Реферат за темою випускної роботи
Зміст
- Мета роботи
- Завдання
- Актуальність теми
- Наукова новизна
- Функціональні дії МОТС
- Способи подачі МОТС
- Вибір способу подачі мастильно-охолоджуючих технологічних середовищ в зону різання при лезовій обробці
- Перелік посилань
Мета роботи
Підвищити продуктивність обробки деталей машин за рахунок обгрунтування раціональної області застосування мастильно-охолоджуючих технологічних середовищ.
Завдання:
- обгрунтування можливостей зниження температури різання з використанням МОТС;
- оптимізація режимів різання токарної обробки з застосуванням МОТС з використанням лінійного програмування;
- розробка програмного забезпечення теоретичних розрахунків температур різання та оптимальних режимів різання.
Актуальність теми
Одним з методів підвищення ефективності механообробки є використання мастильно-охолоджуючих технологічних середовищ (МОТС), що особливо актуально для нержавіючих, жароміцних і високоміцних сталей і сплавів, що мають досить низьку оброблюваність.
Високі температури в зоні обробки, що виникають через низьку теплопровідність важкооброблюваних матеріалів, визначають необхідність дослідження теплових явищ в зоні різання та дослідження ефективності застосування МОТС для зниження температур і підвищення продуктивності.
Існуюча методика розрахунку теплових потоків і температур в зоні різання з урахуванням дії МОТС[1, 2] не враховує особливостей важкооброблюваних матеріалів. Для цих видів матеріалів становить інтерес подальший розвиток методики визначення температур в зоні різання при використанні різних МОТС.
В роботі [3] запропонована методика оцінки підвищення продуктивності обробки з застосуванням різних СОТС, однак аналіз виконаний тільки для одного оброблюваного матеріалу. Доцільно розширення можливостей запропонованої методики для оцінки ефективності використання СОТС при точінні різних важкооброблюваних матеріалів.
При аналізі можливостей підвищення продуктивності обробки, в тому числі за рахунок застосування СОТС, дуже важливий правильний вибір режимів різання. Методика оптимізації режимів різання при точінні з урахуванням температурних обмежень, запропонована в роботах [4, 5], може бути використана для різних важкооброблюваних матеріалів. Представляє інтерес подальший розвиток методики визначення теплових потоків, температур і режимів різання в широкому діапазоні зміни умов обробки різних матеріалів.
Наукова новизна складається:
- у розробці методики визначення коефіцієнта тепловіддачі при внутрішньому охолодженні різця;
- в розробці математичної моделі визначення теплових потоків і температури різання з урахуванням дії МОТС при токарній обробці різних матеріалів;
- в розробці аналітичних залежностей для розрахунку оптимальних режимів різання при точінні з застосуванням МОТС, що забезпечують максимальну продуктивність обробки.
Рис. 1. Процес точіння
(анімація: 104 кБ, 8 кадрів, 7 циклів повторення)
Функціональні дії МОТС
Відповідно до сучасних уявлень МОТС в процесі різання може виробляти змазує, що охолоджує, диспергуючу і миючий дії. Розділити різні ефекти дії МОТС буває досить складно, так як вони можуть проявлятися одночасно і порізно в різних зонах контактної поверхні інструменту, стружки та заготовки в залежності від особливостей операції і режимів різання, характеристик оброблюваного інструментального матеріалів. У більшості випадків високі експлуатаційні властивості МОТС (МОР) визначаються їх змащує і охолоджуючим дією.
Мастильна дія МОР. Мастильна дія МОР проявляється переважно в зоні контакту різця і стружки, а також контакту різця і заготовки. Вона зумовлена ??здатністю МОР вступати у фізичне, хімічне та фізико-хімічну взаємодію з активованими поверхнями контактної зони і утворювати на них гідродинамічні, фізичні (адсорбційні) та хімічні мастильні плівки. В залежності від умов різання такі плівки можуть утворюватися порізно чи одночасно. Фізичні та хімічні мастильні плівки прийнято називати граничними. Їх товщина коливається від декількох десятків до декількох сотень ангстрем. Опір зрушенню у них вище, ніж у гідродинамічних плівок. У разі утворення при різанні металів гідродинамічних мастильних плівок (наприклад, обробка міді при низьких швидкостях) тертьові поверхні розділені шаром МОР в кілька мікрон і більше. Тут в'язкість МОР має переважне значення і повинна бути оптимальною. Іноді в'язкість може бути компенсована сіро-, хлор-або фосфорсодержащими присадками.
