Применение эффекта Ранка-Хилша при лезвийном резании металлов

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

УДК 621.9

Применение эффекта Ранка-Хилша при лезвийном резании металлов

А. Г. Наумов, М. В. Клюев, В. Н. Латышев, К. В. Курапов, О. В. Ткачук

Ключевые слова: вихревые трубы, резание материалов, смазочно-охлаждающие технологические средства, трибология, эффект Ранка-Хилша.

Введение

Повышение работоспособности инструментов при резании металлов во многом определяется эффективностью используемых смазоч-но-охлаждающих технологических средств (СОТС). Их основной функцией является инициирование двух взаимосвязанных эффектов: смазочного и охлаждающего. Улучшение три-бологической обстановки в контактной зоне посредством формирования на трибосопря-женных поверхностях инструментального и обрабатываемого материалов разделительных смазочных пленок приводит к уменьшению сил трения между ними, а следовательно, к снижению тепловыделения. Однако в большинстве случаев это тепло не является единственным источником увеличения температуры в контактной зоне. Основное количество теплоты образуется в результате деформационных процессов, сопровождающих процесс разрушения (стружкоотделения) обрабатываемого металла при резании.

а)

0,0 1,0 2,0

1—"—"—I—"—"-=1 мм

0,0

б)

Выделяющееся тепло необходимо отводить, так как повышенные температуры являются стимулирующим фактором для развития адгезионных взаимодействий между трибосо-пряженными материалами в контактной зоне. Это неизбежно приведет к росту силовых характеристик процесса резания и, как следствие, к увеличению количества выделяющейся теплоты. Таким образом, повышению эффективности охлаждающей функции СОТС следует уделять большое внимание, особенно в тех случаях, когда технологическое средство не является водорастворимой композицией. Эффективный отвод теплоты из зоны контакта позволяет снизить термомеханическую нагрузку на рабочие поверхности инструмента и тем самым увеличить его срок службы.

Изложенное выше неоднократно подтверждено нашими исследованиями [1, 9] теплового состояния режущего клина резцов, в поверхности которых предварительно были сформированы твердосмазочные структуры, пред-

1)

0,0 1,0 2,0

1—1—1—1—1—I—1—1—1—11-—| мм

0,0 1_1.

1,0 2,0

-1—1—1—1—1—1 мм

2,0

г)

0,0 1,0 2,0

мм

0,0 -4

е)

0,0 1_1_

0,0

2,0

-1—I мм

Рис. 1. Влияние состава СОТС на величину и распределение температурных полей в режущем клине резцов при свободном точении сплава ВТ1-0 со скоростью резания V = 0,46 м/с: а — без СОТС; б — со смазкой без охлаждения; в — без смазки, с охлаждением дистиллированной водой; г — со смазкой и охлаждением дистиллированной водой; д — без смазки, с охлаждением фреоном И-113; е — со смазкой и охлаждением фреоном И-113:

1 — 800 К; 2 — 700 К; 3 — 600 К; 4 — 500 К; 5 — 400 К

ставляющие собой дийодид железа. В ходе этих работ было установлено, что смазочный материал оказывает эффективное влияние на уменьшение размеров температурных полей, однако отвод тепла существенно больше зависит от введения дополнительных хладагентов (рис. 1).

Изучение физических характеристик вихревой трубы

В настоящей работе представлены результаты исследований эффективности применения в качестве СОТС ионизированного воздушного потока, предварительно охлажденного с использованием вихревого эффекта Ранка-Хилша. Необходимость такой модификации технологического средства обусловлена отсутствием у него явно выраженной охлаждающей функции. Несмотря на то что в некоторых литературных источниках применение в качестве СОТС ионизированного воздуха без предварительной его подготовки называется сухим электростатическим охлаждением [2, 10], в предыдущих исследованиях [3, 4] не выявлено существенного изменения интенсивности охлаждения и повышения стой-костных показателей, обусловленных изменением термонапряженного состояния контактных площадок инструментов. Кроме того, термодинамический анализ химических реакций в ионном потоке и контактной зоне показал, что охлаждающее действие сухого электростатического охлаждения перекрывается экзотермическими реакциями между компонентами ионизированного воздуха, а также реакциями окисления металла [5].

Эффект Ранка-Хилша достигнут благодаря применению специально изготовленных вихревых труб Ранка-Хилша (рис. 2), действие которых основано на энергетическом сепарировании газовых потоков. Такое перераспределение энергии между атомами газа внутри трубы позволяет охладить центральную часть газового потока с передачей тепла (энергии) его периферийной части. В результате с одной стороны вихревой трубы выходит охлажденный воздух, с другой нагретый. При этом труба не имеет подвижных частей, способна работать без перерывов, проста в использовании и позволяет уменьшать температуру на выходе на 10-50 °С. Однако, несмотря на то что эффекту Ранка-Хилша посвящено немало теоретических и экспериментальных работ, внешне простой эффект является сложной теорети-

ческой задачей газовой динамики и на сегодняшний день не существует единого математического аппарата его описания.

