ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ С ВИХРЕВЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ВОЗДУХОМ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

cjyi обработка металлов

технология

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ С ВИХРЕВЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ВОЗДУХОМ

A.M. ДОЛГАНОВ, гл. инженер ОАО «Удмуртторф», Т.Н. ИВАНОВАу доцент Чайковского филиала ГОУ ВПО «ПГТУ» г. Ижевск

В настоящее время, несмотря на большое разнообразие методов финишной обработки, наиболее распространенным является шлифование. Широкому применению шлифования, как методу финишной обработки, способствуют такие положительные качества, как высокая производительность, размерная и геометрическая точность, высокое качество поверхностного слоя и возможность обработки твердых металлов. Однако применение высокопрочных, износостойких материалов в силу особенностей их микроструктуры при шлифовании обычными абразивными кругами быстро призодит к засаливанию, что снижает производительность труда, увеличивает расход абразивного материала, способствует развитию в зоне резания высоких температур, приводящих к дефектам шлифования. Для устранения вышеуказанных дефектов необходимо занижать режимы резания, что снижает эффективность шлифования, но л эти меры не всегда приводят к положительным результатам.

Одним из средств, позволяющих в значительной мере повысить работоспособность абразивного инструмента, является применение эффективных смазочно-охлаж-дающих жидкостей (СОЖ), рациональных способов и устройств для их использования. Методы и средства повышения эффективности смазочно-охлаждающих жидкостей на операциях шлифования можно разделить на две группы: улучшение физико-химических свойств СОЖ и совершенствование технологии их применения.

Успехи в вопроса< создания высокоэффективных технологических жидкостей базируются на результатах теоретико-экспериментальных исследований, полученных С.Г. Энтелесом, Э.М. Берлинером, В.Н. Латышевым, С.Г. Редько, Ю.В. Полянсковым и другими исследователями. Особое значение в получении высокого технологического эффекта применения СОЖ на операциях шлифования имеет способ подачи жидкости в рабочую зону станка. По существу, благодаря работам Л.В. Худобйна, П.Я. Ящерицына, В.И. Островского, Е.А. Карева и ряда других исследователей сформировалось самостоятельное научное направление по совершенствованию технологических процессов механической обработки деталей за счет способа подачи СОЖ в зону резания.

Современные способы и устройства подачи СОЖ в зону резания являются неотъемлемым и обязательным элементом технологического обеспечения операций абразивной обработки. Успешное решение сложных задач по совершенствованию технологических процессов механической обработки деталей машин путем эффективного применения СОЖ не решает однозначно всех проблем по повышению производительности обработки и качества обработанной поверхности. Другим резервом решения этих задач является формообразующий инструмент.

При использовании смазочно-охлаждающей жидкости в прерывистом шлифовальним инструменте требуется большой ее расход, а также необходимость строгого

соблюдения требований безопасности, производственной санитарии и санитарных правил для локализации вредных веществ СОЖ, что приводит к существенным затратам на организационно-технические мероприятия. Кроме того, назначение более эффективной смазочно-охлаждающей жидкости для каждого обрабатываемого материала не всегда является экономически оправданным, например, в единичном, опытном или мелкосерийном производстве. В этих случаях целесообразно на предприятиях унифицировать применяемые СОЖ с учетом получения максимальной эффективности для конкретного производства, цеха или участка. Наличие оптимального ассортимента жидкостей в количестве 5-10 марок и более для различных операций обработки металлов резанием является наиболее существенным в случаях крупносерийного и массового производства.

В связи с этим наиболее эффективным средством снижения температуры в зоне шлифования является подача е зону контакта холодного воздушного потока посредством применения вихревого эффекта, появляющегося в закрученном потоке вязкого сжимаемого газа и реализующегося в вихревой трубке. Наибольший эффект понижения температуры может быть достигнут, если охлаждать холодным воздухом не только зону резания, но и зону охлаждения инструмента.

Такой инструмент содержит корпус типа ЧК, в абразивном слое которого выполнены с равномерным шагом криволинейные канавки переменногс сечения. Внутри инструмента расположены вихревые трубки с углом наклона к оси вращения инструмента 10е... 15* [2]. При этом количество вихревых трубок соответствует количеству криволинейньх канавок, что обеспечивает эффективное охлаждение зоны резания и требуемое качество обрабатываемой поверхности. Расположение вихревых трубок под углом позволяет создать безотрывное стока! 1ис ооздуха из отверстия вихревой трубки в канавки абразивного слоя.

