CC BY
48
ЕТАПЛООБРАБОТК]
УДК 621.822.172
Применение эффекта Пельтье при лезвийном резании металлов
А. Г. Наумов, В. С. Еловский, В. А. Комельков, М. А. Колбашов
Представлены результаты исследования влияния охлажденных, с использованием «Эффекта Пельтье», воздушных сред на характеристики процесса обработки резанием.
Ключевые слова: лезвийное резание, смазочно-охлаждающие технологические средства, эффект Пельтье, шероховатость поверхности, усадка стружки.
Работоспособность инструментов при резании металлов во многом определяется эффективностью используемых смазочно-охлаждаю-щих технологических средств (СОТС), основной функцией которых является инициирование смазочного и охлаждающего эффектов. Эти два эффекта взаимосвязаны. Улучшение трибологической обстановки контактной зоны посредством формирования на трибосо-пряженных поверхностях инструментального и обрабатываемого материалов разделительных смазочных пленок уменьшает силы трения между ними, т. е. тепловыделение. Однако в большинстве случаев эта теплота не доминирующая. Основное количество теплота образуется в результате деформационных процессов, сопровождающих разрушение обрабатываемого металла (стружкоотделение) при резании.
Выделяющуюся теплоту необходимо отводить, так как повышенные температуры являются стимулирующим фактором развития адгезионных взаимодействий между трибосо-пряженными материалами в контактной зоне. Это неизбежно приведет к росту силовых характеристик резания и, как следствие, к увеличению количества выделяющейся теплоты и уменьшению срока службы инструментов. Таким образом, повышению эффективности охлаждающей функции СОТС следует уделять большое внимание, особенно в случаях, когда технологическое средство не является водорастворимой композицией. При эффективном
отводе теплоты из зоны контакта снижается термомеханическая нагрузка на рабочие поверхности инструмента и тем самым увеличивается срок его службы.
Ионизированный воздух, используемый в качестве СОТС, оказывает положительное влияние на трибологическую обстановку в зоне контакта инструмента и обрабатываемого материала, улучшая качество обрабатываемой поверхности. Но при этом ионизированный воздух не обладает удовлетворительной охлаждающей функцией [1, 2]. Известный метод охлаждения ионизированного воздуха в вихревой трубе Ранка—Хилша [3] имеет недостаточно высокую эффективность. Основным недостатком этого способа является необходимость использования высоких (более 0,5-0,6 МПа) давлений на входе вихревой трубки для получения отрицательного значения температур на ее холодном выходе. Кроме того, дополнительное введение в состав охлаждаемого воздуха (на входе в вихревую трубку) смазочных компонентов может привести к дестабилизации охлаждения в вихревой трубке (эффекта Ранка—Хилша), в результате чего значения температуры на холодном выходе вихревой трубки будут иметь значительные колебания. Это приводит к дестабилизации термодинамических параметров резания в результате «тепловых ударов» и, как следствие, к преждевременному выходу из строя режущих инструментов.
I ЧЕТ^ЛПОО БРА МТКА
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
Избавиться от указанных недостатков можно применением для охлаждения ионизированного воздушного СОТС с элементами Пельтье. Эффект Пельтье — термоэлектрическое явление, заключающееся в том, что при пропускании электрического тока через контакт (спай) двух различных веществ (проводников или полупроводников) на одном контакте происходит выделение теплоты, на другом — ее поглощение. Для реализации эффекта Пельтье промышленностью применяют термоэлектрические модули (ТЭМ). Термоэлектрический модуль (рис. 1) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двумя плоскими керамическими пластинами на основе оксида или нитрида алюминия.
С помощью ТЭМ в настоящее время решается большинство задач промышленного охлаждения. При прохождении через термоэлектрический модуль постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур — одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод теплоты, например с помощью радиатора, то на холодной стороне
Холодная сторона
Рис. 1. Конструктивное исполнение ТЭМ
можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной значению тока, протекающего через ТЭМ.
Эффект Пельтье реализовали с помощью специально изготовленного блока охлаждения (рис. 2), в состав которого входил ионизатор. Наличие ионизатора позволило активировать компоненты охлажденного воздушного СОТС в целях усиления его смазочной функции. В качестве термоэлектрического модуля использовали элемент Пельтье ТВ-99-1,4-1,5. Схема размещения блока охлаждения при резании представлена на рис. 3. Расстояние от выход-
Рис. 2. Конструкция блока охлаждения:
1 — вентилятор; 2 — радиатор на горячей стороне; 3 — термоэлектрический модуль; 4 — радиатор на холодной стороне; 5 — насадок; 6 — корпус; 7 — блок питания; 8 — линии питания; 9 — блок ионизатора
11ЕШ1100ЬРАШКА
Рис. 3. Способ размещения блока охлаждения в процессе резания
ного сопла до зоны резания, согласно рекомендациям [2], составляла 30 мм.
Исследования тепловых характеристик показали достаточную «холодопроизводитель-ность» блока охлаждения. Температуру измеряли в 20 мм от выхода воздушного потока при помощи электронного термометра с термопарой. Значения температуры воздушного потока составили от -5 до +2 °С. Подача воздуха осуществлялась при помощи компрессора при минимальном давлении 0,020,03 МПа.
При изучении охлаждающей способности элемента Пельтье при резании исследовалось распределение температурных полей в режущем клине инструмента при свободном резании стали 45 резцами из быстрорежущей стали Р6М5. Резание, согласно рекомендациям [4], осуществлялось в течение 35 с всухую, с обдувом сжатым воздухом и с обдувом охлажденным воздухом, при скорости резания V = 0,52 м/с и подаче 5 = 0,1 мм/об. В качестве режущего инструмента использовали специальный разрезной резец [5], разъем которого проводился в плоскости, нормальной к режущей кромке (рис. 4). Сопряженные поверхности составных частей резца доводили на алмазсодержащем прокате до параметра шероховатости Яа = 0,08...0,04 мкм при соблюдении плосткостности. На одной из сопрягаемых поверхностей шлифовали пазы глубиной 0,08-0,1 мм. Их ориентировали относительно
главной режущей кромки и располагали под углами 15°, 45° и 75° к передней поверхности. Пазы не доводили до вершины резца на 0,10,3 мм, что позволяло строить температурные поля на расстоянии 100-300 мкм от вершины и исключало попадание частиц обрабатываемого материала и СОТС в разъем между сопряженными частями резца.
Тепловое состояние режущего клина инструмента оценивали по изотермическим поверхностям, получаемым в результате исследований температурных полей с помощью цветовых многопозиционных термоиндикаторных веществ (ЦТИВ). В качестве ЦТИВ использовали вещество ТХИ-53, имеющее шесть цветовых переходов и время срабатывания 1 с. Эксперименты проводили при
Рис. 4. Внешний вид разрезного резца
Распределение температурных полей в режущем клине инструмента
СОТС Номер цветовой зоны Цвет зоны Температура цветового перехода, К Расстояние от режущей кромки до изотермы, мм
по передней поверхности по задней поверхности
Всухую 1 Лимонно-желтый — — —
2 Желтый 410 4,8 4,7
3 Темно-желтый 455 3,3 3,2
4 Светло-коричневый 585 1,4 1,2
5 Коричневый 635 1,14 1,0
6 Темно-коричневый 880 0,83 0,7
Обдув сжатым воздухом 1 Лимонно-желтый — — —
2 Желтый 410 3,8 3,8
3 Темно-желтый 455 2,6 2,5
4 Светло-коричневый 585 1,1 1,0
5 Коричневый 635 0,8 0,75
6 Темно-коричневый 880 0,6 0,4
Обдув охлажденным воздухом 1 Лимонно-желтый — — —
2 Желтый 410 3 2,9
3 Темно-желтый 455 2,4 2,4
4 Светло-коричневый 585 0,8 0,7
5 Коричневый 635 0,5 0,4
6 Темно-коричневый 880 — —
свободном резании. Геометрия резцов: у = 0°, а = 6°. Характерной особенностью ХТИ-53 является строго определенная зависимость температуры цветовых переходов от времени изотермической выдержки.
Представленные в обобщенной таблице и на рис. 5 распределения температур показывают, что наибольшая площадь фиксируемых температурных полей наблюдается при точении всухую (рис. 5, а). Изотермы температурных переходов 880 и 635 К в этом случае были удалены от вершины резца по передней поверхности инструмента (соответственно 0,83 и 1,14 мм). Кривые температур 585, 455 и 410 К аппроксимируются частью окружности с центром на режущей кромке резца (соответственно 1,4; 3,3 и 4,8 мм).
