Меню

Охлаждение зоны резания воздухом



Применение охлажденного ионизированного воздуха при высокоскоростном фрезеровании Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Есов В. Б., Климочкин К. О., Муратов К. Р., Хурматуллин О. Г.

Статья посвящена применению технологии охлаждения ионизированным воздухом (ТОИВ) при резании металлов . Исследования были проведены на обрабатывающем центре MCV-450. Результат использования ТОИВ показал, что такой метод охлаждения/смазывания инструмента эффективнее, чем традиционные методы охлаждения.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Есов В. Б., Климочкин К. О., Муратов К. Р., Хурматуллин О. Г.

APPLICATION OF THE COOLED IONIZED AIR AT HIGH SPEED MILLING

Article is devoted to the application the technology of cooling by ionization air (ТCIA) at cutting of met-als. Researches have been led on processing center MCV-450. The result of usage ТCIA has shown that such method of cooling/smearing of the tool is more effective, than traditional methods of cooling.

Текст научной работы на тему «Применение охлажденного ионизированного воздуха при высокоскоростном фрезеровании»

ПРИМЕНЕНИЕ ОХЛАЖДЕННОГО ИОНИЗИРОВАННОГО ВОЗДУХА ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ФРЕЗЕРОВАНИИ

© 2011 В.Б. Есов1, К.О. Климочкин1, К.Р. Муратов2, О.Г. Хурматуллин3

1 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана 2 Пермский национальный исследовательский политехнический университет 3 ООО «Урал-инструмент-Пумори», г. Пермь

Поступила в редакцию 15.11.2011

Статья посвящена применению технологии охлаждения ионизированным воздухом (ТОИВ) при резании металлов. Исследования были проведены на обрабатывающем центре MCV-450. Результат использования ТОИВ показал, что такой метод охлаждения/смазывания инструмента эффективнее, чем традиционные методы охлаждения.

Ключевые слова: резание металлов, высокоскоростное фрезерование, шероховатость поверхности

Современные методы высокоскоростной механической обработки (HSC), такие как твёрдое точение (точение закалённых сталей с твёрдостью >47 HRC), высокоскоростное фрезерование (HSM) применение жидкостных смазывающе-охлаждающих технологических сред (СОТС) не допускают. Применение жидкостных СОТС на подобных операциях приводит к растрескиванию инструмента вследствие термоудара. Для охлаждения инструмента при HSC используют, как правило, воздушный обдув зоны резания, аэрозольную подачу жидких СОТС, масляный туман. На предприятиях электровакуумной промышленности и приборостроения, где следы охлаждающей жидкости и другие загрязнения обработанной поверхности недопустимы, жидкостные СОТС на операциях механической обработки не применяются. В подобных случаях используют воздушное охлаждение зоны резания, как правило, без какой либо обработки воздуха (например, ионизация или охлаждение). Замена жидкостных СОТС на обдув воздухом при любом виде механообработки ведёт к улучшению экологической обстановки вокруг станка, сокращению моечных и сушильных операций, сокращению затрат на обслуживание системы подачи СОТС, но не всегда воздушное охлаждение является достаточно эффективным.

Есов Валерий Балахметович, кандидат технических наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой.E-mail: vales57@mail.ru

Климочкин Кузьма Олегович, ассистент. E-mail: kuz-ma_k@bk.ru

Муратов Карим Равилевич, кандидат технических наук, доцент

Хурматуллин Олег Гаднанович, генеральный директор

С распространением технологии ЖС задача повышения эффективности воздушного охлаждения становится всё более и более актуальной. Основным недостатком воздуха в роли СОТС является плохая смазывающая способность. Одним из высокоэффективных методов воздушного охлаждения зоны резания является применение охлаждённого ионизированного воздуха (ОИВ).

Разработанные в МГТУ им. Н.Э. Баумана способ охлаждения зоны резания и устройства его реализующие предназначены для повышения производительности оборудования, снижения затрат на его эксплуатацию и ремонт, увеличения стойкости инструмента, создания комфортных санитарно-гигиенических условий в зоне обслуживания. Принцип действия устройства основан на перераспределении энергии сжатого воздуха между двумя потоками, образующимися в вихревой трубе, при его расширении и последующей ионизации холодного потока коронным разрядом. Затем слабо ионизированный воздух под давлением подаётся непосредственно в зону резания, в результате происходит охлаждение режущего инструмента и образование на его контактных поверхностях защитных окисных наноплёнок. Эффективность процесса резания в среде ОИВ обеспечивается за счёт его значительного влияния на контактное взаимодействие инструмента с обрабатываемым материалом и окружающей средой во всём интервале температур. Создание окисных защитных плёнок является эффективным методом повышения износостойкости, что неоднократно доказано в работах, проводимых в МГТУ им. Н.Э.Баумана, Ивановском ГУ, МГТУ СТАН-КИН [1-3].

