и инерционного коэффициентов гид равлического сопротивления. Определены характеристики проницаемости кру гов на керамической связке зернистостью 16 – 40 открытой структуры (6 – 8) твердостью М3 – С2 при наличии и отсутствии УЗК давления фильтрующейся среды. Выявлены условия, при которых наложение УЗК интенсифицирует фильтрацию жидкости сквозь поровое пространство круга.

4. Уточнены значения вязкостного и инерционного коэффициентов гид равлического сопротивления фильтрации СОЖ в поровом пространстве вра щающегося абразивного круга для условий наложения амплитудно-модули рованных УЗК с различными параметрами. Установлено, что использование в ультразвуковых устройствах подачи СОЖ амплитудно-модулированного сиг нала обеспечивает снижение сопротивления фильтрации жидкости и увеличе ние ее массового расхода через поры шлифовального круга и зону шлифования до 1,6 раза.

5. Показано, что по сравнению с подачей СОЖ поливом применение УЗ техники подачи СОЖ с амплитудно-модулированным сигналом позволяет со кратить машинное время при одновременном увеличении периода стойкости круга на (64 – 69) % и обеспечении требуемого качества шлифованной поверх ности. Использование УЗ техники подачи СОЖ с амплитудно-модулированным ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– сигналом позволяет до 2 раз увеличить скорость врезной подачи абразивного круга при отсутствии прижогов на шлифованной поверхности.

6. Транспортирование СОЖ сквозь поровое пространство с использова нием энергии УЗ поля обеспечивает термосиловую стабилизацию процесса шлифования с непрерывной правкой при существенно меньших скоростях врезной подачи алмазного ролика. Установлено, что расход круга при шлифо вании с непрерывной правкой заготовок даже из легкошлифуемых сталей меньше, чем при шлифовании с периодической правкой алмазным карандашом (в расчете на одну заготовку).

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Глава 6. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК НАЛОЖЕНИЕМ МОДУЛИРОВАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ФОРМООБРАЗУЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ 6.1. Исследование эффективности новых методов применения ультразвуковых колебаний на операциях глубокого сверления маломерных отверстий 6.1.1. Исследование теплосиловой напряженности глубокого сверления маломерных отверстий*) Глубокое сверление маломерных отверстий спиральными сверлами оста ется одним из «узких мест» в технологических процессах изготовления ответ ственных деталей машин (коленчатых валов, крепежных деталей летательных аппаратов деталей аппаратуры впрыска топлива и др.), вследствие интенсивно го затупления и малого периода стойкости инструмента, а также большой веро ятности его поломок, часто приводящих к необходимости электроэрозионного извлечения отломившейся части сверла из заготовки, либо к браку почти гото вого изделия.

Известно (см., например, [81]), что наиболее теплонапряженным участ кам зоны механической обработки, как правило, соответствуют участки режу щего инструмента с наиболее интенсивными износом, затуплением и потерей работоспособности. Поэтому перспективными путями совершенствования тех нологии глубокого сверления маломерных отверстий являются рациональное применение СОЖ, включающее подачу ее непосредственно в контактную зону обработки и, прежде всего, к наиболее теплонагруженным ее участкам, а также использование энергии УЗ поля для реализации эффекта снижения трения и увеличения пластичности обрабатываемого материала, кавитационного и зву кокапиллярного эффектов, обеспечивающих аномально глубокое проникнове ние жидкости в капилляры, трещины и стесненные контактные зоны под дейст вием УЗК.

Для наиболее полной реализации перечисленных эффектов, оптимизации и совершенствования способов и техники подачи СОЖ, выбора оптимальных режимов и разработки ресурсосберегающих технологий глубокого сверления маломерных отверстий, необходимо достоверно оценивать тепловое состояние сверла и заготовки при контактных взаимодействиях в процессе механической обработки.

