CC BY
15
УДК 621.923
Е. С. Киселев, В. Н. Ковальногов
РЕАЛИЗАЦИЯ ПОТЕНЦИАЛА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ СОЖ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ НА ОСНОВЕ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ
УЛЬТРАЗВУКА
Приведены результаты исследования возможностей использования ультразвука для интенсификации теплоотдачи и снижения тепловой напряженности в зонах обработки, а также увеличения производительности обработки путем применения ресурсосберегающей ультразвуковой техники подачи смазочно-охлаждающих жидкостей.
Введение
В силу того, что смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) являются наиболее эффективным средством защиты поверхностных слоев заготовки и инструмента от деструктивных термомеханических воздействий в зоне механической обработки, до настоящего времени многие вопросы обеспечения стойкости режущего инструмента, производительности механической обработки заготовок и качества деталей машин традиционно решались экстенсивно путем увеличения расхода СОЖ. В последнее время в связи с удорожанием СОЖ и увеличением доли затрат на них в себестоимости готовой продукции, а также в связи с экологическими ограничениями, все большее внимание исследователей и технологов привлечено к вопросам ресурсосберегающего применения СОЖ [1]. Кроме того, зачастую увеличение тепловой нагрузки на поверхностные слои заготовки и инструмента при выполнении современных высокопроизводительных, в том числе сверхскоростных, технологических операций становится технически все труднее компенсировать экстенсивным увеличением расхода подаваемой СОЖ. Научно обоснованное решение вопросов ресурсосберегающего применения СОЖ предусматривает минимизацию их расхода (вплоть до обработки всухую) на всех операциях технологического процесса изготовления детали при одновременном обеспечении на каждой из них заданного качества и производительности обработки как за счет интенсификации функциональных действий СОЖ в зоне резания, так и за счет альтернативных технических и технологических решений.
Математические модели и методика исследований
Совокупная тепловая нагрузка на поверхностные слои заготовки и инструмента в зоне обработки может быть определена из теплового баланса [2]:
( дТ, л
дпи
+ Х з
( дТ л
\дпз , „
V -1 / пз =0
Т = Т
^ и ^ з'
" Чж Чст;
(1)
где Хи, Хз - теплопроводность соответственно инструментального и обрабатываемого материала при температуре контакта, Вт/(мК); пи, пз - нормаль к поверхности соответственно инструмента и заготовки на анализируемом участке зоны контакта, м;
Чвыд = - поверхностная плотность теплового потока, выделившегося в зоне контакта, Вт/м2; Р2
- касательная составляющая силы резания, Н; V
- скорость резания, м/с; Б - площадь контакта инструмента с заготовкой, м2; чж, чст - поверхностная плотность теплового потока, отводимого из зоны контакта соответственно вместе с СОЖ и стружкой, Вт/м2; Ти, Тз - местная контактная температура инструмента и заготовки соответственно, К.
Непосредственное влияние на температурный режим механической обработки и тепловую нагрузку на поверхностные слои заготовки и инструмента оказывают смазочное и охлаждающее функциональные действия СОЖ. Первое проявляется в уменьшении силы резания (и, соответственно, мощности теплообразования чвыд в зоне обработки), а второе - в отводе из зоны обработки части выделившейся теплоты чж (см. зависимость (1)).
При этом поверхностная плотность теплового потока дж, отводимого из зоны контакта за счет нагрева и парообразования СОЖ, определяется зависимостью [3]:
Чж =«(Т - Т/ ) = сж^ж ( — Тя )
5
при Т < Тя
спж^пж( Тя ) + сж^ж(я Т{) ~ ~ /о\
-— при Т > Тя, (2)
и
© Е. С. Киселев, В. Н. Ковальногов, 2007 - 112 -
где а - средний коэффициент теплоотдачи к СОЖ в зоне контакта, Вт/(м2К); Тг - температура потока СОЖ, К; Эж, опж = сжож (т - тх)) - соответственно массовый расход СОЖ и ее пара через зону обработки, кг/с; сж - удельная теплоемкость СОЖ, Дж/ (кгК); г - удельная теплота парообразования СОЖ, Дж/кг; Т5- температура насыщения СОЖ, К; Тг -температура потока СОЖ, К.
