Применение охлажденного ионизированного воздуха при высокоскоростном фрезеровании Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.9

ПРИМЕНЕНИЕ ОХЛАЖДЕННОГО ИОНИЗИРОВАННОГО ВОЗДУХА ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ФРЕЗЕРОВАНИИ

© 2011 В.Б. Есов1, К.О. Климочкин1, К.Р. Муратов2, О.Г. Хурматуллин3

1 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана 2 Пермский национальный исследовательский политехнический университет 3 ООО «Урал-инструмент-Пумори», г. Пермь

Поступила в редакцию 15.11.2011

Статья посвящена применению технологии охлаждения ионизированным воздухом (ТОИВ) при резании металлов. Исследования были проведены на обрабатывающем центре MCV-450. Результат использования ТОИВ показал, что такой метод охлаждения/смазывания инструмента эффективнее, чем традиционные методы охлаждения.

Ключевые слова: резание металлов, высокоскоростное фрезерование, шероховатость поверхности

Современные методы высокоскоростной механической обработки (HSC), такие как твёрдое точение (точение закалённых сталей с твёрдостью >47 HRC), высокоскоростное фрезерование (HSM) применение жидкостных смазывающе-охлаждающих технологических сред (СОТС) не допускают. Применение жидкостных СОТС на подобных операциях приводит к растрескиванию инструмента вследствие термоудара. Для охлаждения инструмента при HSC используют, как правило, воздушный обдув зоны резания, аэрозольную подачу жидких СОТС, масляный туман. На предприятиях электровакуумной промышленности и приборостроения, где следы охлаждающей жидкости и другие загрязнения обработанной поверхности недопустимы, жидкостные СОТС на операциях механической обработки не применяются. В подобных случаях используют воздушное охлаждение зоны резания, как правило, без какой либо обработки воздуха (например, ионизация или охлаждение). Замена жидкостных СОТС на обдув воздухом при любом виде механообработки ведёт к улучшению экологической обстановки вокруг станка, сокращению моечных и сушильных операций, сокращению затрат на обслуживание системы подачи СОТС, но не всегда воздушное охлаждение является достаточно эффективным.

Есов Валерий Балахметович, кандидат технических наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой.E-mail: vales57@mail.ru

Климочкин Кузьма Олегович, ассистент. E-mail: kuz-ma_k@bk.ru

Муратов Карим Равилевич, кандидат технических наук, доцент

Хурматуллин Олег Гаднанович, генеральный директор

С распространением технологии ЖС задача повышения эффективности воздушного охлаждения становится всё более и более актуальной. Основным недостатком воздуха в роли СОТС является плохая смазывающая способность. Одним из высокоэффективных методов воздушного охлаждения зоны резания является применение охлаждённого ионизированного воздуха (ОИВ).

Разработанные в МГТУ им. Н.Э. Баумана способ охлаждения зоны резания и устройства его реализующие предназначены для повышения производительности оборудования, снижения затрат на его эксплуатацию и ремонт, увеличения стойкости инструмента, создания комфортных санитарно-гигиенических условий в зоне обслуживания. Принцип действия устройства основан на перераспределении энергии сжатого воздуха между двумя потоками, образующимися в вихревой трубе, при его расширении и последующей ионизации холодного потока коронным разрядом. Затем слабо ионизированный воздух под давлением подаётся непосредственно в зону резания, в результате происходит охлаждение режущего инструмента и образование на его контактных поверхностях защитных окисных наноплёнок. Эффективность процесса резания в среде ОИВ обеспечивается за счёт его значительного влияния на контактное взаимодействие инструмента с обрабатываемым материалом и окружающей средой во всём интервале температур. Создание окисных защитных плёнок является эффективным методом повышения износостойкости, что неоднократно доказано в работах, проводимых в МГТУ им. Н.Э.Баумана, Ивановском ГУ, МГТУ СТАН-КИН [1-3].

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 13, №4(4), 2011

В МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Технологии обработки материалов» создан лабораторный стенд на базе токарно-винто-резного станка 16К20 [4]. Проведены опытные работы по определению усадки стружки на различных скоростях резания. В качестве оценочного параметра использовали поперечную усадку стружки Ка (в соответствии с ГОСТ 25762-83 - коэффициент утолщения стружки). Материал заготовки - 30ХГСА, инструмент -сборный резец с пластинами СКММ120408-РЯ из твёрдого сплава МС1460 (ТТ7К12). Параметры режима резания: S=0,2 мм/об, 1=1,5 мм, у=130-290 м/мин (2,16-4,83 м/с). Сбор образцов стружки проводился после 5-7 секунд после начала обработки, для исключения влияния переходного процесса.