Изучение охлаждающей способности проводилось путем замера температуры на расстоянии 5 мм от холодного выхода 10 (рис. 2, б) в зависимости от давления воздуха на входе трубы (рис. 3). Режим работы труб был выбран из расчета получения максимальной отрицательной температуры и регулировался дросселем 1. Эксперименты проводились при температуре окружающей среды 20-22 °С.

Как показано в работе [6], эффект охлаждения АТ определяется как разность температур входящего Т0 и холодного Тх воздуха на выходе из трубы: АТ = Т0 - Тх. График зависимости эффекта охлаждения от давления воздуха на входе для вихревой трубы диаметром 5 мм, длиной вихревой зоны 120 мм представлен на рис. 4. Как следует

/ / / -Л \ \

5 6 7 8 9 10

1—1

ж

\ЧЧ\ЧЧ\

Рис. 2. Внешний вид (а) и конструкция (б) вихревой трубы Ранка-Хилша:

1 — дроссель; 2 — крестовина; 3 — улитка; 4 — герметизирующая прокладка; 5 — отбортованная трубка; 6 — гайка; 7 — корпус трубки; 8 — диафрагма; 9 — гайка; 10 — трубка для отвода холодного потока; Ь — длина вихревой зоны трубы; Ъ — ширина соплового входа; И — диаметр вихревой зоны трубы; Ид — диаметр диафрагмы; Н — высота соплового входа

10

-15

Рис. 3. Зависимость температуры холодного воздуха Т от давления Р на входе и диаметра Л вихревой трубы: 1 — В = 6 мм; 2 — В = 10 мм; 3 — В = 5 мм

из представленных данных, эффект охлаждения (рис. 4) при наличии максимальной отрицательной температуры (-14 °С при 7,5 атм.) (см. рис. 3) составил 36 °С. При этом отмечено, что при увеличении давления на входе от 5,0 до 7,5 атм. наблюдается уменьшение эффекта охлаждения (с 30 до 36 °С).

Отрицательные значения температур воздушного потока на выходе вихревой трубы неизбежно должны привести к выделению влаги в охлажденном воздухе, так как для нормальных условий границы точки росы соответствуют более высокой температуре. Кроме того, известно, что значения точки росы зависят от температуры, влажности и давления используемой газовой смеси, причем чем выше давление, тем выше температура точки росы сжатого воздуха.

Согласно работе [7], в условиях наших экспериментов (температура воздуха в лаборатории Т = 20 °С, влажность Ф = 67 %) при

лт, °с

40

35 30 25 20 15

6 7 8 Р  10~1, МПа

Рис. 4. Эффект охлаждения ДТ вихревой трубы диаметром 5 мм в зависимости от входного давления Р

3 4 5 6 Используемое СОТС

Рис. 5. Стойкость быстрорежущего инструмента при резании стали 45 при скорости резания V = 1,2 м/с, глубине резания £ = 0,5 мм, подаче в = 0,1 мм/об:

1 — без СОТС; 2 — обдув воздухом; 3—8 — обдув увлажненным воздухом с расходом воды Q: 3 — < = 0,2 г/ч; 4 — Я = 0,4 г/ч; 5 — Я = 0,6 г/ч; 6 — Я = 0,8 г/ч; 7 — Я = 1,0 г/ч; 8 — Я = 2,0 г/ч

давлении 0,4 МПа температура точки росы Тр = 40 °С, что в два раза больше, чем температура в лаборатории, и не менее чем на 40 °С выше температуры воздуха, выходящего из вихревой трубы. Поскольку давление в вихревой трубе падает в силу ее конструкционных особенностей (выход теплого воздуха), температура точки росы в нашем случае достигается при давлении на входе 0,2 МПа.

Таким образом, можно констатировать, что в силу перехода точки росы охлажденный воздух на выходе из трубы Ранка-Хилша имеет в своем составе микро- и нанодозы воды. Следовательно, суммарный эффект применения вихревой трубы в реальных условиях резания будет представлять собой совокупность двух процессов, происходящих, с одной стороны, за счет непосредственно охлаждающего действия, а с другой — за счет уменьшения тепловыделения в зоне резания, обусловленного образованием на контактных поверхностях разделительных оксидных пленок, которые уменьшают трение между трибосопряжен-ными поверхностями. Обоснованием эффективности действия паров воды в воздухе, используемом в качестве СОТС, являются результаты исследования авторов настоящей работы [8], представленные на рис. 5.

Влияние охлаждения контактной зоны на характеристики процесса резания и стойкость инструмента

Исследования влияния охлаждающего эффекта Ранка-Хилша на стойкостные показатели металлорежущих инструментов прово-

6 7 Р  10-1, МПа

Рис. 6. Зависимость стойкости упорнопроходных резцов при точении стали 45 от давления воздуха на входе вихревой трубы при V = 1,1 м/с, t = 0,5 мм, в = 0,1 мм/об

дились при осуществлении операции точения стали 45 упорнопроходными резцами из стали Р6М5. Изучалась работоспособность резцов при изменении давления на входе вихревой трубы, то есть при варьировании температуры на холодном выходе (см. рис. 3). Использовалась труба диаметром 5 мм.

