Вихревой способ подготовки и подачи смазывающе-охлаждающих технологических сред в виде воздушно-жидкостного аэрозоля при обработке резанием

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вихревой способ подготовки и подачи СОТС в виде воздушно-жидкостного аэрозоля при обработке резанием

Смазывающе-охлаждающие технологические среды (СОТС) в виде газов, жидкостей или их сочетаний применяют при обработке материалов резанием. Наибольшее применение находят смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), которые производят охлаждающее, смазывающее, химическое, режущее и моющее действия. Ряд исследователей [1, 2] выявили, что наиболее важным свойством СОЖ является ее смазочно-химическое действие. Суть его заключается в том, что под действием высоких температур и давлений в зоне резания при наличии ювенильных поверхностей заготовки и стружки компоненты СОЖ разрушаются с образованием весьма реакционных частиц -- атомов и радикалов, вступающих в химическую реакцию с поверхностями заготовки, стружки и режущего инструмента с образованием твердых смазочных пленок.

С технологической точки зрения подача СОТС представляет соответствующим образом организованный поток веществ. Подача СОТС может быть однофазной и многофазной [1, 2]. При однофазной подаче в зону обработки поступает какое-либо одно технологическое средство, например воздух или какой-либо газ, СОЖ в виде эмульсии на водной основе или масла. При многофазной подаче в зону резания подают одновременно несколько различных СОТС. В настоящее время чаще всего используют однофазную подачу, но многофазная подача более перспективна, так как позволяет значительно повысить эффективность обработки за счет сочетания свойств, присущих различным видам СОТС. При многофазной подаче СОТС появляется возможность совместно и в полной мере реализовать охлаждающее, смазывающее, химическое, режущее и моющее действия, характерные для различных типов СОТС. Одним из эффективных способов повышения производительности процессов механической обработки и снижения затрат на применение СОТС стала подача СОЖ в зону резания в распыленном виде. Распыленная жидкость чаще всего подается в зону резания в виде факела воздушно-жидкостного аэрозоля. Аэрозоли СОЖ в воздухе представляют собой полидисперсную гетерогенную систему, в которой дисперсной фазой являются сферические движущиеся капли жидкости. Физико-технические свойства аэрозолей существенно отличаются от свойств как воздуха, так и исходных жидкостей, подвергаемых распылению [3]. Поэтому можно считать, что применение аэрозолей не столько самостоятельный способ подачи СОТС, сколько формирование новой технологической среды при обработке материалов резанием.

Технологические возможности СОЖ могут быть значительно увеличены за счет их активации. Одним из основных этапов при разработке технологии применения СОТС является выбор не только вида и метода ее подачи, но и способов их активации при подаче в зону резания. Активация трением и диспергированием -- новый, но весьма перрпективный вид активации, заключающийся в возбуждении молекул веществ, входящих в состав СОТС, в процессах трения и интенсивного механического диспергирования [2, 3]. При подборе режимов диспергирования можно создать такую степень активации СОТС, при которой она приобретает новые физико-химические свойства. При этом дополнительный эффект вносят реакции с участием молекул воды и кислорода.

В настоящее время получение аэрозоля с определенными пропорциями жидкости и воздуха производится в установках, находящихся под давлением. Недостатком, сдерживающим широкое применение технологии обработки с подачей СОТС в виде аэрозоля, является сложность конструкции применяемых для этого устройств и их высокая стоимость [3, 4].

Новым способом, лишенным указанных недостатков, является технология подготовки и подачи в зону резания воздушно-жидкостного аэрозоля за счет диспергирования жидкости вихревыми потоками воздуха с последующим их распылением с использованием вихревых диспергаторов-распылителей [5]. В результате взаимодействия вихревых потоков образуется трехмерное силовое поле, которое характеризуется перепадами давления и скорости. Мощное энергетическое воздействие на распыляемую жидкость приводит к ее диспергированию, разрыву межмолекулярных связей, частичному испарению и электризации частиц и молекул жидкости, что обусловливает изменение межмолекулярного взаимодействия и процессов передачи энергии, отличающихся высокой скоростью.

Принципиальным отличием вихревой технологии подготовки и подачи СОТС в виде воздушно-жидкостного аэрозоля является особый характер процессов, связанных с усилением роли различных размерных эффектов вследствие значительной площади границ раздела фаз составляющих СОТС. При этом происходит эффективная активация СОТС вихревыми потоками за счет трения, высокочастотных колебаний, разрыва межмолекулярных связей в жидкостях. Кроме того, вихревой способ подготовки и подачи СОТС в виде воздушно-жидкостного аэрозоля обеспечивает возможность легкого образования аэрозолей, содержащих одновременно газ, капли масел и водных эмульсий [6]. Такие аэрозоли отличаются повышенными технологическими свойствами и обеспечивают при подаче СОТС в зону резания синергетический эффект за счет совместной реализации практически всех видов воздействия на процесс обработки: охлаждающего, смазывающего, химического, режущего и моющего.