Обдув сжатым воздухом существенно не изменил картину распределения температур (рис. 5, б). Изотермы, соответствующие температурам 880, 635 и 585 К, были незначительно смещены в сторону вершины резца. Расстояние по передней поверхности резца от вершины резца до изотерм 880, 635 и 585 К соответственно равно 0,6; 0,8; 1,1 мм. Следовательно, обдув сжатым воздухом ока-
зывает некоторое положительное влияние на распределение температур в режущем клине инструмента при резании.
Применение обдува с охлаждением привело к сдвигу изотерм в сторону вершины режущего инструмента (рис. 5, в). Расстояние по передней поверхности резца от режущей кромки до изотерм 635 и 585 К соответственно равно 0,5, 0,8, что в 2,25 и 1,75 раза меньше, чем при резании всухую. Кроме того, нет изотермы, соответствующей температуре 880 К.
Приведенные результаты показывают, что обдув охлажденным воздухом оказывает положительный эффект, выраженный значительным снижением температуры в теле резца.
Качество поверхности при лезвийной обработке определяется шероховатостью поверхности и комплексом физико-химических и механических свойств поверхностного слоя. Чаще всего под качеством поверхности понимается шероховатость поверхности, которая оценивается среднеарифметической высотой микронеровностей Яа или максимальным отклонением микронеровностей профиля Яг. В настоящих исследованиях шероховатость
а)
0 1 2 3 4 5
б)
0 1 2 3 4 5
в)
0 1 2 3 4 5
Рис. 5. Распределение температурных зон в режущем клине резцов из БС Р6М5 при свободном точении сплава стали 45 всухую (а), с обдувом сжатым воздухом (б), с обдувом охлажденным воздухом (в)
измерялась с помощью профилографа-профи-лометра «Абрис-ПМ7».
Исследования проводили после точения упорнопроходными резцами, изготовленными из быстрорежущей стали Р6М5, стали 45, коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т, титанового сплава ВТ1-0 и сплава алюминия АМг-2. Шероховатость обработанных поверхностей определяли на базовой длине 2,4 см по среднему арифметическому отклонению профиля Яа. Результаты измерений представлены на рис. 6.
Исследование влияния охлажденных, с использованием эффекта Пельтье, воздушных сред на шероховатость обработанной поверхности стали 45 показали, что при скорости резания 0,45 м/с и различном состоянии воздуха среднее значение высоты микронеровностей снижается на 7-10 % по сравнению с резанием всухую (рис. 6, а). При средних скоростях резания 0,7 м/с наблюдалось уменьшение средней высоты микронеровностей на 20 % при обдуве охлажденным воздухом (рис. 6, а). При высоких скоростях резания (0,88 м/с) зафиксировано увеличение средней высоты микронеровностей при введении среды. Исходя из полученных данных можно утверждать, что охлажденная воздушная среда положительно влияет на трибологиче-скую обстановку в зоне резания при малых (0,45 м/с) и средних (0,7 м/с) скоростях резания, тем самым улучшая качество обрабатываемой поверхности стали 45.
Введение охлажденной ионизированной воздушной среды не оказывает существенного
влияния на качество поверхности при обработке титанового сплава. Значительное снижение высоты микронеровностей (25-30 %) наблюдается при введении охлажденной воздушной среды. Это явление наблюдается на скоростях резания 0,25; 0,36 и 0,48 м/с (рис. 6, б).
Результаты исследований по изучению шероховатости поверхности при резании сплава АМг-2 и стали 12Х18Н10Т показали отрицательный эффект от использования охлажденного и охлажденного ионизированного воздуха (рис. 6, в, г).
Степень пластической деформации металла в процессе стружкообразования принято оценивать усадкой стружки, т. е. сопоставлением продольных размеров срезаемого слоя и стружки, образовавшейся после срезания этого слоя. Пластическая деформация состоит в непрерывном последовательном перемещении элементарных объемов массы металла в направлении плоскости сдвига. В результате пластического деформирования металла в процессе стружкообразова-ния длина срезанной стружки меньше длины срезанного слоя.
Усадка не всегда может точно выражать степень пластической деформации. Она зависит от угла резания и коэффициента трения на передней поверхности инструмента, т. е. от направления равнодействующей силы. Поэтому при постоянной геометрии инструмента по усадке стружки можно судить о смазочной способности СОТС.
