И.Ю. Зайцева, Т.Г. Ивченко – Выбор способа подачи смазочно-охлаждающих технологических сред в зону резания при лезвийной обработке

В настоящее время при обработке лезвийным инструментом наиболее распро-странены следующие способы подачи смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ): полив свободно падающей струей жидкости; струйно-напорная подача СОЖ; подача СОЖ в распыленном состоянии [1]. 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 [2]:

Коэффициент теплоотдачи (критериальное уравнение)

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, являющимся 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, не-обходимо 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. 1), определяется следующим образом: при, , при

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

Рис. 1. 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. 1а) 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.2 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.

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 литературы

Справочник по обработке металлов резанием / Ф.Н. Абрамов, В.В. Коваленко, В.Е. Любимов и др. – К.: Техника, 1983. – 239 с.
Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. – М.: Машиностроение, 1990. – 288 с.