Мастильна дія МОР проявляється ще й у тому, що вуглець, кисень, сірка, фосфор та інші елементи, що входять до складу, в умовах високих тисків, напруг і температур не тільки реагує з поверхнею металу з утворенням граничної мастильної плівки, а й дифундують в найтонші поверхневі шари тертьових металевих поверхонь, утворюючи евтектичні сплави з більш низькими коефіцієнтами тертя. В результаті чого полегшуються процеси тертя та пластичної деформації металу.
Багатьма дослідженнями встановлено позитивний вплив змащуючого дії МОР на процеси, що запобігають налипання і наростообразованіе на лезі інструменту, що змінюють форму стружки і довжину контакту стружки з передньою поверхнею інструменту, в результаті чого зменшуються теплоутворення, зусилля різання і шорсткість оброблюваної поверхні. Змазує дію СОЖ залежить від операції і режиму різання, властивостей оброблюваного та інструментального матеріалів і визначається в основному швидкостями освіти і зношування граничних мастильних плівок, а також їх складом, будовою і властивостями.
Охолоджуюча дія МОР. При різанні основна частина механічної енергії перетвориться в теплоту. Охолоджуюча дія МОР заснована на законах теплообміну. Нагріті до високих температур ріжучий інструмент, заготівля і стружка передають шляхом конвективного теплообміну мастильно-охолоджувальної середовища частина тепла. Крім того, тепловідвід при різанні може здійснюватися внаслідок теплопередачі випромінюванням, випаровуванням середовища і протікання хімічних реакцій, що відбуваються при поглинанні теплової енергії. Тепловідвід, пов'язані з випромінюванням, випаровуванням і хімічними реакціями, невеликі. Тому при оцінці охолоджуючого дії МОР обмежуються розглядом конвективного теплообміну, який залежить, головним чином, від теплофізичних властивостей і гідродинамічних умов подачі рідини. На теплообмін найбільш сильно впливають в'язкість, теплопровідність, теплоємність, щільність і змочуваність МОР, а також різниця температур охолоджувальної поверхні і потоку рідини.
У процесі різання найбільшому впливу високої температури піддається інструмент. Дослідження показують, що застосування мастильно-охолоджувальної середовища не перешкоджає виникненню високої температури в інструменті. Однак дія МОР істотно зменшує область нагріву інструменту. При цьому подача емульсії під тиском на допоміжну задню поверхню інструмента більш ефективна, ніж її полив вільно падаючим струменем на передню поверхню інструмента. Для ряду операцій обробки металів різанням ефективність охолоджуючого дії МОР підвищується при подачі рідини в розпиленому стані, під тиском або через внутрішні канали в інструменті в порівнянні з подачею МОР поливом вільно падаючим струменем.
Однак, охолоджуюча дія МОР може мати і негативні наслідки. Так, наприклад, при фрезеруванні (переривчасте різання) твердосплавним інструментом з високою швидкістю різання, застосування СОЖ призводить до значних коливань температури ріжучої частини фрези і зменшення її стійкості. Крім того, інтенсивне охолодження поверхні оброблюваного виробу призводить, як правило, до виникнення в металі внутрішніх напружень розтягнення, що погіршує експлуатаційні властивості виробу.
Диспергуюча дія МОР. Під цією дією МОР мається на увазі їх здатність полегшувати деформацію, руйнування і дроблення (диспергування) металу, тобто надавати дію, що сприяє утворенню нової поверхні. У присутності ПАР полегшується зародження та поширення мікротріщин в металі. Полярні молекули просуваються по стінках утворюються тріщин до тих пір, поки їх розміри не стануть більше розмірів тріщин. В результаті в самих вузьких місцях мікротріщин виникають додаткові розклинювальні тиску, викликані адсорбційними шарами, що призводить до "охрупчіванію" металу і його руйнування. Крихкість металу може підвищуватися за рахунок дифузії атомів та іонів МОР в деформуються шари. В результаті цього процесу метал в зоні деформації швидше досягає граничної міцності і руйнується при менших витратах енергії.
Миючиа дія МОР. У процесі різання металу утворюються стружка і шлам, що складається з дрібнодисперсного стружки, часток зносу інструменту та тертьових деталей верстата, окалини, пилу, бруду, продуктів термоокислительной деструкції компонентів МОР і життєдіяльності мікроорганізмів. Тверді колоїдні частинки шламу проникають в мікронерівності оброблюваної заготовки, деталей верстатів та інструменту, де міцно утримуються електростатичними і механічними силами. Скупчення часток шламу призводить до зниження стійкості інструменту і погіршення якості оброблюваної поверхні. Тому МОР повинні змити і понести велику стружку або металеві ошурки, запобігти утворенню лакообразних відкладень і нагару на поверхнях вироби та інструменту, нагрітих до високих температур. Миючий дію МОР являє собою сукупність фізико-хімічних процесів, що призводять до очищення поверхонь оброблюваної заготовки, інструменту та деталей верстата від шламу. Змивши і евакуація великої стружки або продуктів шліфування, що накопичуються в зоні різання, є однією з важливих функцій МОР. Змиваючі дію в значній мірі залежить від кількості МОР, що подається в зону різання, швидкості потоку і методу подачі рідини. Ефективність змиваючого дії МОР підвищується із введенням до її складу миючих речовин [6].
Способи подачі МОТС
У практиці машинобудування найбільш часто МОР подається в зону різання поливом у вигляді вільно падаючої струменя. На рис. 2. представлений приклад практичної реалізації схеми подачі СОЖ на токарному верстаті (вид ззаду).
Рис. 2. Система подачі МОР на токарному верстаті
Мастильно-охолоджуюча рідина з ємності в лівій тумбі верстата насосом через гнучкий шланг подається в трубопровід з корковим краном і сопловим насадком. З соплового насадка СОЖ подається вільно падаючим струменем на ріжучий інструмент і оброблювану деталь.
При необхідності більш інтенсивного охолодження ріжучих інструментів застосовується їх внутрішнє охолодження, що полягає в пропущенні СОЖ по внутрішнім каналам в тілі інструмента. Найбільш часто внутрішнє охолодження застосовується в осьових інструментах типу свердел, зенкерів, розгорток, протяжок, мітчиків і інших подібних інструментах, але може застосовуватися і в будь-яких інших інструментах. На рис. 3 показані різці з внутрішнім охолодженням. У тілі 1 різця є порожнина, поверхня якої покрита пористим матеріалом (рис. 3, а), змоченим охолоджувальною рідиною.
Рис. 3. Різці з внутрішнім охолодженням
При різанні рідина в ріжучої частини різця випаровується і конденсується в холодної
затискної частини різця. За пористій матеріалу 2 вона знову надходить до ріжучої частини. Різці можуть мати замкнуту (рис. 3, б) і проточну (рис. 3, в) порожнини.
У 1952 році запропонована подача МОР у вигляді піни, яка утворюється в результаті продування обсягу МОР стисненим повітрям і подається в зону обробки тим же шляхом, що і рідина при її поливі. Піна діє в зоні різання менш ефективно, ніж струмінь МОР, коефіцієнт підвищення стійкості знаходиться в межах 1,2 - 1,5. Піна не розтікається так вільно по поверхнях оброблюваної заготовки і деталей верстата, не розбризкується і тому менше забруднює робоче місце. Цей метод рекомендується застосовувати при обробці несиметричних деталей, що виступають частини яких відкидають або збивають подається поливом струмінь МОР, або в інших випадках, де застосування більш ефективних способів подачі МОР незручно або неможливо з якихось причин.
На початку 50-х років розроблено та досліджено спосіб охолодження й змащення зони різання високонапірної струменем рідини. При цьому способі МОР подається в зону різання з боку задньої поверхні різця у вигляді тонкої струменя під тиском 20 - 30 атмосфер. Перші роботи з дослідження ефективності цього методу показали, що він дозволяє багаторазово підвищити стійкість різального інструмента в порівнянні з різанням при поливі МОР. Подальші дослідження цього методу були присвячені вивченню впливу швидкості витікання струменя, витрати рідини, її температури і інших параметрів, на стійкість різального інструмента. Були встановлені залежності швидкості струменя, витрати рідини і стійкості ріжучого інструменту від діаметра отвору сопла і тиску в підводить системі. Метод охолодження високонапірної струменем СОЖ виявляється особливо ефективним при різанні важко оброблюваних матеріалів і сплавів. Так, стойкостние випробування показали, що при переривистому точінні сплаву ЕІ437 стійкість швидкорізальних різців при подачі в зону різання високонапірної струменя СОЖ збільшується більш ніж в 6 разів у порівнянні з різанням при поливі МОР; аналогічні результати були отримані при переривистому точінні сплаву ЕІ766. Метод охолодження й змащення високонапірної струменем рідини є досить ефективним, досить вивченим і розробленим методом, проте він до цього часу не отримав широкого застосування в промисловості через досить серйозних властивих йому недоліків. Однією з причин, що стримують застосування методу, є сильне розбризкування пружною та небезпечної струменя рідини, що виходить з сопла під великим тиском з швидкістю 50 - 80 м / с. Іншою причиною є труднощі забезпечення герметичності рухомих сполук магістралей для підведення рідини, що працюють під тиском 20 - 30 атмосфер. З цих причин метод застосовується в даний час тільки при обробці важко оброблюваних матеріалів і в інших випадках, де вкрай необхідне підвищення стійкості інструменту будь-якими технічними засобами.