Судя по результатам экспериментов (рис. 6), полученная кривая имеет экстремальный характер. Максимальное значение стойкости наблюдается при давлении 0,2 МПа, после чего стойкость резко падает, а затем снова возрастает.

По нашему мнению, причиной такой немонотонной зависимости является увлажнение воздуха в результате преодоления точки росы, так как, согласно данным [7], для наших условий это явление неизбежно возникает при давлении на входе вихревой трубы порядка 0,2 МПа. При этом температура воздушного потока на выходе из трубы составляет +2...+5 °С. Наблюдается резкое увеличение стойкости инструментов из-за синерге-тического действия двух описанных выше эффектов: охлаждающего и смазочного. Это хорошо коррелирует с результатами, представленными на рис. 5.

Повышение давления (более 0,2 МПа) приводит к уменьшению температуры на выходе до отрицательных значений (см. рис. 3). В результате микрочастицы воды, находящиеся в воздухе, начинают кристаллизоваться, воздух теряет потенциальную трибоактивную компоненту. Это приводит к нивелированию смазочной функции СОТС, усилению адгезионных процессов в контактной зоне и, как следствие, к потере работоспособности режу-

щих инструментов. Одновременно отмечено, что часть кристаллов воды конденсируется на выходном патрубке вихревой трубы, дестабилизируя эффективность ее охлаждающего действия.

При увеличении входного давления с 0,4 до 0,6 МПа наблюдается новый этап увеличения стойкости резцов, что, по нашему мнению, обусловлено проявлением только охлаждающего эффекта. Дальнейшее увеличение входного давления (более 0,6 МПа) практически не оказывает влияния на изменение стойкостных показателей.

Таким образом, можно констатировать, что при использовании в качестве СОТС воздушного потока за счет эффективного охлаждения стойкость режущих инструментов может быть повышена на 50-70 %. Полученные результаты подтверждаются данными исследований [2].

Как уже установлено [5, 8], предварительная активация воздуха, используемого в качестве СОТС при металлообработке, значительно повышает эффективность образования разделительных смазочных пленок, особенно в условиях большей влажности. В рамках нашего исследования активация воздушного потока проводилась с использованием коронного разряда. Для этих целей коронирующий электрод был выполнен в виде кольца, которое помещалось на холодном выходе вихревой трубы (рис. 7). Объектом исследования было изменение стойкостных показателей упорнопроходных резцов из стали Р6М5 при точении среднеуглеродистой стали 45.

Судя по полученным результатам (рис. 8), в обоих случаях четко фиксируются две зоны повышенной стойкости резцов, которые соответствуют значениям напряжения на корони-рующем электроде 2,0 и 6,0 кВ. Однако если

а)

б)

Рис. 7. Схемы расположения коронирующего электрода на выходном сопле (а) и коронирующего электрода с дополнительным заземлением (б):

1 — ионизатор с возможностью регулирования выходного напряжения. Стрелка показывает направление движения охлажденного воздуха

МЕТАЛЛ00 ВРАВОТКА

для сопла (с коронирующим электродом без дополнительного заземления (рис. 8, а) лучшие показатели стойкости зафиксированы при давления на входе в вихревую трубу 0,4 и 0,7 МПа, то при использовании сопла с коронирующим электродом с дополнительным заземлением (рис. 8, б) они отмечены при меньших значениях давления. Максимальная стойкость была достигнута при давлении 0,2 МПа и напряжении на коронирующем электроде 2 кВ и соответствовала 1400 с, что в 6 раз больше, чем при резании без применения СОТС.

Анализ представленных выше экспериментальных результатов позволяет сделать ряд заключений. Во-первых, изменение значений стойкости инструментов, полученных при активации СОТС коронным разрядом (рис. 8), подчиняются тем же закономерностям, что и ход кривой (см. рис. 6). Зафиксированное изменение относительной стойкости может быть интерпретировано как большее прояв-

3 4 5 6 7 Используемое СОТС

Рис. 8. Стойкость резцов, изготовленных из стали Р6М5, при точении стали 45: а — при использовании сопла по рис. 7, а; б — при использовании сопла по рис. 7, б:

1 — без СОТС; 2-7 — с обдувом воздухом: 2 - Р = 0,2 МПа; 3 — Р = 0,3 МПа; 4 — Р = 0,4 МПа; 5 — Р = 0,5 МПа; 6 — Р = 0,6 МПа; 7 — Р = 0,7 МПа; V = 1,0 м/с; 5 = 0,1 мм/об; £ = 0,5 мм

ление смазочной функции СОТС за счет интенсификации протекания радикально-цепных реакций с образованием смазочных пленок в зоне контакта в результате увеличения активных компонентов СОТС при его активации коронным разрядом.

Во-вторых, сравнение полученных результатов с итогами ранее проведенных исследований резания с использованием в качестве технологического средства увлажненного воздуха (см. рис. 5) показывает, что применение вихревой трубы при далении на входе 0,2-0,4 МПа в результате преодоления точки росы повышает влажность воздушного СОТС до уровня, соответствующего максимально эффективному значению стойкости режущих инструментов. