ДонНТУ   Портал магистров

Зайцева Ирина Юрьевна

Факультет инженерной механики и машиностроения

Кафедра технологии машиностроения

Специальность Технология машиностроения

Повышение производительности токарной обработки деталей машин за счет использования смазочно-охлаждающих технологических сред

Научный руководитель: к.т.н., доц. Ивченко Татьяна Георгиевна

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Цель работы
• Задачи
• Актуальность темы
• Предполагаемая научная новизна
• Функциональные действия СОТС
• Способы подачи СОЖ
• Выбор способа подачи смазочно-охлаждающих технологических сред в зону резания при лезвийной обработке
• Список источников

Цель работы

Повысить производительность обработки деталей машин за счет обоснования рациональной области применения смазочно-охлаждающих технологических сред.

Задачи:

• обоснование возможностей снижения температуры резания с использованием СОТС;
• оптимизация режимов резания токарной обработки с применением СОТС с использованием линейного программирования;
• разработка программного обеспечения теоретических расчетов температур резания и оптимальных режимов резания.

Актуальность темы

Одним из методов повышения эффективности механообработки является использование смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС), что особенно актуально для нержавеющих, жаропрочных и высокопрочных сталей и сплавов, обладающих весьма низкой обрабатываемостью.

Высокие температуры в зоне обработки, возникающие из-за низкой теплопроводности труднообрабатываемых материалов, определяют необходимость исследования тепловых явлений в зоне резания и исследование эффективности применения СОТС для снижения температур и повышения производительности.

Существующая методика расчета тепловых потоков и температур в зоне резания с учетом действия СОТС [1, 2] не учитывает особенностей труднообрабатываемых материалов. Для этих видов материалов представляет интерес дальнейшее развитие методики определения температур в зоне резания при использовании различных СОТС.

В работе [3] предложена методика оценки повышения производительности обработки с применением различных СОТС, однако анализ выполнен только для одного обрабатываемого материала. Целесообразно расширение возможностей предложенной методики для оценки эффективности использования СОТС при точении различных труднообрабатываемых материалов.

При анализе возможностей повышения производительности обработки, в том числе за счет применения СОТС, весьма важен правильный выбор режимов резания. Методика оптимизации режимов резания при точении с учетом температурных ограничений, предложенная в работах [4, 5], может быть использована для различных труднообрабатываемых материалов. Представляет интерес дальнейшее развитие методики определения тепловых потоков, температур и режимов резания в широком диапазоне изменения условий обработки различных материалов.

Предполагаемая научная новизна состоит:

• в разработке методики определения коэффициента теплоотдачи при внутреннем охлаждении резца;
• в разработке математической модели определения тепловых потоков и температуры резания с учетом действия СОТС при токарной обработке различных материалов;
• в разработке аналитических зависимостей для расчета оптимальных режимов резания при точении с применением СОТС, обеспечивающих максимальную производительность обработки.

Рис. 1. Процесс точения
(анимация: 107 кБ, 8 кадров, 7 циклов повтроения)

Функциональные действия СОТС

В соответствии с современными представлениями СОТС в процессе резания может производить смазывающее, охлаждающее, диспергирующее и моющее действия. Разделить различные эффекты действия СОТС бывает весьма сложно, так как они могут проявляться одновременно и порознь в различных зонах контактной поверхности инструмента, стружки и заготовки в зависимости от особенностей операции и режимов резания, характеристик обрабатываемого инструментального материалов. В большинстве случаев высокие эксплуатационные свойства СОТС (СОЖ) определяются их смазывающим и охлаждающим действием.

Смазывающее действие СОЖ. Смазывающее действие СОЖ проявляется преимущественно в зоне контакта резца и стружки, а также контакта резца и заготовки. Оно обусловлено способностью СОЖ вступать в физическое, химическое и физико-химическое взаимодействие с активированными поверхностями контактной зоны и образовывать на них гидродинамические, физические (адсорбционные) и химические смазочные пленки. В зависимости от условий резанья такие пленки могут образовываться порознь или одновременно. Физические и химические смазочные пленки принято называть граничными. Их толщина колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен ангстрем. Сопротивление сдвигу у них выше, чем у гидродинамических пленок. В случае образования при резании металлов гидродинамических смазочных пленок (например, обработка меди при низких скоростях) трущиеся поверхности разделены слоем СОЖ в несколько микрон и более. Здесь вязкость СОЖ имеет преобладающее значение и должна быть оптимальной. Иногда вязкость может быть компенсирована серо-,хлор- или фосфорсодержащими присадками.