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 13, №4(4), 2011

В МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Технологии обработки материалов» создан лабораторный стенд на базе токарно-винто-резного станка 16К20 [4]. Проведены опытные работы по определению усадки стружки на различных скоростях резания. В качестве оценочного параметра использовали поперечную усадку стружки Ка (в соответствии с ГОСТ 25762-83 — коэффициент утолщения стружки). Материал заготовки — 30ХГСА, инструмент -сборный резец с пластинами СКММ120408-РЯ из твёрдого сплава МС1460 (ТТ7К12). Параметры режима резания: S=0,2 мм/об, 1=1,5 мм, у=130-290 м/мин (2,16-4,83 м/с). Сбор образцов стружки проводился после 5-7 секунд после начала обработки, для исключения влияния переходного процесса.

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Читайте также:  Трубки компрессора кондиционера шевроле авео

Рис. 1. Коэффициент поперечной усадки стружки при точении в сухую и с УОИВ (заготовка — 30ХГСА, резец — МС1460, s=0,2 мм/об, 1=1,5 мм)

Как видно из рис. 1, применение устройства охлаждения ионизированным воздухом (УОИВ) снижает коэффициент усадки стружки на 5-8% во всём диапазоне исследуемых скоростей, что свидетельствует о лучшем скольжении стружки по передней поверхности инструмента и, как следствие, снижении силы резания. Износ инструмента при обработке в сухую активно начал развиваться при скорости 194 м/мин (3,23 м/с), появилось искрение и задиры на заготовке, тогда как с применением УОИВ аналогичные симптомы появились при 290 м/мин (4,83 м/с). После проведения эксперимента при прочих равных условиях и одинаковой длительности обработки износ пластин по задней поверхности составил 0,2 мм при резании в сухую и 0,1 мм с применением УО-ИВ. Вышеописанный эксперимент подтверждает повышение смазывающих свойств воздуха путём его ионизации в коронном разряде. Стоит отметить, что эксперимент проводился в

условиях непрерывного резания (токарная обработка), т.е. процесс образования окисных плёнок протекал при установившемся тепловом балансе и имел переходный процесс не менее 5-7 с.

Совсем другие условия резания при высокоскоростном фрезеровании. При прерывистом резании режущая кромка испытывает ударные нагрузки, оказываясь попеременно то в материале заготовки, то в смазывающе-ох-лаждающей среде. Прерывистое резание обеспечивает стабильное попадание СОТС на режущие кромки, а стружечные канавки подобно центробежному насосу прокачивают через инструмент всё новые и новые порции СОТС.

Для определения эффективности охлаждённого ионизированного воздуха при высокоскоростном фрезеровании в Учебно-демонстрационном центре ООО «Урал-инструмент-Пумори» и Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) модернизирован фрезерный обрабатывающий центр MCV-450. На обрабатывающем центре смонтировано устройство охлаждения ионизированным воздухом. Проведены поисковые эксперименты по применению системы охлаждения зоны резания ОИВ при высокоскоростной фрезерной обработке. Измерения параметров полученных в результате экспериментов проведены в ПНИПУ.

Вдоль движения Поперёк движения

Рис. 2. Замеры шероховатости при фрезеровании (сталь 40Х)

Производилось высокоскоростное фрезерование заготовки из стали 40Х с обдувом инструмента ОИВ и стандартной системой обдува воздухом. Инструмент — фреза концевая твердосплавная TuffCut XR 4 FL End Mill 10ммх22х72 AL tima фирмы M.A. FORD (диаметр — 10 мм, количество зубьев — 4 шт.). Режимы обработки: частота вращения шпинделя n=8000 мин-1, продольная подача Sn=5000 м/мин, глубина фрезерования t=1 мм, ширина фрезерования b=10 мм. Сравнительные испытания проводились между стандартной системой подачи воздуха в зону резания и системы

подачи ОИВ. Производилась обработка двух заготовок двумя одинаковыми фрезами. Замеры шероховатости производились вдоль и поперёк движения подачи. Результаты представлены на рис. 2. В результате испытаний установлено, что применение системы охлаждения зоны резания ОИВ по сравнению с базовой системой обдува воздухом при данных режимах обработки снижает шероховатость поверхности по показателю Ra на 10-30%.