Левая часть первого уравнения (1) представляет собой совокупную тепловую нагрузку на поверхностные слои заготовки и инструмента, первое слагаемое в правой его части характеризует смазочное действие СОЖ, а второе - охлаждающее действие. Как следует из анализа зависимостей (1) и (2), альтернативной реализацией смазочного действия СОЖ, по-существу, являются все технологические методы и приемы, которые обеспечивают значимое уменьшение силы резания. Реализация же охлаждающего действия СОЖ практически безальтернативна (за исключением разве что отвода теплоты в технологическую среду в другом агрегатном состоянии - твердом или газообразном - или окружающий воздух), а его интенсификация помимо экстенсивного увеличения расхода СОЖ может быть обеспечена путем интенсификации теплоотдачи в зоне обработки за счет тех или иных воздействий.
Представление об эффективности экстенсивного и интенсивного путей повышения охлаждающего действия СОЖ дает рис. 1, на котором приведены результаты обобщения экспериментальных данных по теплоотдаче и гидродинамике СОЖ в зонах шлифования, представленных в литературе [4, 5].
Из рис. 1 видно, что для увеличения расхода СОЖ непосредственно через зону шлифования
требуется многократно большее увеличение расхода СОЖ в системе ее подачи. Поэтому, как следует из рис. 1, интенсификация теплоотдачи в зоне шлифования на 20 % эквивалентна увеличению расхода подаваемой СОЖ в 7 раз, а увеличение теплоотдачи на 40 % эквивалентно более чем 30-кратному увеличению расхода СОЖ. Учитывая такой характер зависимостей, компенсирование интенсивного теплообразования в зонах высокопроизводительной механической обработки путем экстенсивного увеличения расхода СОЖ становится не только малоэффективным, но зачастую и недостаточным.
Не увеличивая расход СОЖ через зону обработки, увеличить теплоотвод в нее можно либо за счет совершенствования состава СОЖ (в направлении увеличения теплоемкости, теплопроводности, плотности, теплоты парообразования, а также усиления смазочных свойств), либо за счет увеличения коэффициента теплоотдачи (см. зависимость (2)). При этом если возможности первого пути практически исчерпаны, то у второго остаются существенные резервы. Среди методов интенсификации теплоотдачи наиболее эффективными являются те, которые основаны на воздействии на пристенную турбулентность [6]. К ним относятся, например, наложение на движущийся поток акустического поля или ультразвуковых колебаний давления. Следует подчеркнуть, что турбулентный перенос в пограничном слое оказывает определяющее влияние на интенсивность теплоотдачи турбулентных потоков, при этом кинетическая энергия турбулентного движения мала по сравнению с кинетической энергией осредненного течения, поэтому воздействие на пристенную турбулентность обычно
N
О
и
«
о X о й а
<Ц
К
X <ц
№
К <ц
ш
<Ц
о X н
X <ц
м к м и СП
35
30
25 20
15
10
^ /1
1,1 1,2 1,3
Интенсификация теплоотдачи а / а0
1,4
Рис. 1. Увеличение расхода СОЖ через зону шлифования (кривая 1) и сопло для ее подачи (кривая 2), эквивалентное интенсификации теплоотдачи в зоне шлифования
5
0
1
/55Л/1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2007
- 113 -
требует небольших (по сравнению с воздействием на течение в целом) энергетических затрат. Этим и обусловлена высокая эффективность тех способов управления интенсивностью обменных процессов турбулентного потока с охлаждаемой поверхностью, которые основаны на воздействии на пристенную турбулентность.
Выполненный ранее анализ возможностей интенсификации теплоотдачи за счет наложения на поток жидкости периодических воздействий [7] показал, что рациональное применение ультразвука позволяет до 1,25 раза увеличить теплоотдачу. Это, в свою очередь, как следует из рис. 1, открывает возможность до 7 раз сократить расход подаваемой СОЖ через зоны контакта инструмента и заготовки при фиксированном значении отводимого из нее теплового потока. Вместе с тем, на практике часто экономически более целесообразна реализация преимущества от интенсификации теплоотдачи и уменьшения тепловой напряженности в зоне обработки не путем сокращения расхода подаваемой СОЖ, а путем форсирования производительности обработки. В последнем случае, помимо всего прочего, пропорционально снижению машинного времени уменьшается норма расхода СОЖ на одну заготовку [1].
Экспериментальные исследования проводили на установке, созданной на базе плоскошлифовального станка мод. 3Г71, оснащенной динамометрической аппаратурой и аппаратурой для измерения контактной температуры методом полуискусственной термопары, одним электродом которой служила обрабатываемая заготовка, а другим - хроме-левая проволока диаметром 0,1 мм. СОЖ подавали поливом, а также с использованием ультразвуковой техники к торцам круга через клиновые насадки [8]. При этом максимальное расхождение между расчетными и экспериментальными значениями температур не превышало ± 8 %.
Обсуждение результатов
На рис. 2 в качестве примера представлены результаты экспериментального исследования и численного моделирования на основе теплофизи-ческого анализа по методике [3] производительности процесса плоского маятникового шлифования заготовок с применением различной техники подачи СОЖ в зону обработки.
Поскольку, как показали предварительные исследования, увеличение производительности на этой операции лимитируется образованием прижо-гов на шлифованных поверхностях, выполняли детальный теплофизический анализ зоны шлифования с использованием предложенной модели. По результатам этого анализа определяли области режимов бездефектного шлифования, при которых контактная температура не превышала критической температуры вторичных структурно-фазовых
превращений в поверхностном слое шлифованных деталей. Области режимов бездефектного шлифования строили в логарифмической координатной плоскости, по оси абсцисс которой откладывали величину врезной подачи шлифовального круга, а по оси ординат- скорость подачи стола. В такой плоскости изолинии удельной производительности представляют собой семейство параллельных прямых (штриховые линии на рис. 2). Удельную производительность О, мм2/с, подсчитывали по следующей зависимости:
в = 16,67Усг*, (3)
где Ус - скорость продольной подачи стола, м/мин; * - критическая глубина шлифования, при которой для заданной скорости контактная температура в зоне шлифования равна минимальной температуре отпуска, мм/дв.х.
Критическую глубину Г определяли как по результатам серии расчетов теплового состояния, так и по результатам измерения контактной температуры, полагая по рекомендациям [9] минимальную температуру отпуска равной 500 °С.
Как видно из рис. 2, применение ультразвуковой техники подачи СОЖ (кривые 3-5) по сравнению с поливом (кривая 1) при одинаковом расходе подаваемой СОЖ позволило увеличить производительность шлифования до 2 раз при обработке заготовок из стали 40Х и до 3 раз при обработке заготовок из стали 95Х18. При этом, очевидно, в те же разы сократилась и норма расхода СОЖ на одну обработанную заготовку - до 2 раз при обработке заготовок из стали 40Х и до 3 раз при обработке заготовок из стали 95Х18. Наиболее эффективной оказалась ультразвуковая техника на основе частотно-модулированного сигнала [8].
Учитывая комплексное влияние техники подачи СОЖ на реализацию и смазочного, и охлаждающего действий, на втором этапе исследований оценивали вклад каждого из этих действий в итоговый температурный режим обработки. Ввиду невозможности изолировать функциональные действия в эксперименте, этот этап исследований проводили путем выполнения серии из двух численных расчетов теплового состояния инструмента и заготовки по методике [2], в одном из которых полагали дж = 0, тем самым искусственно исключая охлаждающее действие СОЖ. Некоторые результаты этого этапа исследований представлены на диаграммах рис. 3.
