Д.т.н. Курносов Н.Е., Николотов А.А., Ананин В.В.

Пензенский государственный университет, Россия

Влияние многокомпонентных распыленных СОТС на температуру деталей при обработке резанием

Основной задачей технологии машиностроения как науки является обеспечение достижения заданного качества изготавливаемых машин в установленном программой выпуска количестве при наименьших затратах материалов, энергии и иных ресурсов и высокой производительности труда, облегченного в максимальной степени и безопасного [1].

Одним из аспектов решения этой задачи является управление характером и интенсивностью процессов, протекающих на контактных поверхностях обрабатываемой заготовки и инструмента. Они в значительной мере зависят от технологической среды, окружающей зону резания, с которой происходит взаимодействие поверхностей режущего инструмента и обработанной поверхности.

Другим аспектом решения этой задачи является управление точностью механической обработки, на которую значительное влияние оказывают температурные деформации обрабатываемых заготовок. Их нагрев происходит в результате выделения тепла в процессе резания. Тепловые деформации тонкостенных заготовок с относительно большими обрабатываемыми поверхностями могут достигать величин, сопоставимых с допусками по 6-7 квалитету точности. Влияние температурных деформаций на точность растет при обработке внутренних поверхностей, когда поглощение тепла заготовкой увеличивается.

Для решения вышеозначенных задач широко используют смазочно-охлаждающие технологические среды (СОТС). В качестве СОТС на практике используют самые разнообразные вещества, находящиеся в различном агрегатном состоянии. Целенаправленное использование тех или иных веществ в том или ином состоянии позволяет снизить износ режущего инструмента, улучшить качество и точность обработанной поверхности, а также повысить производительность труда. Так, к примеру, применение СОТС позволяет повысить стойкость инструмента от 1,5 до 10 раз, производительность труда в 1,1 ... 3 раза, увеличить параметры режима резания, улучшить качество и эксплуатационные свойства обработанных поверхностей, а также санитарно-гигиенические условия труда [2].

Среди всех существующих методов подачи СОТС в последнее время большой интерес вызывает использование СОТС в распыленном состоянии. В этом случае СОТС с помощью сжатого воздуха распыляется на мельчайшие капельки и вместе с воздухом в виде тумана с большой (до 200...300 м/с) скоростью подается в зону резания. Двигаясь с большой скоростью, капли жидкости соприкасаются в зоне резания с нагретыми, и трущимися поверхностями, охлаждая и смазывая их. Капельное состояние жидкости определяет большую тепловую эффективность этого способа охлаждения, так как мельчайшие капли, попадая на нагретые поверхности, свободно испаряются. Ввиду небольшой массы капель и высокой температуры нагретых поверхностей, испарение капель происходит очень быстро. Образующийся пар струёй воздуха уносится из зоны резания с большой скоростью, освобождая рабочие поверхности для следующих капель. При кипении капель тепло от нагретых поверхностей отбирается вследствие высокой удельной теплоты парообразования. Вторым компонентом газожидкостной смеси при тонкораспыленном охлаждении является воздух. С одной стороны, совместная подача в зону резания воздуха, содержащего кислород, и жидкости интенсифицирует процесс образования окисных пленок на трущихся поверхностях, что уменьшает износ инструмента а, с другой воздух сам отбирает некоторое количество тепла за счет конвективного теплообмена. Распыленная жидкость оказывает больший охлаждающий эффект по сравнению с остальными способами охлаждения, так как смесь жидкости и воздуха расширяется при выходе из сопла и при этом ее температура снижается до 3...15 °С. Повышение эффективности распыленных СОТС возможно при совместном использовании высоких охлаждающих свойств эмульсий и смазывающего действия СОТС на масляной основе. Эффективность охлаждения распыленными СОТС в наибольшей степени зависят от количества распыляемой жидкости. Потому при разработке технологического процесса с применением распыленных СОТС необходимо в первую очередь определить минимально необходимую массу распыляемой жидкости.