*) В написании данного параграфа принимали участие канд. техн. наук Ковальногов В. Н. и аспирант Табеев М. В.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Анализ существующих методик оценки теплового баланса при резании металлов показал, что наибольшую точность решения обеспечивают те из них, которые основаны на совместном решении дифференциальных уравнений теп лопроводности каждого из контактирующих объектов с общим граничным ус ловием в зоне резания. Это позволяет автоматически определять тепловые по токи, отводимые из зоны резания в контактирующие объекты, и отказаться от использования в расчетах соответствующих экспериментальных данных, сни жающих точность результатов расчета и ограничивающих их практическую применимость. Для учета реальной формы инструмента и зоны контакта при няли трехмерную постановку задачи теплового взаимодействия контактирую щих объектов.


Применительно к нестационарному трехмерному температурному полю дифференциальное уравнение теплопроводности сверла в цилиндрической сис теме координат {rc, c, xс}, вращающейся вместе со сверлом с угловой скоро стью c (рис. 71), имеет вид:

T c T 1 T T T с сс r + r r + r 2 с + x с x, (143) с = rc c c c c c c c c где с, сс, с – соответст rс венно, плотность (кг/м3), xс удельная теплоемкость (Дж/(кг·К)) и теплопро водность (Вт/(м·К)) сверла;

Т – температура, 10 D К;

– время, с.

Дифференциаль- Рис. 71. Схема к расчету ное уравнение теплопро- теплового состояния системы «инструмент – заготовка» при водности заготовки в глубоком сверлении маломерных xз неподвижной цилиндри- отверстий: 1 – сверло;

2 – заго- D rз ческой системе коорди- товка нат {rз, з, xз} имеет вид:

T з T 1 T T T зсз з з з + +, (144) = + rз rз rз rз rз з з x з x з где з, сз, з – соответственно, плотность (кг/м ), удельная теплоемкость (Дж/(кг·К)) и теплопроводность (Вт/(м·К)) материала заготовки.

В начальный момент времени ( = 0) температуру заготовки и сверла приняли равной температуре Tf окружающей среды.

Поверхность хвостовика сверла, зажатую в патроне, приняли теплоизо лированной. На свободных поверхностях сверла (не соприкасающихся с по верхностями патрона, заготовкой или стружкой) и заготовки задали граничное Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– условие 3-го рода теплообмена с окружающей средой (воздухом или СОЖ).

При этом для расчета местных коэффициентов теплоотдачи воспользовались эмпирическими уравнениями подобия [83].

Граничное условие в зоне контакта «инструмент – заготовка» задали в виде T T с + з n n = qвыд qст q ж ;

Т с = Т з, (145) c n =0 з n = c з где nc, nз – нормаль к поверхности, соответственно, сверла и заготовки на ана лизируемом участке, м;

qвыд – поверхностная плотность теплового потока, вы делившегося в зоне контакта, Вт/м2;

qст, qж – поверхностная плотность тепло вого потока, отводимого из зоны контакта соответственно вместе со стружкой и смазочно-охлаждающей жидкостью, Вт/м2;

Тс, Тз – местная контактная темпера тура сверла и заготовки соответственно, К.

Для расчета величин qст и qж можно воспользоваться известными зави симостями [30]:

c з mстT qcт = ;

(146) S c ж Gж (T T f ), при T Ts ;

S qж = (147) cпж Gпж (T Ts ) + cж Gж (Ts T f ), при T T ;

s S где тст – масса материала, удаляемого с заготовки за единицу времени, кг/с;

S – c ж Gж (T T f ) фактическая площадь контакта, м2;

Gж, Gпж = – массовый рас r ход соответственно СОЖ и ее пара через зону резания, кг/с;

r – удельная тепло та парообразования СОЖ, Дж/кг;

Тs – температура насыщения СОЖ, К.

