Технические науки/ 8.Обработка материалов в машиностроении

Кондрашов С.Г.,  Ляшков В.С.

Херсонский национальный технический университет

ИСЛЕДОВАНИЕ ГЛУБОКОГО СВЕЛЕНИЯ В СРЕДЕ ПОЛИМЕРСОДЕРЖАЩИХ СОЖ С НАЛОЖЕНИЕМ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

Опыт использования энергии ультразвукового поля  (УЗ) для интенсификации процессов механической обработки известен с конца тридцатых годов XX века.

 Основными эффектами при использования энергии УЗ поля при механической обработке являются:

-   кавитация - возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью;

-   звукокапиллярный эффект - аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры и узкие трещины  (дефекты поверхностного слоя)  под действием УЗ;

-   распыление жидкости в колеблющемся с УЗ частотой слое жидкости или в УЗ фонтане на высоких частотах (десятки килогерц );

-   эффект снижения трения и увеличения пластичности как при параллельной, так и при нормальной ориентации колебательных смещений относительно граничной поверхности;

-   дислокационное поглощение энергии УЗК материалом поверхностного слоя заготовки, способствующее снятию (релаксации) технологических остаточных напряжений.

Очевидно, что в чистом виде каждый из эффектов проявляться не может. В зависимости от условий взаимодействия контактирующих объектов (инструмента и детали)  одновременно проявляются минимум два, а при наличии жидкой среды и большее число эффектов. Однако при анализе условий контактирования объектов в УЗ поле всегда можно выделить основной (доминирующий) эффект. Повышение твердости, уменьшение высотных параметров шероховатости и создание в поверхностном слое благоприятных технологических сжимающих остаточных напряжений при УЗ  (в существенно больших пределах по сравнению с обработкой без использования энергии УЗ поля) связано прежде всего с эффектом снижения трения и увеличением пластичности материала обрабатываемой заготовки.

Глубокое сверление отверстий малого диаметра (когда глубина отверстия L составляет более 10 его диаметров ) остается одним из «узких мест» в технологических процессах изготовления ответственных деталей машин (коленчатые валы, крепежные детали летательных аппаратов, детали аппаратуры впрыска топлива, систем охлаждения штампов, смазки трущихся пар, каналов подвода СОЖ в режущих инструментах и др.) вследствие интенсивного износа и низкой стойкости спиральных сверл, а также большой вероятности их поломок, часто приводящих к необходимости электроэрозионного извлечения разрушившейся  части сверла из заготовки, либо к браку изготавливаемого изделия. Поэтому исследования в области повышения эффективности глубокого сверления с применением УЗК является на настоящий момент актуальной задачей.

Перспективным путем совершенствования технологии сверления отверстий малого диаметра является рациональное применение СОЖ, движение которой с увеличением глубины сверления все более затрудняется из-за забивания стружечных канавок сверла стружкой. Последняя, из-за стесненных условий отвода тепла (малый диаметр инструмента, большие затраты на трение) интенсивно нагревается до высоких температур, вступает в адгезионное взаимодействие с поверхностями канавок сверла, уплотняется (пакетируется) и практически прекращает движение жидкости в контактные зоны. Резание всухую (без СОЖ) еще более усугубляет процесс стружкоотвода.

          Наложение УЗК на элементы технологической системы (инструмент, заготовку) и подвод СОЖ существенным образом изменяет условия обработки при глубоком сверлении. Наиболее значимый эффект состоит в уменьшении трения, а следовательно, крутящего момента Мкр и составляющей силы сверления (а значит, и интенсивности теплообразования в зоне обработки) за счет периодического изменения величины и направления вектора скорости резания, углов инструмента (переднего γ, заднего α, наклона главной режущей кромки φ), толщины срезаемого слоя [1]. Эти явления увеличивают  количество капилляров в стружке, движущейся по канавкам сверла, и в зоне резания, по которым под действием УЗК (звукокапиллярный эффект) поступает большее количество СОЖ. Все это позволяет даже при малом расходе СОЖ через зону контакта инструмента с заготовкой реализовать в полной мере ее функциональные действия (смазочное, охлаждающее, диспергирующее и моющее) и предотвратить адгезионное взаимодействие стружки с поверхностями канавок сверла [1]. Модуляция УЗК позволяет еще в большей степени уменьшить коэффициент трения режущих кромок сверла о заготовку и усилить звукокапиллярный эффект [2].