Вихревая трубка представляет собой гладкую цилиндрическую трубку 7, снабженную тангенциальным сс-плом 2, улиткой 3, диафрагмой А с осевым отверстием и дросселем 5, трубопроводами подачи сжатого воздуха 5 и отвода горячего воздуха 7 (рис. 1).

examù боздре

Рис. 1. Схема движения воздуха в вихревой трубке

технология

обработка металлов

Пр/1 втекании газа через сопло образуется интенсивный кругоЕой поток, приосевые слои которого заметно охлаждаются и отводятся через отверстие диафрагмы в виде холодного потока, а периферийные слои подогревакгся и вытекают через дроссель в виде горячего потока. По мере прикрытия дросселя общий уровень давления повышается и возрастает расход холодного потока при соответствующем уменьшении горячего потока. При этом температуры горячего и холодного потоков тоже меняются [3].

Исходными данными для расчета вихревой трубки являемся потребная температура холодного потока 7^ол, общая холодопроизводительность Охол, давление холодного потока в вихревой трубке рхол и температура Т* сжато~о газа. По этим величинам определяется потребный весовой расход холодного потока Схол и потребный эффект охлаждения АГХ0Л:

вхоп = Омп/срАТхоп, (1)

где ср - изобарная теплоемкость газа.

Потребный эффект охлаждения АГХ0Л рассчитывается как разность температуры потока на входе в вихревую трубку Т* и потребной температуры холодного потока 7"*хол:

А7"хпп = Г-Гхоп>

(2)

где "Г - температура поступающего воздуха на входе в вихревую трубку.

Потребное давление воздуха, входящего в вихревую трубку, определяется по зависимости

О = в / ц = О /цс„ АТ

"уоп/ г* **ХОП' X

Р* = Я'Р™ п.

(3)

где 7с' - степень расширения газа в вихревой трубке.

Степень расширения газа в вихревой трубке можно определить как

71' = (1/(1-Д7-хол/Л,П)

т/у-1

(4)

где л, - безразмерная величина температурной эффективности, представляющая собой отношение полученного эффекта охлаждения Д7"хол к эффекту охлаждения при изоэнтропном расширении от параметров входа р*, Т* до давления холодного потока рхол.

Температурная эффективность г\( может быть получена из выражения

^»АГ.ЯЬЦ/Л

при показателе адиабаты у=ср/су.

(5)

Установлено, что с возрастанием весовой доли холодного потока ц резко увеличивается эффект его охлаждения и достигает максимума при ц~С,25. При дальнейшем увеличении ц эффект охлаждения уменьшается и исчезает при ц~1, т.е. тогда, когда дроссель горячего конца трубки голностью закрыт и весь поток выходит через отверстие диафрагмы. Подогрев горячего потока ДГгор> возрастая с ростом ц, достигает максимального значения при ц, близком к 1. Затем резко падает до нуля при приближении ц к единице.

О 5 10 15 20 25 30

Рис. 2. Зависимость эффекта охлаждения 5(&Т

т. °с

от давления р* и температуры V на входе в вихревую трубку при влажности <р^99 %. 1 - р*=0,2 МПа, 2 - р*-0,3 МПа, 3 - р*=0,4 МПа, 4 - р*=0,6 МПа, 5-р*=0,8 МПа

Если в качестве рабочего тела применяется воздух, то площадь проходного сечения сопла определяется по выражению

Я = (мм2).

(8)

с 0,38р'

Для обеспечения плавности входа газа и хорошей осевой симметрии оптимальное соотношение Ь//7=2. Поэтому высота и ширина сопла определяются как

,= [К, ¿>4.

V 2 /7

(9)

Диаметр вихревой трубы О зависи- от площади проходного сечения сопла и будет

0 = 3,65^

(Ю)

Полученный диаметр О уточняется введением поправки на масштаб вихревой трубки:

Потеря оффекта охлаждения 5(Д7*Х0Л) прямопропор-циональна относительной влажности <р сжатого газа и зависит от полного давления на входе р* и температуры потока на входе в вихревую трубку V. Результаты зависимости представлены на рис. 2.

Тогда расчетный эффект охлаждения определяется

(ДГхОЛ 'расч (ДГхол) влаж

(6)

Общий расход воздуха й зависит от относительного весового расхода (весовой доли) холодного потока р:

Ал-0,0055(0-33).

