CC BY
97
УДК 621.9
Н.Е. Курносов, А.В. Тарнопольский
ТЕХНОЛОГИЯ ВИХРЕВОЙ ПОДГОТОВКИ И ПОДАЧИ ВОЗДУШНО-ЖИДКОСТНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД ПРИ МЕХАНООБРАБОТКЕ
Рассмотрено влияние способа подготовки и подачи смазочноохлаждающих технологических сред в зону резания на стойкость инструментов и качество обработки. Показано, что разработанная технология вихревой подготовки подачи смазочно-охлаждающих технологических сред обеспечивает получение многокомпонентных, активированных, мелкодисперсных СОТС с различным процентным соотношением жидкости и газа, применение которых увеличивает стойкость инструмента до двух раз.
N.E. Kurnosov, А^. Tarnopolskij
TECHNOLOGY OF VORTICAL PREPARATION AND SUBMISSION OF AIR-LIQUID AEROSOLS OF COOLING TECHNOLOGICAL ENVIRONMENTS
AT PROCESSING BY CUTTING
Influence of a way of preparation and submission of oilcloth and cooling technological environments in a zone of cutting on stability of tools and quality of processing is considered in this article. It is shown here, that the developed technology of vortical preparation of submission of oilcloth and cooling technological environments provides reception multi component, activated, aerosols with a various percentage parity of a liquid and gas which application increases stability of the tool up to 2 times.
На процесс резания металлов, а также на стойкость режущих инструментов большое влияние оказывают силы трения, возникающие в зоне контакта стружки и обрабатываемой поверхности заготовки с инструментом. На трущихся поверхностях непрерывно возникают участки чистого материала (ювенильные поверхности), способные к активному физико-химическому взаимодействию с атомами, ионами и молекулами окружающей среды, в результате чего на них непрерывно образуются окисные пленки, уменьшающие силы трения. Естественной средой, в которой происходит процесс резания, является воздух, который оказывает смазочное действие. Эффективность действия воздуха возрастает при его охлаждении [1], однако влияние среды можно многократно усилить, если изменить ее состав и свойства, посредством введения в зону резания поверхностно-активных веществ, чаще всего в виде жидкости. В результате применения активированных смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) можно достигнуть резкого уменьшения сил трения при резании и тем самым повысить стойкость режущих инструментов и улучшить качество обработки.
В последние годы одним из направлений сокращения производственных расходов при механообработке стала обработка с минимальным количеством СОТС, подаваемых в
виде мелкодисперсного аэрозоля [2]. Следовательно, воздух может являться самостоятельной СОТС и, кроме того, служить основой для создания большой группы дисперсных жидкостно-газовых сред, называемых аэрозолями. Аэрозоли смазочноохлаждающих жидкостей в воздухе представляют собой полидисперсную гетерогенную систему, в которой дисперсной фазой являются движущиеся капли жидкости. Физикотехнические свойства аэрозолей СОТС существенно отличаются от свойств, как воздуха, так и исходных жидкостей, подвергаемых распылению [1, 3]. При многофазной подаче СОТС появляется возможность совместно и в полной мере реализовать охлаждающее, смазывающее, химическое, режущее и моющее действия, характерные для различных типов СОТС. С учетом тенденций развития техники подачи СОТС разработан термодинамический диспергатор жидкости, позволяющий реализовать технологию вихревой подготовки и подачи СОТС, включающую их активацию [4, 5].
Первая ступень термодинамического диспергатора представляет собой вихревую трубу (рис. 1). Сжатый воздух подается в вихревую камеру через улитку специального профиля, которая формирует вихревой поток, движущийся по внутренней поверхности вихревой трубы по спиральной траектории. При этом в осевой зоне вихревой трубы формируется второй вихревой поток, движущийся навстречу периферийному. В результате интенсивного взаимодействия двух вихревых потоков воздуха (периферийного и осевого) происходит нагрев периферийного потока и охлаждение осевого.
Рис. 1. Общий вид вихревой трубы
Вторая ступень термодинамического диспергатора представляет собой вихревой диспергатор-распылитель (рис. 2). Нагретый или охлажденный в вихревой трубе воздух под давлением подается в вихревую камеру диспергатора-распылителя через улитку специального профиля 1, при этом в осевой зоне 3 вихревой камеры создается разрежение, за счет которого в камеру эжектируется жидкость 4 или порошок. Вихревые потоки диспергируют жидкость или порошок и распыляют через боковое отверстие 6 вихревой камеры. Из отверстия 7 вихревой камеры выходит охлажденный поток воздуха 5.
Рис. 2. Внешний вид и схема вихревого диспергатора-распылителя
Размер капель распыляемой жидкости находится в пределах от 5 до 10 мкм, что обеспечивает эффективный тепло- и массообмен с поверхностями заготовки и инструмента, за счет интенсивного испарения. Разработанные устройства отличаются от отечественных и зарубежных аналогов чрезвычайной простотой и высокой надежностью в работе (нет подвижных соединений), малой энергоемкостью (работают при давлении сжатого воздуха
0,02-0,2 МПа).
Термодинамический диспергатор (рис. 3) работает следующим образом. Сжатый воздух давлением 0,01.. .0,02 мПа по трубопроводу 1 через регулятор давления 2 подается на тангенциальный ввод 4 вихревой трубы 3, где он закручивается и приобретает вихревое движение, а затем разделяется на две составляющие: холодный и горячий потоки. Холодный поток выводится через вывод 5 и по трубопроводу 7 поступает на первый вход переключателя 9 воздушных потоков. Горячий поток через вывод 6 по трубопроводу 8 поступает на второй вход переключателя 9 воздушных потоков. Из переключателя 9 один поток направляется на тангенциальный ввод 13 распылителя 12, а другой через первый пневмоглушитель 10 сбрасывается в атмосферу.
