CC BY
17
УДК 621.923
Е. С. КИСЕЛЁВ, В. Н. КОВАЛЬНОГОВ, М. В. ТАБЕЕВ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ПРОНИКАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СОЖ ПРИ ГЛУБОКОМ СВЕРЛЕНИИ МАЛОМЕРНЫХ ОТВЕРСТИЙ
Представлены результаты экспериментального исследования проникающей способности СОЖ при глубоком сверлении маломерных отверстий. Предлоэ/сены пути интенсификации проникающей способности жидкости за счёт использования энергии ультразвуковых колебаний.
Известно, что при механической обработке заготовок из-за высоких контактных давлений и температур проникновение смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону резания существенно затруднено. Недостаток СОЖ в зоне резания приводит к ухудшению условий работы режущего инструмента и отрицательно влияет на производительность обработки и качество деталей. Особенно сложно проникновение СОЖ в зону глубокого сверления отверстий малого (до 5 мм) диаметра спиральными сверлами, вследствие чего обработка сопровождается налипанием час-тип удаляемого материала на режущие кромки инструмента, вызывая его заклинивание и поломки. Во избежание этого приходится снижать режимы обработки и использовать в качестве присадок к СОЖ химически активные соединения (например, олеиновую кислоту), применение которых нежелательно ввиду их экологической опасности.
Одним из способов усиления проникающей способности СОЖ в зону резания является воздействие на процесс обработки ультразвуковыми колебаниями (УЗК), которые интенсифицируют звукокапиллярные эффекты. По мнению М. И. Клушина [1], В. А. Годлевского [2] и других исследователей [3], большая группа СОЖ, особенно с жировыми присадками оказывает контактно-гидродинамическое смазочное действие. СОЖ проникает на трущиеся поверхности, попадая в первую очередь с боков стружки в сеть капилляров, образованных совокупностью впадин, возникающих из-за наличия налипов на поверхности инструмента. При невысокой скорости резания капилляры за пределами зоны вторичной деформации имеют большой диаметр, так как разделяющие стружку и инструмент налипы относительно велики (до 10 мкм). Вероятно, этого достаточно для проникновения в зону обработки даже относительно вязких СОЖ, таких как МР-8. Но, во-первых, очевидно, что в жидком состоянии СОЖ могут попасть в зону резания только при малых скоростях обработки. Во-вторых, это возможно только в том случае, когда стружка свободно удаляется из зоны резания, а не уплотняется в ней. Поэтому при глубоком сверлении маломерных отверстий проникновение СОЖ в кон-
© Киселёв Е.С., Ковальногов В.Н., Табеев М. В., 2004
тактные зоны весьма проблематично. В результате, несмотря на невысокую скорость резания, эти операции сверления сопровождаются возникновением достаточно больших (свыше 400 °С) контактных температур.
Наложение УЗК улучшает условия проникновения СОЖ, что объясняется следующими причинами:
- в малых объемах первоначально проникшей в контактные зоны СОЖ возникает кавитация, вследствие которой резко усиливается звукокапиллярный эффект. При этом из-за возникающего высокого давления («микрокапельного взрыва» [2]) сеть капилляров будет более разветвленной, а средний их диаметр возрастет в 2 - 5 раз;
- УЗК интенсифицируют химические реакции, а при возникновении кавитации - переход из одного агрегатного состояния в другое;
- наложение УЗК на контактирующие объекты (заготовку, инструмент, СОЖ) способствует уменьшению затрат на трение в контакте инструмента с заготовкой и стружкой. В результате следует ожидать снижения контактной температуры и сил резания, что уменьшит степень уплотнения стружки и облегчит ее удаление по стружкоотводящим каналам инструмента;
- из-за более разветвленной сети капиллярных каналов и усиления звуко капилляр но го эффекта следует ожидать интенсификации транспортирования СОЖ к зоне резания.
Исследование проникающей способности СОЖ в зону глубокого сверления (Dce - 4 мм, L = 50 мм) проводили на оригинальной установке (рис. I) на заготовках из сталей 40Х и 12Х18Н10Т с наложением на инструмент и СОЖ синусоидальных и модулированных по частоте и амплитуде УЗК [4, 5], что существенно увеличивает диапазон размеров паровоздушных пузырьков в жидкости, способных кавитировать.
Для оценки проникающей способности СОЖ разработана методика, позволяющая оценить объем СОЖ, поступившей в зону резания при различной глубине обрабатываемого отверстия. В плоской заготовке 2 и прозрачных накладках 3 из оргстекла (см. рис. 1), приклеенных к заготовке с обеих сторон, перпендикулярно оси обрабатываемого отверстия заранее (до обработки) были просверлены отверстия (ка-
т
І-П
ь
і
Рис. 1. Схема установки для исследования проникающей способности СОЖ в зону сверления маломерных глубоких отверстий: 1 - сверло; 2 - заготовка; 3 - прозрачная накладка
мм
45
40
А
35
30
25
У
20
15
10
пилляры) диаметром 0,5 мм. При сверлении глубокого отверстия спиральным сверлом из стали Р6М5 (ТУ 2-035-600-77) диаметром 4 мм, в момент перерезания поперечных капилляров СОЖ, проникшая на глубину расположения капилляра Ь (10, 20, 30 и 40) мм, начинает его заполнять. По длине у/ столба жидкости в капилляре оценивали расход и давление (с использованием образцовых микроманометров) СОЖ, поступившей в зону резания на различной глубине.
Измеряли также крутящий момент, осевую составляющую силы резания и контактную температуру (методом полуискусственной термопары).