Выводы: вследствие распространения высокоскоростных методов обработки применение обработки «в сухую» неуклонно растёт. Одним из эффективных способов повышения производительности (или стойкости инструмента) при обработке в сухую является охлаждение зоны резания ионизированным воздухом. Ионизация воздуха восполняет смазывающую функцию газообразных СОТС за счёт ускорения образования окисных плёнок на поверхностях инструмента. Простота подготовки

и подачи в зону резания ОИВ, эффективность метода в области высоких скоростей обуславливают перспективность данной технологии.

1. Татаринов, А.С. Возможности и перспективы применения газообразного охлаждения при обработке резанием / А. С. Татаринов, В.Д. Петрова // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1995. №4. С. 1-8.

2. Латышев, В.Н. Трибология и проблемы СОТС / В.Н. Латышев, А.Г. Наумов // Инструмент и технологии. 2004. №18. С. 117-129.

3. Кириллов, А.К. Новый подход к повышению экологической чистоты технологических процессов механообработки // Вестник МГТУ «Станкин». 2008. №4 (4). С. 172-179.

4. Есов, В.Б. Модернизация системы охлаждения металлорежущих станков с применением устройства охлаждения ионизированным воздухом (УОИВ) / В.Б. Есов, К.О. Климочкин // Ремонт, восстановление, модернизация. 2011. №1. С. 10-13.

APPLICATION OF THE COOLED IONIZED AIR AT HIGH SPEED MILLING

© 2011 V.B. Esov1, K.O. Klimochkin1, K.R. Muratov2, O.G. Hurmatullm3

1 Moscow State Technical University named after N.E. Bauman 2 Perm National Research Polytechnical University 3 JSC «Ural-Instument-Pumori», Perm

Article is devoted to the application the technology of cooling by ionization air (TCIA) at cutting of metals. Researches have been led on processing center MCV-450. The result of usage TCIA has shown that such method of cooling/smearing of the tool is more effective, than traditional methods of cooling.

Key words: cutting of metals, high speed milling, surface roughness

Источник

Устройство для охлаждения зоны резания

Полезная модель относится к области технологии машиностроения, точнее — к устройствам для охлаждения режущего инструмента и обрабатываемого материала смазочно-охлаждающими жидкостями (СОЖ). Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве, содержащем вихревую трубу для энергетического разделения сжатого воздуха, улитку для закручивания и патрубки для подачи сжатого воздуха, вывода холодного и горячего воздуха и патрубок подачи СОЖ, последний смонтирован на патрубке подачи сжатого воздуха, который снабжен эжектором, расположенным на входе в улитку, при этом патрубок вывода холодного воздуха дополнительно снабжен диафрагмой, установленной перпендикулярно оси патрубка, причем каналы для выхода холодного воздуха выполнены по периферии диафрагмы. Предлагаемое устройство обеспечивает высокую степень распыления и ионизации смазочно-охлаждающей жидкости и воздуха, что повышает эффективность охлаждения зоны резания благодаря высокой степени ионизации смеси СОЖ и воздуха, увеличению теплопроводности охлаждающей смеси и улучшению теплообмена в зоне резания. 1 с.п. ф-лы, 1 ил.

Читайте также:  Обзор сплит системы балу

Полезная модель относится к области технологии машиностроения, точнее — к устройствам для охлаждения режущего инструмента и обрабатываемого материала смазочно-охлаждающими жидкостями.

В последнее время для различных технологических целей широко используются трубы, служащие для энергетического разделения жидкостей и газов на горячий и холодный потоки, каждый из которых может быть использован для нагрева или охлаждения рабочих поверхностей. Кроме того, в вихревой трубе наблюдается баллоэлектрический эффект, в результате которого происходит ионизация подаваемой в трубу жидкой или газообразной среды за счет тонкого диспергирования жидкой или газообразной среды, подаваемой в вихревую трубу. Использование для охлаждения поверхностей ионизированной среды положительно сказывается на процессе охлаждения благодаря активации теплообменных процессов и снижения трения между режущим инструментом и обрабатываемым материалом.

Известна «Вихревая труба» по патенту 2098723 [1], применяемая для охлаждения различных объектов. Вихревая труба содержит камеру энергетического разделения, патрубок тангенциального ввода сжатого воздуха в улитку с целью закручивания потока воздуха, патрубки вывода горячего и холодного воздуха, дроссель для вывода горячего воздуха. Вихревая труба обеспечивает получение холодного воздуха, который направляется на охлаждение рабочих поверхностей.