12 1 5 7 9 Л
Рис. 3. Схема вихревого термодинамического диспергатора
Воздушный поток, поступающий в распылитель 12, создает в осевой зоне разрежение, вследствие чего из резервуара 18 происходит забор распыляемой среды во внутреннюю полость распылителя 12. В распылителе 12 происходит разделение поступающего в него сжатого воздуха на холодный и горячий потоки. Холодный поток через торцевой вывод 14 поступает во второй пневмоглушитель 11 и далее в атмосферу. Горячий вихревой поток внутри распылителя перемешивается с поступающей в него распыляемой средой, которая приобретает мелкодисперсное состояние и выводится через патрубок 16 выброса в виде факела аэрозоля.
Термодинамический диспергатор может работать в трех режимах: вихревой энергопреобразователь, обеспечивает подачу холодного воздуха в зону резания; вихревой диспергатор-распылитель жидкости, обеспечивает подачу аэрозоля СОТС; при совместной подаче в зону обработки холодного воздуха и аэрозоля СОТС обеспечивается получение многокомпонентных, активированных, мелкодисперсных СОТС с различным процентным соотношением жидкости и газа. В отдельных случаях оказывается целесообразным применение комбинированного способа подачи одновременно двух распыленных СОТС. Например, вихревой диспергатор-распылитель обеспечивает подачу в зону резания одновременно распыленного масла и распыленной эмульсии. Аэрозоль
масла обеспечивает смазочное действие, а аэрозоль эмульсии - охлаждение зоны резания с целью уменьшения температурных деформаций. Совместное применение двух разнородных СОТС усиливает их действие, т.к. полностью проявляются смазочное, химическое и охлаждающее действия.
Таким образом, высокая эффективность применения вихревого способа подготовки и подачи СОТС в виде воздушно-жидкостного аэрозоля объясняется повышением их физической и химической активности. Удельная поверхность распыленной жидкости в 600-700 раз больше, чем у не распыленной [3], что повышает физико-химическую активность и проникающую способность СОТС. Совместная подача в зону резания воздуха, содержащего кислород, и жидкости интенсифицирует процесс образования окисных пленок на трущихся поверхностях, что уменьшает износ инструмента. При многофазной подаче СОТС появляется возможность совместно и в полной мере реализовать охлаждающее, смазывающее, химическое, режущее и моющее действия, характерные для различных типов СОТС. Применение вихревой системы подготовки и подачи в зону резания СОТС в виде струи холодного воздуха и струи воздушно-жидкостного аэрозоля обеспечивает повышение стойкости инструмента в 2-3 раза за счет эффективного охлаждения зоны резания и смазки трущихся поверхностей в зоне контакта инструмента и заготовки, при резком сокращении количества применяемой жидкости.
Разработанная технология вихревой подготовки и подачи СОТС в виде воздушножидкостного аэрозоля принята к эксплуатации в условиях производства ОАО «Пензкомпрессормаш» при фрезеровании канавок ротора винтового компрессора на зубофрезерном станке фирмы «Холроид», и безотказно работает в течение трех лет. Это позволило повысить стойкость инструмента до двух раз, исключить расходы на использование и утилизацию сульфофрезола в качестве СОТС и на вытяжную вентиляцию мощностью 45 кВт.
Аэрозоли СОТС можно с успехом применять на агрегатных станках, автоматических линиях и, что особенно важно, на станках с ЧПУ, в том числе на многооперационных станках. Активация СОТС при вихревом диспергировании и распылении повышает эффективность действия их смазочных и химических свойств. Использование на отечественных предприятиях технологии вихревой подготовки и подачи СОТС в зону резания позволит повысить стойкость режущих инструментов, снизить затраты на применение и утилизацию СОТС, свести до минимума экологический вред.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бердичевский Е.Г. Смазочно-охлаждающие средства для обработки материалов: справочник / Е.Г. Бердичевский. М.: Машиностроение, 1984. 224 с.
2. Потапов В.А. Применение механической обработки с минимальным количеством СОЖ на германских заводах / В. А. Потапов // Машиностроитель. 1999. № 11. 1999. С. 4652.
3. Клушин М.Н. Охлаждение и смазка распыленными жидкостями при резании металлов / М.Н. Клушин, В.М. Тихонов, Д.Н. Троицкая. Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1988. 123 с.
4. Пат. 2233711 Российская Федерация, МПК7 В05В 7/12. Термодинамический
диспергатор / В.М. Пичугин, Н.Е. Курносов, А.В. Тарнопольский, Д.Н. Давыдов, С.Н. Бурцев, С.Н. Курносов; заявитель и патентообладатель Н.Е. Курносов. №
2002130688/12; заявл. 15.11.2002; опубл. 10.08. 2004, Бюл. № 22. 7 с.
5. Тарнопольский А. В. Технология подготовки и подачи распыленных смазывающе-охлаждающих жидкостей / А.В. Тарнопольский // Технологическое обеспечение надежности и долговечности машин: сб. науч. тр. Ижевск: Ин-т приклад. механ. Урал. отдел. РАН, 2006. С. 236-240.
Курносов Николай Ефимович -
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Транспортно-технологические машины и оборудование» Пензенского государственного университета
Тарнопольский Александр Владимирович -
кандидат технических наук,
профессор кафедры «Транспортно-технологические машины и оборудование»
Пензенского государственного университета
Статья поступила в редакцию 19.10.06, принята к опубликованию 21.11.06