Менш ефективним у порівнянні з високонапірним струменевим методом охолодження, але більш зручним, технологічним і перспективним є спосіб охолодження й змащення зони різання розпорошеної рідиною. Він був вперше запропонований в 1944 році новосибірським інженером Г.І. Покровським. У своїй статті автор, зазначив, що цей спосіб ... безсумнівно, заслуговує великої уваги
. Однак, в той важкий воєнний час методу не було приділено належної уваги і тільки лише через десятиліття він був знову вивчений, розроблений і взято в арсенал засобів підвищення ефективності різання металів.
Суть методу охолодження й змащення розпорошеної рідиною полягає в тому, що МОР розпилюють в спеціальному розпилюють пристрої стисненим повітрям і подається в зону різання у вигляді повітро-рідинної суміші. Для утворення повітряно-рідинної суміші використовуються спеціальні розпилювальні установки різних конструкцій.
Найбільш вдалою і працездатною виявилася установка типу УР-3 (рис. 4) з подвійним змішуванням рідини з повітрям, призначена для розпилювання мастильно-охолоджуючих рідин на водній основі. Стисле повітря із заводської мережі, пройшовши корковий кран або вентиль, надходить через фільтр 1 в редукційний клапан 2, призначений для зниження тиску повітря і підтримування його на постійному рівні під час роботи.
Рис. 4. Установка УР-3 з подвійним змішуванням рідини з повітрям
Розпорошені рідини діють в зоні різання більш ефективно, ніж подається поливом рідина завдяки подачі в зону різання кисню стисненого повітря і електризації крапель розпиленої рідини. Описані розпилювальні установки автоматизовані. Автоматизація полягає в застосуванні на цих установках пристроїв, автоматично включають подачу в зону різання розпорошеної рідини під час робочого ходу верстата і припиняють подачу її з припиненням роботи верстата [7].
Вибір способу подачі мастильно-охолоджуючих технологічних середовищ в зону різання при лезовій обробці
В даний час при обробці лезвийні інструментом найбільш розпо-країни такі способи подачі мастильно-охолоджувальної рідини (МОР): полив вільно падаючим струменем рідини; струменево-напірна подача МОР; подача МОР в розпиленому стані [8]. Застосування МОР - найбільш ефективний шлях зниження температури і підвищення стійкості ріжучого інструменту. Для охолодження інстру-мента переважно використовуються МОР на основі водних розчинів, що мають теплофізичні властивості, близькі до властивостей води.
У представленій роботі в якості основного критерію вибору способу подачі СОЖ в зону різання рекомендується коефіцієнт тепловіддачі α, що характеризує основні закономірності конвективного теплообміну та інтенсивність відводу тепла від леза інструменту, стружки і деталі. Для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі при вимушеній конвекції середовища, що виникає в разі примусового руху охолоджуючої рідини в зоні різання, використовується критеріальне рівняння [1]:
(1) де С, m, p, x, y, z - коефіцієнт і показники ступенів, що залежать від способу подачі рідини в зону обробки; поправка ε враховує зміну тепловіддачі при нахилі струменя під кутом φ:
До складу рівняння (1) входять чотири безрозмірних комплексу:
де Nuo – критерій Нуссельта; Reo – критерій Рейнольдса; Pro – критерій Прандтля; Gro – критерій Грасгофа; α – коефіцієнт тепловіддачі; l – характерний розмір; ω – швидкість потоку; – кінематичний коефіцієнт в'язкості середовища; ν – кинематический коэффициент вязкости среды; ν – коефіцієнт температуропровідності; β – коефіцієнт об'ємного розширення; g – прискорення вільного падіння, Θs и Θo – температури поверхні інструменту і охолоджуючої середовища.