Недостатком известного устройства является то, что оно может быть использовано только для «сухого» охлаждения зоны резания, что не обеспечивает эффективного охлаждения в связи с низкой теплоемкостью воздуха и недостаточной степенью его ионизации.

Известно «Устройство для охлаждения зоны резания» по патенту 2016738 [2], которое в качестве главного конструктивного элемента также содержит вихревую трубу. Для интенсификации ионизации воздуха устройство снабжено двумя электродами, служащими для создания коронного разряда, в электрическом поле которого формируются электроотрицательные ионы кислорода, атомарный кислород, молекулы озона, ионы азота и свободные электроны. Недостатком устройства является использование дополнительной энергии для ионизации воздуха, что приводит к увеличению себестоимости продукции.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является «Способ охлаждения зоны резания и устройство для его осуществления» по патенту 2324582 [3]. Устройство содержит две вихревые трубы для энергетического разделения сжатого воздуха, состыкованные соосно друг с другом. Наличие второй вихревой трубы обусловлено необходимостью вторичного использования горячего воздуха, образующегося в первой трубе. Устройство снабжено двумя улитками для закручивания воздуха, патрубком подачи сжатого воздуха, диффузорным патрубком вывода холодного воздуха и патрубком подачи смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в поток холодного воздуха на выходе его из диффузорного патрубка и в патрубок на оси второй трубы.

Устройство по патенту 2324582 имеет следующие недостатки:

— сложность конструкции, обусловленная наличием двух вихревых труб;

— увеличение энергетических затрат на организацию двойного вихревого закручивания потока сжатого воздуха;

— низкая степень ионизации СОЖ, обусловленная недостаточно высокой степенью распыления охлаждающей жидкости и малым временем контакта паров СОЖ и ионизированного холодного воздуха (СОЖ вводится в поток холодного воздуха на его выходе из диффузорного патрубка).

Указанные недостатки в целом приводят к снижению эффективности процесса охлаждения зоны резания.

Предлагаемое устройство для охлаждения зоны резания направлено на повышение эффективности охлаждения зоны резания за счет повышения степени распыления и ионизации смазочно-охлаждающей жидкости в смеси с ионизированным потоком сжатого воздуха при обеспечении простоты устройства и снижении энергетических затрат.

Поставленная задача решена тем, что в устройстве для охлаждения зоны резания, содержащем вихревую трубу для энергетического разделения сжатого воздуха, улитку для закручивания потока воздуха, патрубок подачи сжатого воздуха в улитку, диффузорный патрубок вывода холодного воздуха и патрубок подачи в вихревую трубу смазочно-охлаждающей жидкости, последний смонтирован на патрубке подачи сжатого воздуха, снабженным эжектором, расположенным на входе в улитку, а патрубок вывода холодного воздуха дополнительно снабжен диафрагмой, установленной перпендикулярно оси патрубка, причем каналы для выхода холодного воздуха выполнены по периферии диафрагмы.

Предлагаемое устройство иллюстрировано чертежом (фиг.1), на котором представлена схема устройства в продольном и поперечном разрезах и дополнительном виде Б со стороны патрубка выхода ионизированной и охлажденной смеси воздуха и распыленной СОЖ.

Устройство для охлаждения зоны резания состоит из вихревой трубы 1 для энергетического разделения сжатого воздуха, улитки 2 для закручивания потока воздуха, дросселя 3 для отделения горячего воздуха, патрубка 4 подачи сжатого воздуха в улитку, патрубка 5 вывода горячего воздуха и диффузорного патрубка 6 для вывода ионизированной смеси воздуха и СОЖ.

Читайте также:  Кондиционер не должен содержать

Патрубок 4 подачи сжатого воздуха снабжен эжектором 7, расположенным на входе в улитку 2 и представляющим собой конфузорно сужающийся патрубок, тангенциально смонтированный на корпусе улитки. В патрубке 4 соосно с ним смонтирован патрубок 8 для подачи СОЖ.

В диффузорном патрубке 6 смонтирована диафрагма 9, в которой выполнены каналы 10 для вывода ионизированной смеси воздуха и СОЖ. Каналы 10 выполнены по периферии диафрагмы 9. Вывод холодного воздуха из вихревой трубы в диффузорный патрубок осуществляется по патрубку 11.

На патрубке 8 для выхода смазочно-охлаждающей жидкости выполнены отверстия 12, располагаемые по всей длине конфузорного участка.