Смазывающее действие СОЖ проявляется еще и в том, что углерод, кислород, сера, фосфор и другие элементы, входящие в состав, в условиях высоких давлений, напряжений и температур не только реагирует с поверхностью металла с образованием граничной смазочной пленки, но и диффундируют в тончайшие поверхностные слои трущихся металлических поверхностей, образуя эвтектические сплавы с более низкими коэффициентами трения. В результате чего облегчаются процессы трения и пластической деформации металла.

Многими исследованиями установлено положительное влияние смазывающего действия СОЖ на процессы, предотвращающие налипание и наростообразование на лезвии инструмента, изменяющие форму стружки и длину контакта стружки с передней поверхностью инструмента, в результате чего уменьшаются теплообразование, усилия резания и шероховатость обрабатываемой поверхности. Смазывающее действие СОЖ зависит от операции и режима резания, свойств обрабатываемого и инструментального материалов и определяется в основном скоростями образования и изнашивания граничных смазочных пленок, а также их составом, строением и свойствами.

Охлаждающее действие СОЖ. При резании основная часть механической энергии преобразуется в теплоту. Охлаждающее действие СОЖ основано на законах теплообмена. Нагретые до высоких температур режущий инструмент, заготовка и стружка передают путем конвективного теплообмена смазочно-охлаждающей среды часть тепла. Кроме того, теплоотвод при резании может осуществляться вследствие теплопередачи излучением, испарением среды и протекания химических реакций, происходящих при поглощении тепловой энергии. Теплоотводы, связанные с излучением, испарением и химическими реакциями, невелики. Поэтому при оценке охлаждающего действия СОЖ ограничиваются рассмотрением конвективного теплообмена, который зависит, главным образом, от теплофизических свойств и гидродинамических условий подачи жидкости. На теплообмен наиболее сильно влияют вязкость, теплопроводность, теплоемкость, плотность и смачиваемость СОЖ, а также разность температур охлаждаемой поверхности и потока жидкости.

В процессе резания наибольшему воздействию высокой температуры подвергается инструмент. Исследования показывают, что применение смазочно-охлаждающей среды не препятствует возникновению высокой температуры в инструменте. Однако действие СОЖ существенно уменьшает область нагрева инструмента. При этом подача эмульсии под давлением на вспомогательную заднюю поверхность инструмента более эффективна, чем ее полив свободно падающей струей на переднюю поверхность инструмента. Для ряда операций обработки металлов резанием эффективность охлаждающего действия СОЖ повышается при подаче жидкости в распыленном состоянии, под давлением или через внутренние каналы в инструменте по сравнению с подачей СОЖ поливом свободно падающей струей.

Однако охлаждающее действие СОЖ может иметь и отрицательные последствия. Так, например, при фрезеровании (прерывистое резание) твердосплавным инструментом с высокой скоростью резания, применение СОЖ приводит к значительным колебаниям температуры режущей части фрезы и уменьшению ее стойкости. Кроме того, интенсивное охлаждение поверхности обрабатываемого изделия приводит, как правило, к возникновению в металле внутренних напряжений растяжения, что ухудшает эксплутационные свойства изделия.

Диспергирующее действие СОЖ. Под этим действием СОЖ подразумевается их способность облегчать деформацию, разрушение и дробление (диспергирование) металла, т.е оказывать действие, способствующее образованию новой поверхности. В присутствии ПАВ облегчается зарождение и распространение микротрещин в металле. Полярные молекулы продвигаются по стенкам образующихся трещин до тех пор, пока их размеры не станут больше размеров трещин. В результате в самых узких местах микротрещин возникают дополнительные расклинивающие давления, вызываемые адсорбционными слоями, что приводит к "охрупчиванию" металла и его разрушению. Хрупкость металла может повышаться за счет диффузии атомов и ионов СОЖ в деформируемые слои. В результате этого процесса металл в зоне деформации быстрее достигает предельной прочности и разрушается при меньших затратах энергии.