Для расчета поверхностной плотности теплового потока qвыд был пред принят специальный анализ зоны контактного взаимодействия инструмента и заготовки при глубоком сверлении и выявление характерных ее участков, раз личающихся мощностью тепловыделения. Выполненный анализ литературных данных позволяет рекомендовать для расчета qвыд следующие зависимости:

– для участков контакта режущих поверхностей сверла с поверхностями заго товки и стружки PV qвыд = z ;

(148) S – для участка (зоны) стружкообразования ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– qвыд = y иV, (149) 0,6 в где Рz – касательная сила резания, Н;

V – скорость резания м/с;

у = – 1 1,7 в средние касательные напряжения в плоскости сдвига [11], МПа;

+ 1 / 2 sin и = – относительный сдвиг [11];

в – предел прочности мате cos риала заготовки при растяжении, МПа;

в – относительное сужение образца в момент образования шейки;

– коэффициент усадки стружки;

– передний угол, рад.

Уравнения (143), (144) с учетом зависимостей (145) – (148) в обобщенном виде описывают тепловое взаимодействие контактирующих объектов при свер лении. Из анализа этих зависимостей следует, что для расчета поверхностной плотности теплового потока на различных участках зоны резания необходимо иметь информацию о значениях касательной составляющей силы резания Pz на различных участках контакта инструмента с заготовкой в процессе всей обра ботки глубоким сверлением.

Эту информацию получали в ходе специального экспериментального ис следования процесса глубокого сверления на установке, созданной на базе на стольно-сверлильного станка мод. НС-12 и оснащенной аппаратурой для изме рения сил резания и крутящего момента на основе динамометра УДМ-100, кон тактной температуры в различных точках зоны резания.

Как упоминалось выше, одним из эффективных средств совершенствова ния технологии глубокого сверления маломерных отверстий является рацио нальное применение СОЖ, а также рациональное использование энергии УЗ поля.

Известным и достаточно исследованным методом использования УЗК яв ляется возбуждение колебаний в СОЖ. Под действием УЗК в подаваемой к зо не резания СОЖ могут возникать большие мгновенные давления (~ 100 МПа), происходит образование и колебание газовых пузырьков, увеличивается число микроканалов (капилляров) в зоне контакта заготовки и инструмента [87]. В ре зультате СОЖ приобретают повышенные охлаждающие и проникающие свой ства [73].

В новых конструкциях УЗ техники подачи СОЖ к зоне резания [70] предложено возбуждать УЗК (в том числе модулированные по амплитуде и частоте) непосредственно в насадке для направления жидкостного потока. При этом для того, чтобы УЗК, возбуждаемые в насадке наиболее полно передава лись СОЖ, конструкция устройств обеспечивает максимум амплитуды колеба ний на выходе жидкости из торца насадка (рис. 72).

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Этот новый способ подачи СОЖ универсален и не требует ка ких-либо существенных изменений в технологической оснастке. Однако у/ при такой технике подачи СОЖ энер гия акустического поля порождает с непосредственно в зоне контакта ин К УЗ ге- струмента с заготовкой УЗК неболь нератору шой мощности и амплитуды, что у/ уменьшает полезный кавитационный эффект. Поэтому были предприняты попытки передачи УЗК непосредст венно на режущий инструмент. Одна Рис. 72. Устройство для наложения ко в отличие от ранее известных ме УЗК на струю СОЖ перед зоной резания:

тодов наложение УЗК вдоль оси ин 1 – волновод;

2 – пьезопреобразователи;

струмента [49, 55, 72], связанных с 3 – штуцер;

4 – прокладка;

5 – отражаю щая прокладка существенной модернизацией техно логического оборудования и необходимостью использования УЗ генераторов достаточно большой мощности, предложено налагать УЗК на сверло в радиаль ном направлении через направляющую кондукторную втулку-волновод [71] (рис. 73, а). При этом УЗК возбуждаются непосредственно в зазоре между свер лом и заготовкой, а активация СОЖ, подаваемой поливом, происходит в зоне резания, что обеспечивает большую интенсивность процесса кавитации (обра зуется большее число кавитационных пузырьков).

СОЖ СОЖ с с 3 УЗК S УЗК S Генератор УЗК Генератор УЗК а) б) Рис. 73. Новые способы использования УЗК при глубоком сверлении: а) наложение УЗК на сверло в радиальном направлении;

б) одновременное наложение УЗК на сверло в ра диально-осевом направлении и на СОЖ перед зоной резания;

1 – сверло, 2 – насадок, 3 – пре образователь УЗК, 4 – заготовка.

