CC BY
30
№ 3 2007
6. II о в и к о в И. И. Горячсломкость цветных металлов и сплавов. — М: Паука, 1966...... 300 с.
7. П р о х о ров II. И. Физические процессы п металлах при сварке в 2-х томах. ■— VI.: Металлургия. 1%8. — Г I. — 695 с.
8. М а к а р о к '). Л., К о п о в а л о и Л. В., К о р о л с в С. Л. Инженерный программный комплекс «Свариваемость алюминиевых сплавов (горячие трещины)» II Компьютерные технологии в соединении материалов. 4-я Всероссийская научно-техническая конференция (с международным участием): Сб. тез. докл. — Гула: ТулГУ. 2003. — 156 с.
9. К о р о л е в С. А. Оценка склонности сварных швов алюминиевых сплавов к образованию горячих трещин // Образование через науку. Тезисы докладов Международной конференции. Москва. 2005 г. — М.: МГТУ им. 11.Э. Ьаумапа. 2005 . — 674 с.
621.91.01, 542.67
ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОСЕТОК И ПРОНИЦАЕМЫХ ЩЕЛЕВЫХ ТРУБ
МЕХА Н И Ч ЕС КО Й О Б РА БОТ КО Й
Инж. H.H. ЗУБКОВ, студ. А.Д. СЛЕПЦОВ
Предложено использование метода деформирующего резания для получения металлических сеток и фильтрующих труд со ¡целевон структурой поверхности. Выполнен теоретический анализ взаимосвязей параметров обработки и получаемой фильтрующей структуры. Разработана методика управления процессом деформирующего резаная при сквозном npopcfuuuu.
Method of straining shearing is offered under production of wire cloths and filtrating pipes with a slit-like surface structure. Theoretical analysis of correlations between production performance and produced filtrating structure is executed. The technique of control is developed hy process of straining shear ing at open proshearing. f *
Проблема фильтрации жидкостей и газов актуальна практически для всех отраслей машиностроения, химической и пищевой промышленности. Большая потребность в недорогих фильтрах существует для систем промышленного водоснабжения. Для станции а фации очистки сточных вод необходимы мелкопузырчатыс аэраторы.
Для механического отделения твердых частиц наибольшее распространение получили металлические сетчатые и металлокерамичсские фильтры, а также бумажные и тканевые фильтро'шсмснты. На рынке ограниченно присутствуют фильтры со щелевой структурой фильтрующей поверхности, в то время как именно щелевые структуры имеют повышенную проницаемость, а также возможна их регенерация противотоком фильтрующей среды.
Для изготовления фильтрующих систем используются и полимерные материалы, такие как поли ггилеп, полипропилен, ПЭТ. К их преимуществам можно отнести низкую стоимость, небольшой удельный вес, высокую коррозионную стойкость.
Разрабатываемый в МГТУ им. Н.Э. Баумана метод деформирующего резания (ДР)* позволяет образовывать на поверхностях различных материалов щели с шириной от 10 микрометров при глубине до единиц миллиметров. Поэтому метод ДР можно использовать для изготовления фильтров тонкой, средней и грубой очистки, имеющих щелевую структуру фильтрующей поверхности. Реализация получения фильтров со щелевой структурой методом ДР возможна как на листовых, так и на трубных заготовках.
Зубков 11.11. Многофункциональная технология увеличения площади поверхности для повышения ich юоомеппых и технологических свойств деталей И Полег (авиация, ракетная техника и космонавтика).— № 3. — 2003. — С. 41—46.
№3
2007
При использовании металлических или полимерных заготовок лист натягивается на цилиндрическую оправку, после чего последовательно обрабатывается методом ДР с двух сторон, причем орсбрение со второй стороны производится перпендикулярно или под углом к направлению ребер с первой стороны. Глубину резания при обработке обеих сторон листа назначают больше половины его толщины, ч то обеспечивает соединение межреберных зазоров на противоположных сторонах листа. Структура сетки показана на рис. 1, а.