Устройство работает следующим образом. В вихревую трубу 1 по патрубку 4 подают сжатый воздух. На входе в улитку 2 в струю воздуха по патрубку 8 подают СОЖ. Благодаря наличию эжектора 7 смазочно-охлаждающая жидкость засасывается в струю воздуха в виде мелких струй из отверстий 12. При этом наблюдается активное распыление жидкости и первичная ионизация жидкости за счет баллоэлектрического эффекта.

Далее смесь воздуха и распыленной СОЖ в улитке 2 закручивается с получением вихревой струи, которая движется вращательно-поступательно по периферии вихревой трубы. За счет эффекта Ранке-Хилше в трубе происходит разделение потока смеси на холодный и горячий потоки. Горячий поток удаляется из трубы через дроссель 3 и патрубок 5, а холодны поток концентрируется по оси трубы и двигается в противоположном направлении и выводится по патрубку 11 из корпуса трубы. Горячий воздух может быть использован для обогрева помещений, а содержащаяся в нем смазочно-охлаждающая жидкость после конденсации может быть использована вторично по прямому назначению.

В вихревой трубе наблюдается сложное, вихревое, турбулентное и энергетически насыщенное движение потоков в противоположных направлениях, при котором происходит активное мелкодисперсное распыление смазочно-охлаждающей жидкости, перемешивание воздуха и паров жидкости в однородную смесь. Благодаря распылению СОЖ в ней происходит активное образование отрицательных и положительных ионов и свободных электронов путем энергетического воздействия на атомы и молекулы воздуха и жидкости. В вихревом потоке воздуха благодаря высокой энергии также формируются электроотрицательные ионы кислорода, электроположительные ионы азота и свободные электроны. В результате описанных процессов образуется однородная холодная ионизированная смесь воздуха и распыленной смазочно-охлаждающей жидкости с температурой, близкой к 0°С.

По патрубку 11 смесь с высокой скоростью поступает в диффузорную трубу 6 и ударяется в плоскость диафрагмы 9, после чего через каналы 10, выполненные по периферии диафрагмы, поступает в расширенную часть диффузорного патрубка 6, теряет скорость и подается в зону резания для охлаждения режущего инструмента и обрабатываемой детали. При соударении потока смеси с поверхностью диафрагмы наблюдается дополнительная ударная ионизация смеси, в результате чего суммарная степень ионизации смеси увеличивается (увеличивается количество аэро- и гидроионов на единицу объема смеси).

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокую степень распыления и ионизации смазочно-охлаждающей жидкости и сжатого воздуха, что объясняется многостадийностью указанных процессов. Процессы распыления и ионизации активно проходят сначала в эжекторе 7, затем в вихревой трубе 1 и далее в диффузорном патрубке 6.

Предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом обладает следующими технико-экономическими преимуществами:

— повышается степень распыления и ионизации смазочно-охлаждающей жидкости и воздуха, благодаря многостадийности процессов (в 2-3 раза);

— обеспечивается простота конструкции устройства и снижаются в 1,5-1,7 раза энергетические затраты в связи с интенсификацией процессов распыления и ионизации и отсутствием второй вихревой трубы;

— повышается эффективность охлаждения зоны резания за счет увеличения степени ионизации охлаждающей смеси, увеличения ее теплопроводности и улучшения теплообмена в зоне резания.

Полезная модель «Устройство для охлаждения зоны резания» может быть использована в обрабатывающей отрасли машиностроения для охлаждения зон резания при токарной, фрезерной, сверлильной, строгальной и других видах обработки деталей.

1. Патент РФ 2098723 «Вихревая труба». МПК F25B 9/02, опубл. 10.12.1997.

2. Патент РФ 2016738 «Устройство для охлаждения зоны резания». МПК B23Q 11/10, опубл. 30.07.1994.

3. Патент РФ 2324582 «Способ охлаждения зоны резания и устройство для его осуществления». МПК B23Q 11/10, опубл. 20.11.2007.

Устройство для охлаждения зоны резания, содержащее вихревую трубу для энергетического разделения сжатого воздуха, улитку для закручивания потока воздуха, патрубок подачи сжатого воздуха в улитку, диффузорный патрубок вывода холодного воздуха и патрубок подачи в вихревую трубу смазочно-охлаждающей жидкости, отличающееся тем, что патрубок подачи смазочно-охлаждающей жидкости смонтирован на патрубке подачи сжатого воздуха, при этом последний снабжен эжектором, расположенным на входе в улитку, а патрубок вывода холодного воздуха дополнительно снабжен диафрагмой, установленной перпендикулярно оси патрубка, причем каналы для выхода холодного воздуха выполнены по периферии диафрагмы.

Источник