Другим вариантом использования энергии акустического поля является одновременное наложение УЗК в радиально-осевом направлении и на СОЖ пе ред зоной обработки [70] (рис. 73, б). Для этого «волновод–кондукторная втул ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ка», расположенный под острым углом к инструменту, имеет центральное от верстие для подвода СОЖ, сообщающееся с отверстием для направления свер ла. В результате УЗК возбуждаются в СОЖ перед зоной резания при прохожде нии ее по каналу в волноводе и непосредственно в зоне резания от колеблюще гося сверла. Это еще более увеличивает интенсивность кавитации в СОЖ.

Как упоминалось ранее (см. гл. 5), для каждой частоты УЗК существует верхний предел размеров газовых пузырьков, являющихся зародышами кавита ции: в процессе кавитации участвуют лишь те пузырьки, размер которых меньше резонансных [19].

Чтобы обеспечить кавитацию пузырьков, имеющих различные начальные размеры, путем расширения как спектра частот колебаний насадка, так и диапа зона амплитуд звукового давления, применяли амплитудно- или частотно модулированные УЗК. Кроме того, использование частотно-модулированных УЗК позволяет уменьшить коэффициент трения режущих кромок сверла о заго товку [88].

Оценку технологической эффективности новой УЗ техники применения энергии УЗ поля для интенсификации процесса глубокого сверления маломер ных отверстий выявляли в ходе лабораторных испытаний. Обрабатывали заго товки из широко распространенных в промышленности материалов: коррози онностойкой стали 12Х18Н10Т (НВ 180…220) и низколегированной стали 40Х (НВ 180…220). Режимы обработки: скорость резания – 17,5 м/мин (сталь 40Х) и 6,5 м/мин (сталь 12Х18Н10Т);

скорость подачи сверла – 0,05 мм/об (сталь 40Х) и 0,03 мм/об (сталь 12Х18Н10Т). Расход СОЖ (3 %-й раствор Син хо-2М) – 4 дм3/мин. Сверлили отверстия глубиной L = 50 мм. В качестве инст румента использовали спиральные сверла диаметром 4 мм из быстрорежущей стали Р18 с углом в плане 118° и передним углом 11°.

Критериями оценки эффективности глубокого сверления являлись пери од стойкости сверла, оцениваемый по допустимой величине износа его задней поверхности, составляющие силы резания (осевая Рх и касательная Рz) и крутя щий момент (Мкр = РzDc/2).

Некоторые результаты этих испытаний, иллюстрирующие изменение крутящего момента в зависимости от способа наложения УЗК (на СОЖ, на сверло и одновременно на сверло и СОЖ, см. рис. 71, 72) и от параметров УЗ сигнала (немодулированный, амплитудно-модулированный и частотно-модули рованный), приведены на рис. 74.

Как следует из анализа результатов выполненных исследований, до соот ношения L/D = 6 крутящий момент при сверлении мало зависит от техники по дачи СОЖ и условий наложения УЗК. При L/D 6 крутящий момент резко уве личивается (в 4 раза при подаче СОЖ поливом без УЗК, см. рис. 74, а), однако, его зависимость от формы и условий наложения колебаний становится все бо Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– лее очевидной. Так, при достижении L/D = 12 при подаче СОЖ поливом через сопло по рис. 72 без УЗК крутящий момент увеличился в 5,1 раза, в то время как при наложении УЗК на СОЖ – в 4,5 раза, на сверло (рис. 73, а) – в 3,8 раза, одновременно на сверло и СОЖ (рис. 73, б) – в 3,2 раза.