Моющее действие СОЖ. В процессе резания металла образуются стружка и шлам, состоящий из мелкодисперсной стружки, частиц износа инструмента и трущихся деталей станка, окалины, пыли, грязи, продуктов термоокислительной деструкции компонентов СОЖ и жизнедеятельности микроорганизмов. Твердые коллоидные частицы шлама проникают в микронеровности обрабатываемой заготовки, деталей станков и инструмента, где прочно удерживаются электростатическими и механическими силами. Скопление частиц шлама приводит к снижению стойкости инструмента и ухудшению качества обрабатываемой поверхности. Поэтому СОЖ должны смыть и унести крупную стружку или металлические опилки, предотвратить образование лакообразных отложений и нагара на поверхностях изделия и инструмента, нагретых до высоких температур. Моющее действие СОЖ представляет собой совокупность физико-химических процессов, приводящих к очистке поверхностей обрабатываемой заготовки, инструмента и деталей станка от шлама. Смыв и эвакуация крупной стружки или продуктов шлифования, накапливающихся в зоне резания, является одной из важных функций СОЖ. Смывающее действие в значительной степени зависит от количества СОЖ, подаваемой в зону резания, скорости потока и метода подачи жидкости. Эффективность смывающего действия СОЖ повышается с введением в ее состав моющих веществ [6].

Способы подачи СОЖ

В практике машиностроения наиболее часто СОЖ подается в зону резания поливом в виде свободно падающей струи. На рис. 2. представлен пример практической реализации схемы подачи СОЖ на токарном станке (вид сзади).

Рис. 2. Система подачи СОЖ на токарном станке

Смазочно-охлаждающая жидкость из емкости в левой тумбе станка насосом через гибкий шланг подается в трубопровод с пробковым краном и сопловым насадком. Из соплового насадка СОЖ подается свободно падающей струей на режущий инструмент и обрабатываемую деталь.

При необходимости более интенсивного охлаждения режущих инструментов применяется их внутреннее охлаждение, заключающееся в пропускании СОЖ по внутренним каналам в теле инструмента. Наиболее часто внутреннее охлаждение применяется в осевых инструментах типа сверл, зенкеров, разверток, протяжек, метчиков и иных подобных инструментах, но может применяться и в любых других инструментах. На рис. 3 показаны резцы с внутренним охлаждением. В теле 1 резца имеется полость, поверхность которой покрыта пористым материалом (рис. 3,а), смоченным охлаждающей жидкостью.

Рис. 3. Резцы с внутренним охлаждением

При резании жидкость в режущей части резца испаряется и конденсируется в холодной зажимной части резца. По пористому материалу 2 она вновь поступает к режущей части. Резцы могут иметь замкнутую (рис. 3, б) и проточную (рис. 3,в) полости.

В 1952 году предложена подача СОЖ в виде пены, которая образуется в результате продувания объема СОЖ сжатым воздухом и подается в зону обработки тем же путем, что и жидкость при ее поливе. Пена действует в зоне резания менее эффективно, чем струя СОЖ, коэффициент повышения стойкости находится в пределах 1,2 – 1,5. Пена не растекается так свободно по поверхностям обрабатываемой заготовки и деталей станка, не разбрызгивается и потому меньше загрязняет рабочее место. Этот метод рекомендуется применять при обработке несимметричных деталей, выступающие части которых отбрасывают или сбивают подаваемую поливом струю СОЖ, или в других случаях, где применение более эффективных способов подачи СОЖ неудобно или невозможно по каким-либо причинам.