При обработке температура в зоне резания не постоянна и может меняться в широких пределах, поэтому для определения минимально необходимого количества жидкости, подаваемой в распыливающее устройство, были проведены экспериментальные исследования по определению влияния количества подаваемой жидкости на среднюю температуру зоны резания.

Анализ методов измерения температуры резания применительно к стоящей задаче позволил выбрать в качестве метода измерения температуры метод естественной термопары.

Первоначально количество жидкости было определено в предположения, что вся теплота, образующаяся при резании, перейдет в СОТС. Тогда количество подаваемой жидкости будет определяться из выражения (1) [3].

(1)

Q_рез – тепло выделяемое при резании, Дж; h – расстояние от сопла до орошаемой поверхности, м; β/2 – половина корневого угла факела; f – площадь охлаждаемой поверхности, м2; τ - время работы распылителя, c; k_нр - коэффициент радиальной неравномерности факела; k_a - коэффициент окружной неравномерности; с_p-теплоемкость жидкости, Дж/ºС; t_к – температура кипения жидкости, ºС; t– начальная температура жидкости, ºС; r - теплота испарения жидкости, Дж/кг.

Исследования проводили в диапазоне оптимальных параметров режима резания v, S, t при продольном точении алюминиевых сплавов АК6, Амг 6 и Д16 инструментом из быстрорежущего материала Р6М5. Инструмент имел постоянные значения геометрических параметров режущей части.

Исследование снижения температуры деталей при технологических процессах обработки с применением многокомпонентных распыленных СОТС проводились при следующих условиях охлаждения:

· с использованием многокомпонентных распыленных СОТС (СОТС на водной основе, СОТС на масляной основе и их комбинация);

· стандартных процессов резания (резание всухую, с применением сжатого воздуха и жидких СОТС (охлаждение поливом)).

Результаты исследований изменения температурных параметров процесса резания позволяют отметить следующее.

1. просматривается четкая зависимость между способом охлаждения и максимальной температурой в зоне резания. Минимальная температура наблюдается при охлаждении зоны резания поливом. Максимальная температура при обработке без охлаждения. При использовании комбинированных многокомпонентных распыленных СОТС уровень температуры не превышает 250ºС; охлаждение распыленными СОТС на водной основе позволяет снизить температуру в зоне резания до 200ºС. При применении комбинированных многокомпонентных распыленных СОТС температура несколько выше однако смазывающие и противозадирные свойства СОТС на масляной основе позволяют получить более качественную обработанную поверхность

2. Полученные результаты по исследованию уровня пластического деформирования срезаемого слоя для процессов сухого резания и резания с применением многокомпонентных распыленных СОТС позволяют отметить, что взаимодействие компонентов распыленных СОТС оказывает заметное влияния на процесс резания, при этом количество применяемых СОТС сокращается в разы по сравнению с процессом резания при использовании жидких СОТС.

3. Исследование влияния различных способов охлаждения и смазки на шероховатость обработанной поверхности алюминиевых сплавов показали, что при применении многокомпонентных распыленных СОТС среднее значение высоты микронеровностей снижается до 2-х раз по сравнению с резанием всухую.

4. Проведенные исследования показали, что применение многокомпонентных распыленных СОТС в количествах до 80 г/мин позволяют эффективно реализовывать все положительные свойства СОТС подаваемых в виде свободно подающей струи.

5. При использовании МКР СОТС интенсифицируются следующие свойства СОТС: охлаждающие, смазывающие, режущее действие, а также окислительные процессы на ювенильных поверхностях.

Литература:

1. Технология машиностроения: В 2 т. Т. 1 Основы технологии машиностроения / В.М. Бурцев А.С., Васильев, А.М. Дальский и др.; под ред. А.М. Дальского. – 2-е изд. стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 546с., ил.

2. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т. 1 / под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова. – 5-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение-1, 2001. – 944с., ил.

3. Курносов Н.Е. Методика оценки охлаждающей способности распыленных СОТС. / Н.Е. Курносов, А.А. Николотов // Научно-практический журнал «Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки» №2(10) – Пенза, 2009г. - стр. 166-175