Ma токарном станке методом ДР из медных, алюминиевых, серебряных и титановых листов получены образцы сеток с квадратной и ромбической ячейкой от 15 мкм и выше при толщине сеток 0.3.„0,6 мм (рис. 2, а). Предельно достигну тыс показа тели —л о получение I ООО отверстий на квадратном миллиметре с производительностью 5000 отверстий в секунду.
»1«, •в'- ••
и)
Рис. I. Модель (<-;) и фотография (о) щелевой сетки, полученной обработкой обеих сторон металлического листа методом деформирующею речаиия. Серебро, ширина щелей ХО мкм
Ж. '« "«я ' ■ ■■- '■•к, ■' .■ ■ ■л)
К- --".. ■ ' * . .
¿'■■-Îi'-C*^' '
■нити 7 и пи тт. иц
ШШшЩт ®Г
а)
Рис. 2. Модель (а) и фотография щелемой сетки (Л), полученной обработкой одной строим методом ДР. другой стороны —травлением. Титан HT 1-0, ширина щелей 30 мкм
Возможна комбинация обработки методом ДР одной стороны листа и последующего травления или элекгро эрозионной обработки другой стороны с получением структуры, показанной на рис. 1. б и 2, о.
Изготовление металлических сеток методом ДР перспективно, в первую очередь, для таких материалов, которые ие выпускаются в виде микропроволоки и поэтому не могут быть сотканы или сплетены. К таким материалам относятся т итан, цирконий, алюминий и др. Поскольку площадь поверхности сеток, получаемых ДР, в несколько раз больше площади поверхности проволочных сеток, они также могут быть использованы как катализаторы или как основа для каталитических покрытий.
№ 3 2007
С точки зрения технологичности и производительности изготовления фильтрующих элементов значительно больший интерес представляет использование трубных заготовок стандартного или специального профиля при сквозном прорезании стенки грубы методом ДР (рис. 3).
Рис. 3. Конструкция i нелепой фильтрующей груби, полученная: а —- из стандартной трубной «готовки. ó из
трубной заготовки специального профиля
Основным параметром, определяющим тонкость фильтрации таких проницаемых труб, является ширина щелей Ь. Ее величину в зависимости от технологических параметров обработки можно определить из схемы обработки при виде в плане на зону деформирующего резания (рис. 4). На схеме показано прорезание трубной заготовки, имеющей внутренние продольные пазы (рис. 3, 6) с толщиной стенки грубы Д. Положения инструмен та через один оборот заготовки обозначены на схеме римскими цифрами I и 11. За одни оборот детали инструмент подрезает слой материала трубной заготовки с сечением ЛВС/). Подрезанный слой перетекает инструмент по передней поверхности и занимает положение /4,5,6',/} »определяющееся проекцией-деформирующей кромки на основную плоскость. Как видно из схемы, ширина щелей Ъ зависит от величины главного угла инструмента в плане ф, вспомогательного угла инструмента в плане (р, и величины подачи инструмента за один оборот детали Su:
b = ¿'„(sintp, - simp).
Видим, что при равных главном ф и вспомогательном ф углах инструмента в плане можно получить щели с нулевой шириной, что означает отсутствие для метода ДР теоретических ограничений на получение минимальной ширины щелей. На практике минимальный достижимый зазор между ребрами будет определяться величиной шероховатости боковых сторон ребра.
Если для металлов наклон щелей однозначно определяется вспомогательным углом инструмента в плане ф,, то для термопластичных полимерных материалов ребра после прохода инструмента для ДР стремятся возвратиться в исходное положение. Это необходимо учи тывать при назначении геометрических параметров инструмента, уменьшая вспомогательный угол инструмен та в плане ф, на угол пружинения ребра.
В случае использования заготовок с внутренними продольными пазами возможны два варианта сквозного прорезапия стенки трубы. Первый вариант основан на использовании стандар тной схемы точения и реализуе тся на гокарно-винторезном станке с минимальными затратами на подготовку производства. Во втором варианте применяется кинематическая схема вихревого резания при вращательном движении одного или нескольких инструментов для ДР и поступательном движении заготовки вдоль оси. Реализация данного варианта
Рис. 4. Схема формирования щелевой структуры методом деформирующею резания
требует установки инструмента для ДР па кулачках автоматического патрона токарного станка, а также устройства подачи грубы. Данная схема допускает использование трех инструментов с возможностью их перемещения на глубину резания в процессе вращения патрона. Важнейшим преимуществом пой схемы является ее производительность, сос тавляющая до 6 погонных метров фильтрующей полимерной трубы в минуту. Продольный срез щелевой структуры фильтрующей трубы из полипропилена, полученной из заготовки с внутренними пазами, показан на рис. 5.