Исследование выполнялось на экспериментальной установке на основе  вертикально-сверлильного станка 2Г125, ос­нащенного аппаратурой для измерения осевой силы резания и крутящего момента с помощью универсального динамометра УДМ-600, а также оригинальным устройством для одновременного наложения УЗК на сверло в радиально-осевом направлении и на СОЖ перед зоной обработки (рис. 1). Регистрация параметров производилась с помощью цифрового осциллографа с выводом  и регистрацией информации на экран компьютера. В качестве СОЖ использовалась полиэтиленовая эмульсия  ОКСАЛЕН-ЗО.

Устройство состоит из концентратора-волновода 1, в который запрессована кондукторная втулка 9. Кроме бокового отверстия под кондукторную втулку 9 волновод 1 имеет центральное отверстие для подачи СОЖ к сверлу 2. Штуцер 5 за конический буртик волновода 1 стаканом 3 стягивает пьезо-преобразователи 4, прокладку 6, отражающую шайбу 7 в одно целое. Таким образом, волновод 1 связан с двумя пьезопреобразователями-кольцами 4, от которых упругие колебания, генерируемые УЗ генератором, передаются через кондукторную втулку 9      на сверло 2 и поток СОЖ, подаваемой через центральное отверстие волновода от электронасоса (помпы).

Рис. 1. Устройство для наложения УЗК на СОЖ и сверло: 1 - волновод; 2 - сверло; 3 -стакан; 4 - пьезопреобразователь; 5 - штуцер; 6 - прокладка; 7 - отражающая шайба;  8        - заготовка

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.2.Конструкция сверла со ступенчатой режущей пластиной и дефлектором

В процессе   исследования сверлили отверстия с подачей  полимер-содержащей СОЖ поливом (через полый волновод) и наложением на сверло  УЗК постоянной амплитуды и частоты или с наложением на сверло и СОЖ амплитудно-  и амплитудно-частотно-модулированных УЗК.

УЗК различной формы (традиционно синусоидальной, амплитудно-модулированные и амплитудно-частотно-модулированные,  табл.1) накладывали от УЗ генератора ТЕХМА-ЗМ.

Таблица.1

Вид УЗ

Первый импульс

Второй импульс

Частота сле-

сигнала

Амплитуда

Частота w 1,

Глубина

Частота w 2,

дования

 

U1, В

кГц

модуляции,

%

кГц

импульсов кГц

Без модуляции

0...450

18,6

 

 

-

Амплитудная мо-

0...450

18,6

80

18,6

1

дуляция

 

 

 

 

 

Частотная модуля-

0...450

20

25

12,5

1

ция

 

 

 

 

 

Рис. 3. УЗ сигнал, подаваемый на насадки: а - без модуляции, б — амплитудная модуляция, в -частотная модуляция; 1,2- первый и второй импульс

В процессе исследований осуществлялась запись крутящего момента Мкр и осевой составляющей силы резания . Эффективность процесса обработки оценивалась путем сравнения значений Мкр и  по глубине сверления, зафиксированных при разных режимах подачи СОЖ к зоне обработки. В результате проведенных исследований установлено, что комбинирование наложения УЗК с подачей СОЖ позволяет снизить осевую силу резания на 15%, крутящий момент на 22%, существенно улучшить условия транспортирования стружки из зоны резания, устранить налипание стружки на переднюю поверхность сверла и повысить эффективность обработки глубоких отверстий в целом.

Выводы:

 Применение УЗК при обработке глубоких отверстий является весьма эффективным способом повышения эффективности обработки за счет комбинированного влияния сопутствующих эффектов, в результате чего повышается эффект от применения СОЖ, доказательством чего является снижение сил резания при обработке.

 

Литература

1.  Е.С. Киселев, В.Н. Ковальногов. Научные основы и технология применения СОТС при механической обработке. Ульяновск, УГТУ, 2008,-57с.

2.  Киселев Е. С. Интенсификация процессов механической обработки использованием энергии ультразвукового, поля: учебное пособие. Ульяновск : УлГТУ, 2003. - 186 с.

3.  Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под ред. И. П. Голяминой. -М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.