2,45 1 2,4 Нм 2, Нм 2, 3, 1, 1,8 2 1, 1, 1, 1, Мкр 1, Мкр 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 L/D L/D а) б) Рис. 74. Зависимость крутящего 2, момента Мкр от глубины отверстия L и Нм диаметра сверла D параметров и способа 1,7 наложения ультразвука: а, б, в – наложе ние, соответственно, на СОЖ, сверло и 1, 2 3 одновременно на СОЖ и сверло;

1, 2, 3, 1, 4 – соответственно, без ультразвука, не 1,1 модулированные, амплитудно-модулиро Мкр 0,9 ванные и частотно-модулированные коле бания. Режим обработки V = 17,5 м/мин, 0, VS = 0,03 мм/об;

расход СОЖ – 4 дм3/мин 0, 0, 0 2 4 6 8 10 L/D в) Использование наложения амплитудно-модулированных и, особенно, частотно-модулированных УЗК на СОЖ, сверло и одновременно на сверло и СОЖ уменьшают прирост крутящего момента соответственно до 4,3;

3,0 и 2, раз.

При обработке заготовок из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т в сравнении с обработкой заготовок из стали 40Х достигается хотя и несколько меньший, но весьма существенный технологический эффект (табл. 23).

Методом полуискусственной термопары замеряли контактные темпера туры в различных 10 точках зоны резания по достижении L/D = 12. Экспери ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ментальные значения контактных температур практически совпали с расчет ными по зависимостям (142) – (148) (величина расхождения ± 8 %).

23. Эффективность различных способов подачи СОЖ с применением УЗК на операциях глубокого сверления маломерных отверстий спиральными сверлами Снижение силы резания и Относительный крутящего момента по Вид (по сравнению сравнению с подачей СОЖ моду- Материал с подачей СОЖ Способ подачи СОЖ поливом на глубине 10Dс, ля- заготовки поливом) пе % ции* риод стойкости сверла Рх, Н Мкр, Нм 40Х 28 19 1, – 12Х18Н10Т 14 5 1, Наложение УЗК на сверло в радиальном 40Х 37 20 1, АМ направлении (по рис. 12Х18Н10Т 18 6 1, 72, а) 40Х 42 20 1, ЧМ 12Х18Н10Т 21 6,3 1, 40Х 25 18 1, Одновременное нало- – 12Х18Н10Т 15 5 1, жение УЗК на сверло в радиально-осевом 40Х 38 19 1, АМ направлении и СОЖ 12Х18Н10Т 19 6,1 1, перед зоной резания 40Х 45 20 1, ЧМ (по рис. 72, б) 12Х18Н10Т 21 6,5 1, * АМ – амплитудная модуляция;

ЧМ – частотная модуляция Таким образом, разработана математическая модель теплосилового взаи модействия заготовки и инструмента при глубоком сверлении, адекватно учи тывающая особенности выполнения операции, применение СОЖ и наложение ультразвука на сверло и СОЖ.

6.1.2. Исследование причин увода сверла и разбивки маломерных отверстий при глубоком сверлении спиральными сверлами Одними из важнейших параметров, определяющих точность формы и расположения отверстия, являются его разбивка R и увод оси S. Потому при сверлении отверстий (особенно малого диаметра и большой глубины) для по вышения точности необходим точный учет и контроль данных параметров.

Возникновение разбивки отверстий обусловлено несколькими факторам:

нестабильностью процесса снятия стружки, колебаниями сверла при резании, несимметричностью и биением режущих кромок сверла и др. Увод оси сверла относительно оси шпинделя также неблагоприятно и существенно увеличивает разбивку отверстия. В результате обработанное отверстие имеет изменяющийся по глубине диаметр, что усложняет дальнейшую обработку точных отверстий.

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Увод сверла при сверлении маломерных отверстий спиральными сверла ми объясняется малой жесткостью инструмента, так как длина его гораздо меньше диаметра, из-за чего под действием сил сопротивления резанию сверло легко изгибается как при продольном изгибе.

Чтобы таким инструментом получить минимальное отклонение оси обра батываемого отверстия относительно оси шпинделя и уменьшить разбивку от верстий, необходимо уменьшать изменения положения его центра вращения (вершины) и его геометрии, а также статические и динамические перемещения режущих кромок в радиальном направлении. При этом в процессе сверления желательно обеспечить изменение силы резания по закону P + p sin t [53 – 55].