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Рис. 1. Коэффициент поперечной усадки стружки при точении в сухую и с УОИВ (заготовка - 30ХГСА, резец - МС1460, s=0,2 мм/об, 1=1,5 мм)

Как видно из рис. 1, применение устройства охлаждения ионизированным воздухом (УОИВ) снижает коэффициент усадки стружки на 5-8% во всём диапазоне исследуемых скоростей, что свидетельствует о лучшем скольжении стружки по передней поверхности инструмента и, как следствие, снижении силы резания. Износ инструмента при обработке в сухую активно начал развиваться при скорости 194 м/мин (3,23 м/с), появилось искрение и задиры на заготовке, тогда как с применением УОИВ аналогичные симптомы появились при 290 м/мин (4,83 м/с). После проведения эксперимента при прочих равных условиях и одинаковой длительности обработки износ пластин по задней поверхности составил 0,2 мм при резании в сухую и 0,1 мм с применением УО-ИВ. Вышеописанный эксперимент подтверждает повышение смазывающих свойств воздуха путём его ионизации в коронном разряде. Стоит отметить, что эксперимент проводился в

условиях непрерывного резания (токарная обработка), т.е. процесс образования окисных плёнок протекал при установившемся тепловом балансе и имел переходный процесс не менее 5-7 с.

Совсем другие условия резания при высокоскоростном фрезеровании. При прерывистом резании режущая кромка испытывает ударные нагрузки, оказываясь попеременно то в материале заготовки, то в смазывающе-ох-лаждающей среде. Прерывистое резание обеспечивает стабильное попадание СОТС на режущие кромки, а стружечные канавки подобно центробежному насосу прокачивают через инструмент всё новые и новые порции СОТС.

Для определения эффективности охлаждённого ионизированного воздуха при высокоскоростном фрезеровании в Учебно-демонстрационном центре ООО «Урал-инструмент-Пумори» и Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) модернизирован фрезерный обрабатывающий центр MCV-450. На обрабатывающем центре смонтировано устройство охлаждения ионизированным воздухом. Проведены поисковые эксперименты по применению системы охлаждения зоны резания ОИВ при высокоскоростной фрезерной обработке. Измерения параметров полученных в результате экспериментов проведены в ПНИПУ.

Ra, мкм

Вдоль движения Поперёк движения

Рис. 2. Замеры шероховатости при фрезеровании (сталь 40Х)

Производилось высокоскоростное фрезерование заготовки из стали 40Х с обдувом инструмента ОИВ и стандартной системой обдува воздухом. Инструмент - фреза концевая твердосплавная TuffCut XR 4 FL End Mill 10ммх22х72 AL tima фирмы M.A. FORD (диаметр - 10 мм, количество зубьев - 4 шт.). Режимы обработки: частота вращения шпинделя n=8000 мин-1, продольная подача Sn=5000 м/мин, глубина фрезерования t=1 мм, ширина фрезерования b=10 мм. Сравнительные испытания проводились между стандартной системой подачи воздуха в зону резания и системы

подачи ОИВ. Производилась обработка двух заготовок двумя одинаковыми фрезами. Замеры шероховатости производились вдоль и поперёк движения подачи. Результаты представлены на рис. 2. В результате испытаний установлено, что применение системы охлаждения зоны резания ОИВ по сравнению с базовой системой обдува воздухом при данных режимах обработки снижает шероховатость поверхности по показателю Ra на 10-30%.

Выводы: вследствие распространения высокоскоростных методов обработки применение обработки «в сухую» неуклонно растёт. Одним из эффективных способов повышения производительности (или стойкости инструмента) при обработке в сухую является охлаждение зоны резания ионизированным воздухом. Ионизация воздуха восполняет смазывающую функцию газообразных СОТС за счёт ускорения образования окисных плёнок на поверхностях инструмента. Простота подготовки

и подачи в зону резания ОИВ, эффективность метода в области высоких скоростей обуславливают перспективность данной технологии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Татаринов, А.С. Возможности и перспективы применения газообразного охлаждения при обработке резанием / А. С. Татаринов, В.Д. Петрова // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1995. №4. С. 1-8.

2. Латышев, В.Н. Трибология и проблемы СОТС / В.Н. Латышев, А.Г. Наумов // Инструмент и технологии. 2004. №18. С. 117-129.

3. Кириллов, А.К. Новый подход к повышению экологической чистоты технологических процессов механообработки // Вестник МГТУ «Станкин». 2008. №4 (4). С. 172-179.

4. Есов, В.Б. Модернизация системы охлаждения металлорежущих станков с применением устройства охлаждения ионизированным воздухом (УОИВ) / В.Б. Есов, К.О. Климочкин // Ремонт, восстановление, модернизация. 2011. №1. С. 10-13.

APPLICATION OF THE COOLED IONIZED AIR AT HIGH SPEED MILLING

© 2011 V.B. Esov1, K.O. Klimochkin1, K.R. Muratov2, O.G. Hurmatullm3

1 Moscow State Technical University named after N.E. Bauman 2 Perm National Research Polytechnical University 3 JSC "Ural-Instument-Pumori", Perm

Article is devoted to the application the technology of cooling by ionization air (TCIA) at cutting of metals. Researches have been led on processing center MCV-450. The result of usage TCIA has shown that such method of cooling/smearing of the tool is more effective, than traditional methods of cooling.

Key words: cutting of metals, high speed milling, surface roughness

Valeriy Esov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Deputy Head of the Department. E-mail: vales57@mail.ru Kuzma Klimochkin, Assistant. E-mail: kuzma_k@bk.ru Karim Muratov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Oleg Hurmatullin, General Director