В начале 50-х годов разработан и исследован способ охлаждения и смазки зоны резания высоконапорной струей жидкости. При этом способе СОЖ подается в зону резания со стороны задней поверхности резца в виде тонкой струи под давлением 20 – 30 атмосфер. Первые работы по исследованию эффективности этого метода показали, что он позволяет многократно повысить стойкость режущего инструмента по сравнению с резанием при поливе СОЖ. Дальнейшие исследования этого метода были посвящены изучению влияния скорости истечения струи, расхода жидкости, ее температуры и других параметров, на стойкость режущего инструмента. Были установлены зависимости скорости струи, расхода жидкости и стойкости режущего инструмента от диаметра отверстия сопла и давления в подводящей системе. Метод охлаждения высоконапорной струей СОЖ оказывается особенно эффективным при резании трудно обрабатываемых материалов и сплавов. Так, стойкостные испытания показали, что при прерывистом точении сплава ЭИ437 стойкость быстрорежущих резцов при подаче в зону резания высоконапорной струи СОЖ увеличивается более чем в 6 раз по сравнению с резанием при поливе СОЖ; аналогичные результаты были получены при прерывистом точении сплава ЭИ766. Метод охлаждения и смазки высоконапорной струей жидкости является весьма эффективным, достаточно изученным и разработанным методом, однако он до настоящего времени не получил широкого применения в промышленности из-за весьма серьезных присущих ему недостатков. Одной из причин, сдерживающих применение метода, является сильное разбрызгивание упругой и опасной струи жидкости, выходящей из сопла под большим давлением со скоростью 50 – 80 м/с. Другой причиной является трудность обеспечения герметичности подвижных соединений магистралей для подвода жидкости, работающих под давлением 20 – 30 атмосфер. По этим причинам метод применяется в настоящее время только при обработке трудно обрабатываемых материалов и в других случаях, где крайне необходимо повышение стойкости инструмента любыми техническими средствами.

Менее эффективным по сравнению с высоконапорным струйным методом охлаждения, но более удобным, технологичным и перспективным является способ охлаждения и смазки зоны резания распыленной жидкостью. Он был впервые предложен в 1944 году новосибирским инженером Г.И. Покровским. В своей статье автор, отметил, что этот способ … несомненно, заслуживает большого внимания. Однако, в то трудное военное время методу не было уделено должного внимания и только лишь спустя десятилетие он был вновь изучен, разработан и взят в арсенал средств повышения эффективности резания металлов.

Сущность метода охлаждения и смазки распыленной жидкостью заключается в том, что СОЖ распыливается в специальном распыливающем устройстве сжатым воздухом и подается в зону резания в виде воздухо-жидкостной смеси. Для образования воздухо-жидкостной смеси используются специальные распылительные установки разных конструкций.

Наиболее удачной и работоспособной оказалась установка типа УР-3 (рис. 4) с двойным смешиванием жидкости с воздухом, предназначенная для распыливания смазочно-охлаждающих жидкостей на водной основе. Сжатый воздух из заводской сети, пройдя пробковый кран или вентиль, поступает через фильтр 1 в редукционный клапан 2, предназначенный для снижения давления воздуха и поддерживания его на постоянном уровне во время работы.

Рис. 4. Установка УР-3 с двойным смешиванием жидкости с воздухом

Распыленные жидкости действуют в зоне резания более эффективно, чем подаваемая поливом жидкость благодаря подаче в зону резания кислорода сжатого воздуха и электризации капель распыленной жидкости. Описанные распылительные установки автоматизированы. Автоматизация заключается в применении на этих установках устройств, автоматически включающих подачу в зону резания распыленной жидкости во время рабочего хода станка и прекращающих подачу ее с прекращением работы станка [7].

Выбор способа подачи смазочно-охлаждающих технологических сред в зону резания при лезвийной обработке

В настоящее время при обработке лезвийным инструментом наиболее распространены следующие способы подачи смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ): полив свободно падающей струей жидкости; струйно-напорная подача СОЖ; подача СОЖ в распыленном состоянии [8]. Применение СОЖ – наиболее эффективный путь снижения температуры и повышения стойкости режущего инструмента. Для охлаждения инстру-мента преимущественно используются СОЖ на основе водных растворов, имеющих теплофизические свойства, близкие к свойствам воды.

В представленной работе в качестве основного критерия выбора способа подачи СОЖ в зону резания рекомендуется коэффициент теплоотдачи α, характеризующий основные закономерности конвективного теплообмена и интенсивность отвода тепла от лезвия инструмента, стружки и детали. Для расчета коэффициента теплоотдачи при вынужденной конвекции среды, возникающей в случае принудительного движения охлаждающей жидкости в зоне резания, используется критериальное уравнение [1]:

где С, m, p, x, y, z – коэффициент и показатели степеней, зависящие от способа подачи жидкости в зону обработки; поправка ε учитывает изменение теплоотдачи при наклоне струи под углом φ:

В состав уравнения (1) входят четыре безразмерных комплекса:

где Nuo – критерий Нуссельта; Reo – критерий Рейнольдса; Pro – критерий Прандтля; Gro – критерий Грасгофа; α – коэффициент теплоотдачи; l – характерный размер; ω – скорость потока; ν – кинематический коэффициент вязкости среды; ν – коэффициент температуропроводности; β – коэффициент объемного расширения; g – ускорение свободного падения, Θs и Θo – температуры поверхности инструмента и охлаждающей среды.