Удельная (на 1 мм высоты круга) производительность, мм /с
а л о т с
и
д
о п
«
о н ь
л
о
д
о р
п ь т с
о р
кор
о
гс
б
16 м/мин 12 10
8
6
3,3 4,0
5,3 6,7
10,0 13,3
20,0
к - V \\ \ Ч -VV* ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч N ч ч ч ч ч ч
4 Л ч- \ \\ Хч а. ч 3 Ч V ч ч Ч N ч ч ч ч ч ч
лЧУ* Ьу' \ ч Д \ ч \\ Ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч
ж' А •■Vх ч- \\ ч 1 у 'ч ч Ч ч ч ч ч \ ч ч ч ч
\ ^ V. ч \\ ч \ \ ч \ ч ч \ ч ч \ ч ч \ ч V \ч \> \ч \ \ ч Л \ ч \ ч X ч "ч ч У\ х^ V X ч ч ч> ч Ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч X " ч ч ч ч ч ч Ч
Ч'Ч ч ч ч 0,7 1—1—к ч \ ч \ ч > ч к-^. ч • X ч ч X ч ч X 4 ч X ч X 1,0 ^ ч ХЛ ч X ^ чЛ ч ^ ч Ч к-4 V X ч . чх Л Ч^ 2,0 „ ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч_ ч ч тй
266,7 мм/с 200,0 166,7
133,3 100,0
66,7
33,3
0,01
0,02 0,03 0,04 Глубина шлифования г, мм/дв.х.
Удельная производительность, мм2/с
0,06 0,08 0,10
16 м/мин 12 10
8
6
3,3 4,0
5,3 6,7
10,0 13,3
20,0
- л ЪЧ 2 \\% \ ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч V ч ч ч ч ч ч
ч \ у\ ^ X Ч ч ч ч Ч N ч ч ч ч ч ч
ч\ ч ч 3 ^ N Ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч
^ < ч ' ч ч ч ч ч ч N ч ч ч ч ч ч ч ч
Г^ ч \ 1 ч ч х I ч \ X 1 ^ ч \ 1ч Ч ~ 1 ^ ч А ч^ "^ЛХ /^ч ч - Г4 ч/ / ч Ч N ч Ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч X 4 ч ч ч ч ч ч ч
V' . Ч X 0,7 ч ч X ^ ч X \ X чХ ч ч> Ч N ч ч 1,0 к ч ч к_^ 4 ч ч ч ч ч ч ч ч ч щ ч ч ч ч ч ч тй
266,7 мм/с 200,0 166,7
133,3 100,0
66,7
33,3
0,01
0,02
0,03 0,04
г-►
0,06
мм дв.х
0,10
Рис. 2. Области бесприжогового плоского маятникового шлифования заготовок из стали 40Х (а) и 95Х18 (б) кругом 24А16НС17К11 с подачей СОЖ разными способами: 1, О - поливом; 2 - одновременно поливом и к торцу круга; 3, □ - то же с наложением немодулированных ультразвуковых колебаний; 4, 5 - то же с наложением соответственно амплитудно- и частотно-модулированных ультразвуковых колебаний; О, □ - эксперимент, линии - расчет. СОЖ - 2 %-ый водный раствор продукта Синхо-2М (ТУ 38 1011060-86). Расход СОЖ - 10 дм3/мин
Как следует из анализа представленных на рис. 3 результатов, применение ультразвуковой техники подачи СОЖ (столбцы 2 и 3 по сравнению со столбцами 1) обеспечивает более полную реализацию охлаждающего действия СОЖ, что выражается в большем снижении контактной температуры за счет теплоотвода дж. Так, для стали 40Х уменьшение контактной температуры за счет теплоотвода без наложения ультразвука составило 7 %, а
с наложением ультразвука - около 12 %. Для стали 95Х18 это уменьшение составило соответственно 3 и 7 % соответственно. Как показали результаты расчетов, контактная температура при обработке без применения СОЖ с тем же режимом составила 970 °С (для стали 40Х) 1100 °С (для стали 95Х18). Анализ этих результатов свидетельствует о преобладающем вкладе смазочного действия СОЖ в формирование контактной температуры в
4
2
а
4
2
ЮБМ1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2007
- 115 -
о
о
ts ft
Г ft <u И 5! <u н
к
у
н к
о «
800 600 400 200 0
Щ
%
800
б
Ш
Рис. 3. Влияние охлаждающего действия СОЖ на контактную температуру при плоском маятниковом шлифовании заготовок из стали 40Х (а) и 95Х18 (б) кругом 24А16НС17К11 с подачей СОЖ поливом и к торцу круга: 1 - без ультразвука; 2, 3 - с наложением соответственно немодулированных и частотно-модулированных колебаний; белые столбцы - расчет qж по методике [3]; заштрихованные - qж = 0. Режим шлифования: рабочая скорость круга - 35 м/с, скорость продольной подачи стола - 12 м/мин, врезная подача - 0,005 мм/дв.ход.
6.
7.
зоне обработки.
Вывод
Таким образом, применение ультразвуковой техники подачи СОЖ обеспечивает комплексную интенсификацию смазочного и охлаждающего функциональных действий СОЖ и является резервом совершенствования технологий механической обработки в направлении ресурсосберегающего применения СОЖ.
Перечень ссылок
1. Смазочно-охлаждающие технологические средства и их применение при обработке резанием: справочник / Под общ. ред. Л.В. Ху-добина. - М.: Машиностроение, 2006. - 544 с.
2. Киселев Е.С. Теплофизический анализ операций механической обработки, выполняемых в условиях стесненного тепломассопереноса / Е.С. Киселев, В.Н. Ковальногов // Машиностроение и техносфера ХХ1 века: сборник трудов XI международной научно-технической конференции. - Донецк: ДНТУ, 2004. -Т. 2. - С. 72-76.
3. Киселев Е.С. Теплофизический анализ концентрированных операций шлифования / Е.С. Киселев, В.Н. Ковальногов. - Ульяновск: УлГ-ТУ, 2002. - 140 с.
4. Ефимов В.В. Научные основы повышения технологической эффективности СОЖ на операциях шлифования. Дис. ... д-ра техн. наук: 05.02.08, 05.03.01 / Ульяновский политехн. институт. - Ульяновск, 1988. - 472 с.
Наведено результати досл'дження можливостей використання ультразвуку для iHmeH-сифiкацiТ тепловiддачi й зниження тепловоТ напруженосmi в зонах обробки, а також збiльшення продуктивностi обробки шляхом застосування ресурсозбер'1гаючо'Тультра-звуковоТ mехнiки подачi мастильно-охолодних р'дин.
The results of investigation an opportunity of us ge of ultrasonic to increase of heat transfer, and to decrease of heat loading in machining zone, and also to increase of machining productivity by means of ultrasonic technique of cutting fluid feeding are given.
5. Горбунова И.А. Разработка методики анализа теплового состояния в контактной зоне при глубинном шлифовании на базе экспериментальных исследований условий теплообмена. Авто-реф. дис. . канд. техн. наук: 05.03.01 / Рыбинская гос. технол. академия. - Рыбинск, 2005. - 16 с.
Ковальногов Н.Н. Пограничный слой в потоках с интенсивными воздействиями. - Ульяновск: УлГТУ, 1996. - 246 с.
Ковальногов Н.Н. Управление турбулентным переносом в пограничном слое посредством наложенных периодических воздействий / Н.Н. Ковальногов, В.Н. Ковальногов, Е.Д. Надысе-ва, О.Ю. Шахов // Изв. вузов. Авиационная техника, 1998. - № 1. - С. 49-53. КиселевЕ.С. Интенсификация процессов механической обработки рациональным использованием энергии ультразвукового поля. - Улья -новск: УлГТУ, 2003. - 186 с. Калинин Е.П. Аналитическое определение контактной температуры, эффективной мощности и глубины прижогов в поверхностном слое детали после шлифования / Е.П. Калинин, П.В. Смирнов // Машиностроение и автоматизация производства: межвузовск. сборник. - Вып. 11. - СПб.: СЗПИ, 1998. - С. 95-100.
Поступила в редакцию 22.06.2007
8.
9.
а