Разработанные многофункциональные вихревые диспергаторы-распылители в отличие от известных устройств обеспечивают возможность подготовки и подачи СОТС в различных режимах. Так, вихревой энергопреобразователь обеспечивает подготовку и подачу струи холодного воздуха в зону резания, если не допускается применение СОЖ; вихревой диспергатор-распылитель жидкости обеспечивает подготовку и подачу в зону резания СОТС в виде воздушно-жидкостного аэрозоля; термодинамический диспергатор позволяет совместить подачу в зону обработки струи холодного воздуха с минимальной подачей распыленных СОЖ; устройство для распыления обеспечивает смешение и диспергирование в вихревой камере нескольких разнородных компонентов СОТС -- воздуха, жидкости и порошков -- для их совместного распыления.

Таким образом, новая вихревая технология подготовки и подачи СОТС в виде аэрозоля формирует требования к разработке комплекса устройств для подготовки и подачи СОТС при различных методах и условиях обработки.

Среди разработанных вихревых диспергаторов-распылителей можно выделить устройство для распыления, которое отличается простотой конструкции и позволяет получить охлажденную аэрозоль одновременно двух жидкостей, например водосодержащих эмульсий и масляных. Устройство работает от источника сжатого воздуха с давлением 0,2--0,4 МПа. При этом расход воздуха составляет 4--21 м³/ч в зависимости от типоразмера диспергатора-распылителя. Расход жидкости регулируется в диапазоне 0--0,5 л/мин.

Скорость потока аэрозоля зависит от давления сжатого воздуха, подаваемого в вихревой диспергатор-распылитель. От него же зависят размер частиц распыляемой жидкости и их распределение в поперечном сечении факела аэрозоля. Оптимизация режимов распыления жидкости позволит направить высокоскоростной поток воздушно-жидкостного аэрозоля в зону контакта резца, стружки и детали и одновременно свести к минимуму образование капелек СОЖ на поверхности инструмента, детали и оснастки. Анализ результатов замера скорости потока при давлении сжатого воздуха на входе вихревой камеры 0,2 МПа показывает, что скорость потока аэрозоля после выхода из сопла распылителя сохраняется почти неизменной на расстоянии до 50--70 мм (рис. 1.). Затем начинает сказываться сопротивление окружающего воздуха, и скорость потока быстро падает.

Для оценки влияния давления сжатого воздуха, подаваемого на вход вихревой камеры диспергатора-распылителя, на скорость потока аэрозоля измерили скорость на расстоянии 30 и 50 мм от сопла распылителя, изменяя давление сжатого воздуха в пределах 0,1--0,4 МПа (рис. 2).

Полученные результаты показывают, что с ростом давления воздуха увеличивается и скорость потока аэрозоля. Зависимость носит степенной характер и может быть описана полиномами, полученными с использованием программных средств Microsoft Excel. Различие в скорости на расстоянии 30 и 50 мм от сопла распылителя составляет 15--17 %, что позволяет с учетом предыдущих результатов рекомендовать такое расположение диспергатора-распылителя при подаче распыленных СОТС в зону резания. При этом угол расширения, характеризующий форму факела аэрозоля, составляет 10--12^е. На расстоянии 30--50 мм от сопла диспергатора-распылителя 80--90 % капель распыляемой жидкости попадают непосредственно в зону резания, производя химическое, режущее, смазывающее, охлаждающее действие.

Содержание до 90 % капель жидкости в осевой зоне факела аэрозоля (рис. 3) позволяет доставлять практически все количество распыляемых СОТС в зону резания, при этом реализуются все действующие факторы СОТС, не образуется воздушный туман, обеспечивается безопасность оператора и экономия используемых СОТС.

В системах вихревой подготовки и подачи в зону резания воздушно-жидкостного аэрозоля доля СОЖ составляет менее 1 % воздушно-капельной струи. В результате СОЖ воздействует на зону резания и не оставляет следов на станке и детали, стружка сходит практически сухой и не требует дополнительной очистки при утилизации.

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ

воздушный жидкостный аэрозоль механическое резание

1. Бердичевский Е.Г. Смазывающе-охлаждающие средства для обработки материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1984.224 с.

2. Латышев В.Я., Наумов А.Г. О смазочном и химическом действии внешней среды при резании металлов // Трение и износ. 2001. № 3. С. 342--348.

3. Клушин М.Н., Тихонов В.М., Троицкая Д.Н. Охлаждение и смазка распыленными жидкостями при резании металлов. Горький: Волго-вятское кн. изд., 1988. 123 с.

4. Потапов В.А. Применение механической обработки с минимальным количеством СОЖ на германских заводах // Машиностроитель. 1999. № 11. С. 46--52.

5. Повышение эффективности механической обработки роторов винтовых компрессоров / Н.Е. Курносое, А.В. Тарнопольский, А.В. Матвеев, В.В. Лобачев // Новые материалы и технологии -- НМТ-2004. М.: МАТИ, 2004. Т. 2. С. 22--23.

Размещено на Allbest