В качестве СОЖ использовали 3 %-ный водный раствор концентрата Синхо-2М (ТУ 381011060-86), который подавали в зону резания через штатное сопло поливом и через специальные устройства [4, 5] с наложением синусоидальных и модулированных УЗК на СОЖ и сверло от генератора ТЕХМА-ЗМ [6] с основной частотой 19,6 кГц и основной амплитудой 10
Рис.2. Зависимость глубины проникновения СОЖ у от отношения ЬЮсе при глубоком сверлении отверстий в заготовках из стали 40Х: 1 -подача СОЖ без УЗК; 2 - с наложением УЗК; 3 - с амплитудной модуляцией; 4 - с частотно-амплитудной модуляцией. Режим обработки: V = 28,8 м/мин, 5 = 0,05 мм/об, О = 9,5 дм7мин. СОЖ - 3 %-ный водный раствор Синхо-2М
мкм. Модулирующая частота амплитудно-модулированного сигнала составляла 1 кГц. Частотную модуляцию осуществляли с частотой 12,5 кГц.
В ходе исследований каждое отверстие сверлили новым сверлом класса точности А с вышлифованным профилем канавок. Все сверла изготовлены в одной партии. До и после сверления геометрию режущей части сверла контролировали на инструментальном микроскопе УИМ-21. Скоростью резания V в экспериментах варьировали в пределах от 17,5 до 28,0 м/мин для заготовок из стали 40Х и от 6,5 до 11,0 м/мин - из стали 12Х18Н10Т. Скорость подачи 5 сверла изменяли от 0,03 до 0,05 мм/об. Глубина сверления (отверстие глухое) во всех опытах составляла 50 мм. Эксперименты проводили по одно- и многофакторному планам. По результатам последних получены регрессионные зависимости глубины у/ проникновения СОЖ в капилляре в зависимости от глубины Ь отверстия, скорости резания V, скорости подачи 5 и
Рис. 3. Зависимости глубины проникновения СОЖ у от скорости подачи 5 (а) и расхода Q СОЖ (б) при глубоком сверлении отверстий в заготовках из стали 40Х: условия экспериментов см. в подписи к рис. 2
расхода <2 СОЖ. Некоторые результаты исследований представлены на рис. 2 и 3.
Как и ожидалось, УЗК, особенно при их модуляции, оказались весьма эффективным средством увеличения проникающей способности СОЖ. Наложение на СОЖ УЗК синусоидальной формы (без модуляции) обеспечило увеличение проникающей способности жидкости в среднем на 23-25 % вне зависимости от глубины сверления и отношения ЬЮсв (см. рис. 2). Амплитудная модуляция увеличивает проникающую способность СОЖ еще на 9 -10 %, а частотная -на 9-15 %, причем эффективность последней возрастает с увеличением глубины отверстия. С ростом теплосиловой напряжённости процесса глубокого сверления, увеличивающейся с увеличением скорости подачи сверла, на глубине 50 мм отмечено еще большее влияние модуляции УЗК (см. рис. 3, а). По-видимому, это связано с повышением температуры СОЖ и уменьшением ее вязкости. С увеличением расхода СОЖ, подаваемой к зоне резания, увеличивается и эффективность применения ультразвука, достигая максимальных значений при расходе СОЖ 10дм3/мин - наложение синусоидальных УЗК на СОЖ увеличивает ее проникающую способность на глубине 50 мм на 26 %, амплитудно-модулированных
- на 46 %, частотно-модулированных - на 54 %.
Все вышеуказанные эффекты линейно связаны с осевой составляющей силы резания и контактной температурой. В среднем применение ультразвука обеспечило снижение осевой составляющей силы резания и крутящего момента на 20-30 %, контактной температуры - на 25 -35 %. В результате существенно (до 1,5-2 раз) увеличен период стойкости сверл (по критерию износа по задней поверхности).
Таким образом, использование ультразвука для повышения проникающей способности СОЖ является важным резервом совершенствования технологии глубокого сверления отверстий малого диаметра.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Технологические свойства новых СОЖ для обработки резанием /Под ред. М. И. Клушина. - М.: Машиностроение, 1979. - 192 с.
2. Годлевский, В. А. повышение эффективности и качества обработки материалов резанием путем управления смазочным действием СОТС. Дис. ... д-р техн. наук: 05.03.01 / Ивановский гос. ун-т. - Иваново. 1995. - 556 с.
0
3. Смазочно-охлаждаюшие технологические средства для обработки металлов резанием: Справочник /Под ред. С. Г. Энтелиса, Э. М. Берлинера. - М.: Машиностроение, 1995. - 496 с.
4. Патент 2203782 РФ, МКИ3 С1 7В23Ь 35/00, В 23 (} 11/10. Способ обработки отверстий осевым инструментом с наложением ультразвуковых колебаний / Е. С. Киселёв, М. В. Табеев. - 2003. - Бюл. № 13.
5. Патент 2203781 РФ, МКИ3С1 7В23Ъ 35/00, В 23 <3 11/10. Способ обработки отверстий осевым инструментом с наложением ультразвуковых колебаний /' Е. С. Киселёв, М. В. Табеев. - 2003. - Бюл. № 13.
6. Киселёв, Е.С. Интенсификация процессов механической обработки использованием энергии ультразвукового поля / Е. С. Киселёв. - Ульяновск: УлГТУ, 2003,- 186 с.
Киселёв Евгений Степанович, доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» УлГТУ. Автор книг и статей в области ресурсосберегающих технологий механической обработки заготовок из различных материалов.
Ковалъногов Владислав Николаевич, кандидат техническга наук, доцент той же кафедры. Работает над совершенствованием технологий механической обработки заготовок путём управления тепловыми процессами в зонах контакта.
Табеев Михаил Викторович, аспирант той же кафедры. Работает над повышением эффективности технологии глубокого сверления маломерных отверстий