(11

С учетом поправки на масштаб (10) и потребной температурной эффективности т|г вихревой трубки (5) общая поправка л составит

П = г|,+ДтТ

(12)

Введенная поправка будет точной для инженерных расчетов вихревых трубок с диаметром меньше 33 мм. При 0>20 мм темп прироста эффекта охлаждения за-

№2(35)2007 1 1

С^д ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ

метно снижается, так как расход сжатого газа пропорционален квадрату диаметра трубки. Поэтому при больших потребных расходах и при 0>20 мм поправку на масштаб (12) не используют.

Диаметр отверстия диафрагмы зависит от диаметра вихревой трубки и определяется по зависимости

Drf=(0,350 + 0,313p)D.

(13)

Учитывая, что вихревые трубки вписываются в стандартный шлифованный круг, длина вихревой трубки уменьшена до 4 диаметров при сохранении максимального эффекта охлаждения. При этом вихревая зона спроектирована в виде усеченного конуса с расширением в сторону дросселя и с углом конусности 7*, что позволило непосредственно направить выходной холодный поток в канавки абразивного слоя. Поэтому длина вихревой трубки

¿. = 40. (14)

Пример расчета основных параметров вихревой трубки и рабочего тела (воздуха) приведен для следующих параметров: мощность, переходящая в теплоту при шлифовании: И^. = 0,56 кВт, число вихревых трубок - 8, давление холодного потока р*ол = 0,2 МПа = 2атм, давление сжатого воздуха р* = 0.4 МПа « 4 атм, влажность воздуха < 99%, исходная температура сжатого воздуха Т* = 20 *С = 293 К, температура холодного потока на выходе из трубки 7^ол = О 'С.

Избыточная тепловая мощность, приходящая на одну вихревую трубку, будет:

И^=960 = 120 Вт п 8

(15)

Количество отводимого холодным потоком тепла в джоулях за секунду определяется как

Ок = 0,86 • И/т= 0,86 • 120= 103,2 ккал/ч. (16)

Используя выражение (7), можно получить секундный расход сжатого воздуха:

в = Оу3600мсрДГхол = 103,2/36000,5-0,24-20 = 0,012кг/с, (17)

где и = 0,5 - первоначально заданная весовая доля холодного потока;

ср = 1006 дж/кг град = 0,24 ккал/кг град - изобарная теплоемкость для воздуха;

ДГХ0Л = 20 °С - потребный эффект охлаждения

По выражению (8) определяем площадь сопла:

с т. 0,012--у/293

—1 = 100------— = 13,52 мм0.

с 0,38 р 0,38-4 2

Диаметр вихревой трубы по выражению (10) получится равным

0 = 3,65-7^=3,65->/13,52 =13,42 мм.

Вводим поправку на масштаб (11):

Дт| = 0,0055(О- 33) = 0,0055(13,42 - 33) = -0,108.

Если потребный эффект охлаждения (ДГ^)^^ с учетом влажности будет равен потребному эффекту охлаждения ДТ^, тогда поправка на потерю эффекта охлаждения из-за влияния влажности воздуха при давлении р* = 0,4 МПа, температуре сжатого воздуха Т = 20 вС и влажности воздуха < 99 % составит (рис. 2) 5(ДТхоп) = 12 *С Определяем расчетный эффект охлаждения по (6):

+ Ь(АТ ) = 20 + 12 = 32 °С.

Располагаемая степень расширения вихревой трубки по выражению (3):

я' = Р*/Р*оп = 4/2 = 2 атм.

Потребная температурная эффективность будет:

ДГ,

ход

32

Ч1'] п Y 293 1- / у \0,286 2 J

L

0,607,

где показатель адиабаты для воздуха составляет у= Ср/О = 1006/718= 1,4.

Вводим поправку на масштаб вихревой трубки:

Л =0,607+(-0,108) = 0,49.

На основе обобщенных характеристик р = 0,5; я' = 2; л = 0,5 находим расчетное значение ц1расч (рис. 3): М1РаСмт1 = 0,212. Отсюда ц1расч= 0,212/0,5 «0,4.

л 0.9 07 05

V

w \ о.в! о.б/м о.з

0 0.2 04 06 0.8 V Рис. 3. Обобщенные характеристики ц, тс', ti вихревой трубки при расчете холодного потока: 1 - я'=2; 2 - л'=3; 3 - л'=4; 4 - л'=5; 5 - тг'=6; 6 - л'=7.

С учетом расчетного значения М1р>асч уточняем суммарный расход сжатого воздуха:

G = 103,2/3600-0,4-0,24-20 =0,015 кг/с.