При подаче водных растворов поливом свободно падающей струей жидкости, яв-ляющимся самым простым и наиболее распространенным способом, при котором струя направляется как на стружку, так и на инструмент, для определения коэффициента теплоотдачи используется критериальное уравнение в виде:

Из этого уравнения определяется коэффициент теплоотдачи:

Характерный размер l при условии поперечного обтекания тела жидкостью определяется как эквивалентный диаметр:

где F – площадь поперечного сечения тела, P – полный смоченный периметр этого сечения, В, Н – размеры инструмента

В связи с тем, что при резании на поверхностях лезвия инструмента в процессе механообработки возникают значительно более высокие температуры, чем 100°С, необходимо учитывать особенности теплообмена при изменении агрегатного состояния жидкости – кипении. В диапазоне температур до 120°С наблюдается пузырьковый режим кипения с максимально возможным образованием и отрывом пузырьков пара от нагретой поверхности, обеспечивающий наибольший эффект от применения СОЖ, с коэффициентом теплоотдачи:

При более высокой температуре пузырьковый режим кипения переходит в пленочный. Пленка пара увеличивает термическое сопротивление, коэффициент теплоотдачи снижается:

При температуре свыше 235°С коэффициент теплоотдачи практически не изменяется:

Движение жидкости по отношению к нагретому инструменту вносит изменения в процесс кипения. Движущаяся жидкость срывает паровые пузырьки с поверхности тела и ослабляет процесс пузырькового кипения, а также разрушает паровую пленку. Приведенный коэффициент теплоотдачи αпр, учитывающий совместное влияние кипения и конвективного теплообмена (рис. 5), определяется следующим образом: при, , при

где αк и α - соответственно независимо рассчитанные коэффициенты теплоотдачи при кипении и при конвективном теплообмене.

Рис. 5. Графики зависимости приведенного коэффициента теплоотдачи αпр от температуры поверхности Θ (при Θ ≤ 150°С) – а)
и скорости потока жидкости – б) αпр1 соответствует Θ =170°С; αпр2 - Θ =220°С; αпр3 - Θ >235°С.

График зависимости приведенного коэффициента теплоотдачи αпр от температуры поверхности Θ(рис. 5а) свидетельствует о том, что о в области температуры 120°С имеет место существенное повышение коэффициента теплоотдачи. При высоких скоростях для всех температур , в связи с чем, коэффициент теплоотдачи практически не зависит от температуры: 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 этом случае коэффициент теплоотдачи:

Характерный размер l при условии продольного обтекания тела жидкостью принимается как размер по направлению ее течения l = Н.

На рис.6 для сравнения представлены графики зависимости коэффициента теплоотдачи α от скорости охлаждающей среды ω и длины омываемой поверхности l при свободном поливе и струйно-напорной подаче СОЖ.

Рис.6 Графики зависимости коэффициента теплоотдачи α от скорости охлаждающей среды ω
и длины омываемой поверхности lпри свободном поливе – а) и струйно-напорной подаче СОЖ – б)

Таким образом, в результате проведенных исследований установлены закономер-ности изменения и количественные значения коэффициентов теплоотдачи при поливе свободно падающей струей жидкости и струйно-напорной подаче СОЖ, позволяющие для заданных параметров обработки выбрать способ подачи с наибольшим значением коэффициента теплоотдачи α.

Список источников

1. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. – М.: Машиностроение, 1990. – 288 с.
2. 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.
3. 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. – c. 9-16.
4. 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.
5. 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).
6. Смазачно-охлаждающие технологические средства [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.texnologia.ru/...
7. Способы и техника применения технологических сред при резании металлов [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.info.instrumentmr.ru/...
8. Справочник по обработке металлов резанием / Ф.Н. Абрамов, В.В. Коваленко, В.Е. Любимов и др. – К.: Техника, 1983. – 239 с.

Замечание! При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2012 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.