Исследования по изучению продольной усадки стружки проводили при точении рез-
а)
5)5 V/Л Скоросгь резания 0.45 м/с
1X^1 Скорость резания 0,7 м/с [XXX] Скорость резания 0.88 м/с
1 2 3 4 5 6 7
б) ._
1,5 -, -
; V/Л Скорость резания 0,25 м/с
; |\\\| Скорость резания 0,36 м/с
1'4~ Скорость резания 0,48
1 2 3 4 5 6 ?
1234567 123456?
Рис. 6. Шероховатость поверхности при обработке резцом из быстрорежущей стали Р6М5 (£ = 0,5 мм, в = 0,1 мм/об): а — сталь 45; б — ВТ1-0; в — АМг-2; г — 12Х18Н10Т;
1 — резание всухую; 2 — обдув сжатым воздухом при Рпит = 0,1 МПа; 3 — обдув охлажденным воздухом при Рпит= 0,1 МПа; 4 — обдув ионизированным воздухом при Рпит = 0,1 МПа, и = —2 кВ; 5 — обдув охлажденным ионизированным воздухом при Рпит = 0,1 МПа, и = —2 кВ; 6 — обдув ионизированным воздухом при Рпит = 0,1 МПа, и = +2 кВ; 7 — обдув охлажденным ионизированным воздухом при Рпит = 0,1 МПа, и = +2 кВ
цами из стали Р6М5, в качестве обрабатываемых материалов использовали сталь 45 и сплав ВТ1-0.
В результате проведенных исследований установлено, что при резании стали 45 (рис. 7, а) с использованием в качестве СОТС охлажденного воздушного потока, в том числе ионизированного, наблюдается улучшение три-бологической обстановки контактной зоны, что обусловлено уменьшением коэффициента усадки стружки. Так, при резании со скоростью 0,3 м/с, применение охлажденного воздушно потока позволило снизить коэффициент продольной усадки стружки до 1,81. При увеличении скорости резании до 0,48 м/с минимальное значение коэффициента усадки (2,065) наблюдалось при использовании ио-
низированного воздуха при напряжении на коронирующем электроде —2 кВ. При скорости резания 0,6 м/с зафиксированы примерно одинаковые значения коэффициентов усадки стружки при обдуве охлажденным воздухом и охлажденным ионизированным воздухом при напряжении +2 кВ.
В ходе исследования значений коэффициента продольной усадки стружки при точении титанового сплава ВТ1-0 зафиксирована отрицательная усадка (рис. 7, б). По нашему мнению, это обусловлено изменением физико-механических характеристик обрабатываемого материала в результате действия СОТС или их отдельных компонентов в процессе резания, что привело к изменению механизма стружкообразования. О возможности проте-
ЕТАПЛООБРАБОТК]
123456? 1234567
Рис. 7. Гистограммы коэффициента продольной усадки стружки при точении стали 45 (а), титанового сплава ВТ1-0 (б):
1 — резание всухую; 2 — обдув сжатым воздухом при Рпит = 0,1 МПа; 3 — обдув охлажденным воздухом при Рпит = 0,1 МПа; 4 — обдув ионизированным воздухом при Рпит = 0,1 МПа, и = —2 кВ; 5 — обдув охлажденным ионизированным воздухом при Рпит = 0,1 МПа, и = —2 кВ; 6 — обдув ионизированным воздухом при Рпит = 0,1 МПа, и = +2 кВ; 7 — обдув охлажденным ионизированным воздухом при Рпит = 0,1 МПа, и = +2 кВ
кания таких процессов при резании металлов с использованием СОТС показано в работе
[7].
Таким образом, из представленных материалов следует, что применение элементов Пельтье для усиления охлаждающей функции СОТС оказывает положительное действие на процесс резания, качество обработанных поверхностей и стойкостные показатели инструментов. Совместное применение эффекта Пельтье и предварительной активации СОТС электрическими разрядами усиливает как охлаждающую, так и смазочную функции СОТС.