При подачі водних розчинів поливом вільно падаючим струменем рідини, що є найпростішим і найбільш поширеним способом, при якому струмінь направляється як на стружку, так і на інструмент, для визначення коефіцієнта тепловіддачі використовується критеріальне рівняння у вигляді:
З цього рівняння визначається коефіцієнт тепловіддачі:
Характерний розмір l за умови поперечного обтікання тіла рідиною визначається як еквівалентний діаметр:
де F – площа поперечного перерізу тіла, P – повний змочений периметр цього перерізу, В, Н – розміри інструмента
У зв'язку з тим, що при різанні на поверхнях леза інструменту в процесі механообробки виникають значно більш високі температури, ніж 100 °С, необхідно враховувати особливості теплообміну при зміні агрегатного стану рідини - кипінні. У діапазоні температур до 200°С С спостерігається бульбашковий режим кипіння з максимально можливим утворенням і відривом бульбашок пари від нагрітої поверхні, що забезпечує найбільший ефект від застосування СОЖ, з коефіцієнтом тепловіддачі:
При більш високій температурі бульбашковий режим кипіння переходить в плівковий. Плівка пара збільшує термічний опір, коефіцієнт тепловіддачі знижується:
При температурі понад 235°С коефіцієнт тепловіддачі практично не змінюється:
ДРух рідини по відношенню до нагрітого інструменту вносить зміни в процес кипіння. Рухома рідина зриває парові бульбашки з поверхні тіла і ослабляє процес бульбашкового кипіння, а також руйнує парову плівку. Наведений коефіцієнт тепловіддачі αпр, що враховує спільний вплив кипіння і конвективного теплообміну (рис. 5), визначається таким чином: при
, 
, при 
де αк и α - відповідно незалежно розраховані коефіцієнти тепловіддачі при кипінні і при конвективному теплообміні.
Рис. 5. Графіки залежності приведеного коефіцієнта тепловіддачі αпр від температури поверхні Θ (при Θ ≤ 150°С) а) і швидкості потоку рідини; б) αпр1 відповідає Θ =170°С; αпр2 - Θ =220°С; αпр3 - Θ >235°С
Графік залежності приведеного коефіцієнта тепловіддачі αпр від температури поверхні Θ (рис. 5а) свідчить про те, що о в області температури 120°С має місце істотне підвищення коефіцієнта тепловіддачі. При високих швидкостях для всіх температур 
, ву зв'язку з чим, коефіцієнт тепловіддачі практично не залежить від температури: αпр ≈ α.
При струйно-напорной подаче водных растворов, сущность которого заключается в подаче СОЖ тонкой струей с давлением до 2 Мпа в зону контакта инструмента с обрабатываемой деталью со стороны задней поверхности, для определения коэффициента теплоотдачи используется критериальное уравнение в виде:
В цьому випадку коефіцієнт тепловіддачі:
Характерний розмір l за умови поздовжнього обтікання тіла рідиною приймається як розмір у напрямку її течії l = Н.
На рис. 6. для порівняння представлені графіки залежності коефіцієнта тепловіддачі α від швидкості охолоджуючої середовища ω і довжини омивається поверхні l при вільному поливі і струменево-напірної подачі МОР.
Рис. 6 Графіки залежності коефіцієнта тепловіддачі α від швидкості охолоджуючої середовища ω і довжини омивається поверхні lпрі вільному поливі – а) і струменево-напірної подачі СОЖ – б)
Таким чином, в результаті проведених досліджень встановлено закономірнийності зміни і кількісні значення коефіцієнтів тепловіддачі при поливі вільно падаючим струменем рідини і струменево-напірної подачі СОЖ, що дозволяють для заданих параметрів обробки вибрати спосіб подачі з найбільшим значенням коефіцієнта тепловіддачі α.
Перелік посилань
- Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. – М.: Машиностроение, 1990. – 288 с.
- Ивченко Т.Г. Расчет тепловых потоков и температур резания при точении с использованием смазочно-охлаждающих жидкостей. // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. – Краматорськ, ДДМА. вип.26, 2010. – c. 90-96.
- Богуславский В.А., Ивченко Т.Г., Зантур Сахби. Повышение производительности обработки труднообрабатываемых материалов с применением смазочно-охлаждающих жидкостей // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Машинобудування і машинознавство. Випуск 7(166). - Донецьк, ДонНТУ, 2010.- с. 9-16.
- Зантур Сахби, Богуславский В.А., Ивченко Т.Г. Оптимизация режимов резания при точении труднообрабатываемых материалов с учетом температурных ограничений // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: – Донецк: ДонНТУ, 2010. Вып. 39. – c. 77-84.
- Vadim Bogouslavskiy, Tatiana Ivchenko. Optimisation of cutting regimes at application of technological cutting fluid // ModTech International Conference 25-27th May 2011, Vadul lui Voda: Chisinau, 2011. p. 669-672. (Index to Scientific & Technical Proceedings of Thomson Scientific – Institute for Scientific Information (ISI).
- Смазачно-охлаждающие технологические средства [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.texnologia.ru/...
- Способы и техника применения технологических сред при резании металлов [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.info.instrumentmr.ru/...
- Справочник по обработке металлов резанием / Ф.Н. Абрамов, В.В. Коваленко, В.Е. Любимов и др. – К.: Техника, 1983. – 239 с.
Зауваження! При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 р. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.