Для получения фильтрующих фуб может бы ть использована также продольно-гофрированная заготовка (рис. 6). Получены медные и латунные образцы фильтрующих труб с шириной щелей 30 мкм при сквозном прорезаиии вершин гофр методом ДР.
При использовании стандартных трубных заготовок проницаемость стенки трубы можно достичь, формируя сквозные щели на части длины окружности трубы, т.е. формируя ряды со сквозными рядами. Проведен анализ возможных кинематических схем, позволяющих реализовать получение рядов орсбрсния как на длинномерных трубных заготовках, пак и па мерных отрезках груб небольшой длины. На наш взгляд, наиболее перспективен вариант реализации метода сквозного прорезапия стенки грубы при синхронном вращении инструмента для ДР и заготовки. Прорезание стенки трубы не по всей длине окружности, а участками, с формированием рядов щелей, достигается именно за счет кратного соотношения частот вращения инструмента и заготовки. 'Э тот вариант можно реализовать на обычном токарном станке, оснащенном дополнительным устройс твом для вращения одного или нескольких инструментов. Количество рядов сквозных щелей, параллельных оси трубы, определяется из выражения
/7 Г
• _ 1111
' ' 1
М>3
2007
i И И H
Рис. 5. Продольный ереч фильтрующей грубы, ширина еккочных щелей 20 мкм
Рис. 6. Фильтрующая груба, получаемая ич продолыю-I офриронанпой металлической чаготовкн
iJÊÊh. %JÉr
; . If
: \
Рис. 7. Фильтрующая груба с типовыми рядами еквочных щелей
где пип— частота вращения инструментов, п — частота вращения трубной заготовки, г — количество инструментов для ДР.
Особый интерес представляет фильтрующая труба с винтовыми рядами сквозных щелей (рис. 7), которые можно получить при незначительной рассинхронизации частот вращения инструментов и заготовки. Такая труба, как аналог пружины, имеет возможность значительных упругих деформаций вдоль своей оси. При растяжении или сжатии грубы, которые легко организовать в конструкции фильтра, сквозные щели будут увеличивать или уменьшать свою ширину вплоть до нулевой. Изменение длины грубы на ЛЬ приводит к изменению ширины щелевого зазора па величину А/;,
_ А 1р I '
А Ь =
где L — длина участка со сквозными щелями, р — шаг щелей.
Настройка ширины щелей может быть достаточно точной. Например, для фильтра с щелевым рядом (измеренным вдоль оси трубы) длиной 100 мм с шагом щелей 0,5 мм изменение длины фильтра на 1 мм вызовет изменение ширины щелей на 5 мкм.
Нежесткая в осевом направлении фильтрующая труба может быть использована также в конструкции раскрывающего фильтра, полное раскрытие которого производится при его очистке. Этот принцип был реализован в фильтрующем модуле, разработанном совместно с ООО «Новомет-Пермь» для фильтрации пластовых вод от пропанта, применяемого при гидроразрыве пластов. Модуль состоит из 14 фильтрующих полиэтиленовых труб диаметром 50 мм и длиной 500 мм.
Жесткостью трубы легко управлять, поскольку она зависит от угла со подъема рядов щелей, который определяется из выражения.
V
со = arctan
я О
i — -
тр /
где D — наружный диаметр трубной заготовки, S{] — шаг
получаемых щелей, пш— частота вращения инструмента, п
— частота вращения трубы, / — количество рядов сквозных щелей.
В целом метод ДР позволяет обрабатывать полимерные трубы с наружным диаметром от 6 до 160 мм при толщине стенки от 1 до 6 мм и получать сквозные щели шириной от 0,01 до 0.5 мм.