Механизм улучшения трибологического состояния контактной зоны (усиление смазочного эффекта) обусловлен инициированием протекания в контактной зоне радикально-цепных реакций, следствием чего является образование разделительных смазочных пленок между обрабатываемым материалом и рабочими поверхностями инструмента. При этом молекулы воды, выделяющиеся в газовом потоке при достижении точки росы в результате его охлаждения посредством эффекта Пельтье, взаимодействуя с различными энергетическими частицами, образованными при действии электрических разрядов, переходят в возбужденное состояние и преобразуются по радикально-цепному механизму согласно реакциям
Н20 +(е, Ни ...) ^ Н20* + (е, Ни ...)
Н. + ОН.
При взаимодействии гидроксильных радикалов образуется перекись водорода, эффект которой при резании обусловлен способностью выделять активных кислород:
ОН. + ОН. ^ Н202;
2Н202 ^ 2Н20* + 02;
02 + (е, Ни ...) ^ 02* + (е, Ни ...),
0. + 0.
где (е, Ни ...) — энергетические частицы, образованные при действии разрядов; Н20*, 0* — возбужденные молекулы воды и кислорода; Н., 0Н., 0. — химические радикалы.
Активные в химическом отношении радикалы кислорода при взаимодействии со све-жевскрытыми металлическими поверхностями контактной зоны образуют оксидные пленки, которые выполняют функции смазочного материала между инструментальным и обрабатываемым материалами. Аналогичным образом — с выделением химически активных частиц — ведут себя и другие смазочные компоненты, при необходимости вводимые в газовый поток.
Литература
1. Подураев В. Н., Татаринов А. С., Петрова В. Д.
Механическая обработка с охлаждением ионизированным воздухом // Вестн. машиностроения. 1991. № 11. С. 27-31.
2. Бахарев П. П. Повышение работоспособности быстрорежущего инструмента путем применения сред активизированных коронным разрядом: дис. ... канд. техн. наук. Иваново: Иван. гос. ун-т, 2005. 130 с.
3. Пат. РФ № 2411115. Способ охлаждения и смазки режущих инструментов / А. Г. Наумов, В. Н. Латышев, В. С. Раднюк, А. Н. Прибылов, К. В. Курапов.
4. Исследование теплового состояния режущих инструментов с помощью многопозиционных термоинди-
каторов / А. С. Верещака, М. В. Провоторов, В. В. Кузин, В. А. Тимощук, А. А. Майер // Вестн. машиностроения. 1986. № 1. С. 45-49.
5. Тепловое состояние быстрорежущего инструмента, подвергнутого химико-термической обработке / В. Н. Латышев, А. Г. Наумов [и др.] // Вестн. машиностроения. 1992. № 4. С. 49-52.
6. Латышев В. Н. Трибология резания металлов: в 9 ч. Ч. 9, доп. Иваново: Иванов. гос. ун-т, 2004. 90 с.
7. Наумов А. Г., Латышев В. Н. Развитие теории радикально-цепного механизма действия СОТС при резании металлов// В сб. науч. тр. «Физика, химия и механика трибосистем». Вып. 12. Иваново: ИвГУ, 2015. С. 5-11.
АО «Издательство "Политехника"» предлагает:
Детали машин: учебник / Н. А. Бильдюк, С. И. Каратушин, Г. Д. Малышев [и др.] ; под общ. ред. В. Н. Ражикова. — СПб. : Политехника, 2015. — 695 с. : ил.
ISBN 978-5-7325-1001-0 Цена: 550 руб.
Издание подготовлено сотрудниками кафедры ДМ БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, учениками В. Н. Кудрявцева — создателя научной школы по разработке и совершенствованию методов расчета на прочность зубчатых и планетарных передач, имеет гриф УМО.
Учебник содержит описания физических основ работы и современных принципов расчета общих по назначению деталей и узлов машин и механизмов различных отраслей техники. В основу предлагаемых методов расчетов положены действующие стандарты и нормативные материалы. Приведены примеры расчетов и необходимые краткие справочные материалы для их выполнения. Содержание разделов учебника выполнено с учетом требований новых федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования ФГОС3 ВПО по направлениям подготовки «Технологические машины и оборудование» и «Прикладная механика» для квалификаций «бакалавр» и «магистр».
Предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Технологические машины и оборудование», «Прикладная механика» и другим для квалификаций «бакалавр» и «магистр» по дисциплинам «Детали машин», «Конструирование деталей и узлов машин», «Детали машин и основы конструирования» и т. п. Учебник может быть полезен аспирантам, инженерам-конструкторам и специалистам различных отраслей промышленности.
Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.