Для этого сверло должно вращаться с большой частотой. Однако в этом случае в результате трения режущих кромок и ленточки сверла о поверхность обраба тываемого отверстия заготовки и стружку выделяется значительное количество тепла. Вследствие этого сверло быстро затупляется, его канавки забиваются стружкой, теряет режущие свойства и инструмент разрушается. Поэтому по вышать частоту вращения сверла можно лишь до определенного предела. Осо бенно остро все эти проблемы проявляются при глубоком сверлении отверстий в сплошном материале заготовок из коррозионностойких сталей и титановых сплавов, отличающихся низкой теплопроводностью, у перемычки, соединяю щей режущие кромки сверла в центральной части, где скорость резания близка к нулю, а передний угол является отрицательным. Все это неизбежно приводит к уводу оси сверла и увеличению разбивки отверстий, вследствие чего обработ ка отверстий становится невозможной.

На рис. 75 показаны составляющие силы резания: Px, действующая на сверло в осевом направлении, и Рy, действующая в Y радиальном направлении. Сила Рy, как пра вило, обусловлена несимметричностью ре жущих кромок сверла, биением оси враще L Z ния шпинделя и другими причинами. Под действием этих сил конец сверла отклоня ется от оси шпинделя на расстояние S. Для Py схемы по рис. 75 справедливо уравнение S сил [49]: Px dy X EJ 2 = Px ( y + S ) + Py ( L x ), (150) dx где Е – модуль упругости материала свер- Pис. 75. Схема прогиба ин струмента при сверлении под дей ла;

J – момент инерции эквивалентного се ствием составляющих сил резания чения.

Если обозначить Px/EJ = k2, то после ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– соответствующих преобразований можно вывести зависимость для определе ния угла, а следовательно, и величины S:

Py у = А cos kx + B sin kx S + ( L x), (151) Px Постоянные А и В могут быть определены по начальным условиям. По сле дальнейших преобразований получим:

Py Py L (cos kS ctgkL sin kx ) S у = S ( L x), (152) Px Px В свою очередь, угол наклона может быть рассчитан по формуле [49] Py Py Py dy = k S L sin k S L ctgkL cos kx =, (153) Px Px dx Px При х = 0 dy/dx = 0, тогда Р SkctgkL Ру = х ;

(154) kLctgkL Py S= L tgkL. (155) Px k После подстановки (154) в (153) dy cos kL = = kS 1, (156) kL cos kL sin kL dx С учетом решения Галловея [110] выражение (156) примет вид 3Py tgkL = L. (157) 2 LPx k Однако в зависимостях (150) – (157), полученных с использованием работ [49, 110], фактически не учитывается влияние реальных отклонений режущих кромок сверла от правильной геометрической формы (прежде всего, несиммет ричность и биение режущих кромок), что может привести к существенным ошибкам при расчетах угла и отклонения S.

Как уже упоминалось ранее, вследствие того, что при глубоком сверле нии L D, то, как правило, и сам инструмент при его полном вылете из патро на имеет малую жесткость. Это может привести к потере его устойчивости уже в самом начале сверления, когда составляющая силы резания Рх еще мала, что вызывает смещение вершины сверла относительно координатных осей (см. рис.

75). Таким образом, на этапе врезания инструмента в заготовку из-за увода вершины сверла возникает постоянная составляющая силы резания Ру, которая, несмотря на сопротивление сверла прогибу, растет с увеличением глубины от верстия. Переменная составляющая силы резания Ру, вызванная несимметрич Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ностью и биением режущих кромок из-за вращения инструмента, изменяется по синусоидальному закону. Таким образом, справедливо выражение Р у = Р уп + Р у 0 cos, (158) где Руп – постоянная составляющая Ру, Н;

Ру0 – максимальное значение пере менной составляющей Ру, Н.

Составляющая силы резания Рх, в свою очередь, также из-за несиммет ричности и биения режущих кромок сверла приложена к инструменту с некото рым дополнительным эксцентриситетом l (рис. 76, а). В связи с этим возникает дополнительный изгибающий момент от силы Рх (рис. 76, б) Мх = Рхl.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 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.