Технические науки/3.Отраслевое машиностроение

Кондрашов С.Г., Малыгин А.В., Ляшков В.С.

Херсонский национальный технический университет, Украина

Моделирование гидродинамических режимов потоков охлаждающей жидкости при глубоком сверлении

Глубокое сверление является основным методом обработки отверстий длиной более 10 диаметров. При этом необходимо надежное и гарантированное дробление стружки и ее удаление для обеспечения стабильного резания и исключения повреждения обработанной поверхности. До недавнего времени сверление глубоких отверстий было возможно только на специальных станках для глубокого сверления. С появлением современных конструкций инструментов стало возможным обрабатывать отверстия глубиной до 40 диаметров на обрабатывающих центрах. Единственным условием является обеспечение необходимого расхода и давления СОЖ [1].

Глубокое сверление длиной порядка 100 диаметров может вестись тремя различными способами, которые обеспечивают надежный подвод СОЖ и удаление стружки:

· эжекторная система,

· система STS (Sandvik Coromant),

· сверление пушечными сверлами.

По данным фирмы Sandvik Coromant, применение пушечных сверл целесообразно при обработке диаметров 0,98-30,0 мм при повышенных требованиях к точности отверстий и для сверления отверстий в материалах повышенной твердости и когда стружкообразование затруднено[2]. Таким образом, учитывая технологические особенности сверления эжекторными сверлами и системой STS обработка глубоких отверстий малого диаметра пушечными сверлами является практически безальтернативным способом.

Для рационального использования оборудования и обеспечения эффективности резания возникает задача определения минимально допустимого давления подачи СОЖ, которое обеспечило бы хорошие условия удаления стружки, экономию жидкости и упростило бы проблему герметизации зоны обработки. В качестве объекта исследования было выбрано специально спроектированное пушечное сверло, оснащенное ступенчатой твердосплавной режущей пластиной и опорной пластиной в виде дефлектора, имеющего возможность перераспределять потоки жидкости и изменять их направление.

Рис.1.Конструкция сверла со ступенчатой режущей пластиной и дефлектором

Исследования проводились с помощью модуля FloWorks программного пакета SolidWorks. В качестве варьируемого входного параметра принималось давление СОЖ, а также положение дефлектора в корпусе сверла (параллельное оси сверла и наклонное).

За критерий, обеспечивающий удовлетворительное удаление стружки при минимальном расходе жидкости, принято давление, при котором возникает устойчивый турбулентный режим истечения жидкости. При этом предполагалось, что турбулентность исключает налипание и пакетирование стружки и обеспечивает эффективное транспортирование стружки из зоны резания.

Количественный анализ процесса истечения жидкости внутри модели проводился с помощью SolidWorks FloXpress и программы Flow Simulation.

Результаты моделирования поведения жидкости (воды) внутри модели и в пределах зазора между стенкой отверстия и боковой поверхностью сверла представлены на рис. 2-8.

Входное давление жидкости во всех случаях было неизменным и постоянным.

Рис.2. Изобары СОЖ при параллельном положении дефлектора относительно оси сверла, =103 кПа.

Рис.3. Изобары СОЖ со стороны корпуса сверла, =103 кПа.

Рис.4. Изобары при параллельном расположении дефлектора со стороны торца сверла, =103 кПа.

Рис.5. Интенсивность турбулентности при параллельном расположении дефлектора

На рисунках 2-4 представлено поведение жидкости при параллельном оси инструмента положении дефлектора, т.е. при обычном расположении опорной пластины.

Поступающая к режущей кромке жидкость встречает минимальное сопротивление со стороны гладких стенок отверстия и плоских рабочих поверхностей сверла, режим истечения жидкости при этом практически ламинарный, что хорошо видно по характеру изобар и подтверждается графиком интенсивности турбулентности на рис.5. Диссипация энергии при этом минимальна и концентрируется вдоль узкого коридора значений, не превышающего 3-5%.

Картина движения и распределения потоков жидкости резко изменяется при наклонном положении дефлектора, ориентация которого препятствует плавному истечению жидкости и способствует созданию завихрений, зон локальных разрежений и повышенных давлений, концентрирующихся возле пазов дефлектора (рис.6-8).

Режим движения носит характер четко выраженной устойчивой турбулентности с диссипацией энергии более 25%, что видно из графика интенсивности турбулентности на рис.9.

Очевидно, такой характер движения жидкости будет препятствовать длительному контакту стружки с обработанной поверхностью, препятствовать пакетированию и налипанию стружки, способствовать изменению положения стружки по сечению стружечной канавки, что при наличии избыточного давления должно способствовать эффективному удалению стружки и охлаждению режущей кромки.

Термический анализ ступенчатой режущей пластины, представленный на рис. 10, показывает достаточно равномерное распределение температуры вдоль режущей кромки и отсутствие ярко выраженных концентраторов температурных напряжений, что свидетельствует об эффективности предлагаемой схемы обработки с точки зрения температурной напряженности процесса.

Рис.6.Изобары при наклонном расположении дефлектора относительно оси сверла, =117 кПа.

Рис.7. Изобары СОЖ в торце сверла при наклонном расположении дефлектора, =117 кПа.

Рис.8. Изобары в осевом направлении, =117 кПа.

Рис.9.Интенсивность турбулентности при наклонном расположении дефлектора

Рис.10. Распределение температур вдоль ступенчатой режущей кромки

Выводы:

1. Изменять гидродинамический режим истечения потоков СОЖ возможно за счет конструктивных особенностей инструмента без увеличения входного давления жидкости, облегчая при этом герметизацию зоны обработки и минимизируя расход СОЖ.

2. Сверло целесообразно оснащать наклонной опорной пластиной, создающей помехи ламинарному режиму движения СОЖ; образующийся при этом турбулентный режим способствует эффективному удалению стружки.

3. При указанных условиях достигается постоянный температурный режим вдоль режущей кромки сверла, что повышает стойкость инструмента в целом.

Литература

1. www.technopolice.ru, Инструменты для глубокого сверления.

2. www.sandvik.coromant.com/sandvik/3030/Coromant/Internet/S006826.nsf, Каталог-2009.

3. Родин П.Р. Геометрия режущей части спирального сверла. К, 1971. 136с.