Уточняем площадь сопла

0О015^3=1 g мм2 с 0,38 4

и диаметр вихревой трубки 0 = 3,65^16,89 =15,0 мм.

Второй перерасчет поправки на масштаб вихревой трубки дает следующие результаты: Дт| = 0,0055( 15,0 - 33) = -0,999 и Л = 0,607 + (-0,099) = 0,508.

технология

ботка металлов

Пользуясь рис. 3, определяем

М2расчЛ = 0,20 и ц2(:асч = 0,20/0,5 = 0,4.

В результате повторного перерасчета значение относительного весового расхода холодного воздуха Ц2расч совпало со значением первого перерасчета Ц1расч- Поэтому дальнейший перерасчет ц не требуется.

Затем определяем остальные размеры вихревой трубки:

- высоту и ширину сопла по выражениям (9):

2—=2,91 мм, Ь = ^ = ^Ц^ = 5'80 мм'

- диаметр отверстия диаорагмы по выражению (13):

Оа =(0,350 + 0,313ц)0 = (0,350 + 0,313■0,4)15,0 = 7,13мм

Длину вихревой трубки (14) принимаем

/. = 40 = 4-15,0 = 60 мм.

В технологии машиностроения накоплен значительный опыт управления шероховатостью в процессе шлифования. Однако имеющиеся в этой области отдельные работы не дают ясной картины об изменении шероховатости обрабатываемой поверхности в зависимости от

условий прерызистого шлифования с подачей охлажденного газа непосредственно в зону резаная.

Поэтому при изучении процесса плоского шлифования прерывистым алмазным инструментом с вихревым охлаждением особое внимание было уделено исследованию влияния режимов обработки и характеристик инструмента на микрогеометрию обработанной поверхности. Для сравнения были проведены экспериментальные исследования и по шлифованию обычным (сплошным) алмазным инструментом с подачей СОЖ поливом [4].

Из графических зависимостей (рис. 4, а) видно, что с изменением продольной подачи от 2 до 6,5 м/мин величина Яа возрастает, однако абсолютная величина Яа при работе прерывистым инструментом на 30...40% меньше, чем у сплошного инструмента. Это явление может быть объяснено более равномерной работой режущих зерен прерывистого инструмента и эффективным воздействием охлажденного газа на процесс резания, что способ ствует созданию более стабильного режущего профиля и уменьшению сил трения. С увеличением глубины резания (рис. 4, г) величина Яа возрастает, так как увеличивается толщина стружки, а отсюда нагрузка приходящаяся на каждое алмазное зерно, что способствует увеличению глубины проникновения зерен в обрабатываемую поверхность.

На рис. 4, б представлены графические зависимости На от скорости шлифовального круга. С увеличением скорости круга с "0 до 25 м/с величина /?а уменьшается как при прерывистом, так и при обычном алмазном шлифо-

Яв, мкм 0,8

0,6

0,4

1 = 0,2~мм

20 м/р

1 м/мин

\—

Я,.

0 5 10 15 20 \, мин

Яэ, мкм

0,8 0,6 0,4 0,2 0

* = 0 1 м/м 2 мм ИН

«ч

- - -

10

15

б

20 25 I/, м/с

Яа, мкм

0,8 0,6 0,4 0,2 0

ii II I 20 м/с 1 м/мин 4 У

4 У ✓

у »

0,1 02 0,3 0,4 t,м^/

г

Рис. 4. Зависимость высоты микронеровностей Яа от: а - скорости детали, б - скорости круга, в - времени работы, г - глубины резания при шлифовании стали 15X28 с охлаждением: 1 - прерывистый инструмент с вихревым охлаждением, 2 - сплошной круг АЧК 150x32x40 АС6 100/80 М2-01 4.

CJyi ^обработка металлов

технология

вании, так как возрастает число встреч алмазных зерен с обрабатываемой поверхностью. При прерывистом шлифовании, как и при сплошном, величина шероховатости изменяется во времени (рис. 4, в). Канавки в алмазном слое уменьшают общее количество зерен, образующих режущий контур. Это в первоначальный момент работы увеличивает шероховатость обработанной поверхности. По мере формирования режущего профиля круга шероховато 1ь обрабатываемой поверхности снижается и после самоформирования профиля такой круг длительное время сохраняет стабильные условия работы. В отличие от прерывистых кругсв при работе кругом со сплошным контуром после определенного времени работы он теряет режущие свойства вследствие засаливания, шероховатость увеличивается и на обрабатываемой поверхности появляются следы прижогов и других дефектов. Адгезионных явлений в зоне резания при работе прерывистыми кругами с подачей охлажденного газа не наблюдается.

Таким образом, принудительное охлаждение под давлением холодным потоком воздуха непосредственно самой зоны резания, режущих кромок инструмента и обрабатываемой поверхности способствует снижению сил резания, трения, уменьшению выделения теплоты, а также быстрого ее отвода, что повышает гроизводи-тельность, стойкость инструмента, улучшает качество обрабатываемой поверхности, так как исчезают прижоги отпуска, закалки и остаточные напряжения, возникающие при большом перепаде температур по глубине об-

рабатываемых деталей. Следовательно, не нарушаются однородность структуры, постоянство твердости и, как следствие, повышается износостойкость и контактная прочность обрабатываемых деталей.

Нет необходимости в квалифицированном персонале и специальном оборудовании при обслуживании инструмента. Инструмент имеет большой ресурс работы, для которой используется экологически чистое охлаждающее средство (воздух), простота конструкции. Обслуживание вихревых трубок, их надежность, простота получения холодного потока воздуха, производственная экономичность получения холодного потока позволяют решать пэоблему охлаждения зоны шлифования без применения традиционных СОЖ.

Список литературы

1. Якимов A.B. Прерывисто© шлифование. - Киев-Одесса: Вища школа, 1986. -174 с.

2. Решение ФГУ ФИПС о выдаче патента на изобретение «Шлифовальный инструмент с вихревым охлаждением» по заявке № 2005140684/02(045311) от 12.03.2007. B24D7/10, В24В 55/02. Авторы: Долганов A.M., Иванова Т.Н.

3. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. - Куйбышев: КуАН, 1988.

4. Долганов A.M. Повышение эффективности шлифования за счет применения инструмента с вихревым охлаждением// Сб. ciaieü международной научно-техн. конф. «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы». - Волжский: Волжский институт строительства и технологий (филиал) ВолгГАСУ, 2006. - С. 142 - 145.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТЖИТА НА СТРУКТУРУ И ТВЕРДОСТЬ АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВВВ

Широкий интерес к аморфным материалам обусловлен теми преимуществами, которые дает их использование в различных отраслях техники. Причина такого ин-трреоа заключается в перспективах экономии энергии и возможности реализации новых свойств, присущих этим материалам. Изначально предметом внимания к аморфным сплавам, как к конструкционным материалам, была их экстремальная прочность. Однако по мере углубления знаний в области изучения аморфных сплавов надежды на их применение в качэстве высокопрочных материалов были исчерпаны из-за низкого сопротивления аморфных сплавов циклической усталости [1,2].

В то же время появились широкомасштабные пер зпективы в использовании данного класса материалов в зилу их уникальных магнитных свойств, благодаря чему производство аморфных сплавов приобрело промышленный характер. Как отмечают авторы [3], важность этого момента можно оценить по тому факту, что при полной замене электротехнических сталей аморфными ферромагнитными материалами только в одном случае применения в качестве сердечников трансформаторов иуд«1 иэконимлено около 2/3 рассеиваемой энергии.

Однако использование аморфных сплавов в качестве

К.Х. РАХИМЯНОВ, аспирант, НГТУ, г. Новосибирск

материалов конструкций электрических машин, приборов и т.д. требует применения механической обработки. Традиционные методы обработки сопровождаются тем-I пературными и силовыми процессами в зоне резания. I Учитывая структурную чувствительность рассматриваемых материалов к температурному и деформационному I воздействиям, вопрос исследования влияния температу-I ры отжига на структуру и механические свойства аморф-I ных сплавов является весьма актуальным, что также I связано с дальнейшим выбором приемлемых методов их механической обработки.

В качестве материала для исследования были выбраны следующие марки магнитомягких материалов I - аморфный сплав 82КЗХСР и нанокристаллический ' сплав 5БДСР. Эти сплавы успешно заменяют все известные магнитомягкие материалы (ферриты, пермал-» лой, трансформаторную сталь, альсифер и др.) и при I этом имеют в несколько раз превышающие рабочие I характеристики. В основе аморфного сплава 82КЗХСР ! лежат следующие химические элементы: кобальт-осно-! ва, хром, кремний, бор. Составляющие нанокристалли-ческого сплава 5БДСР - железо-основа, ниобии, медь, ! кремний, бор.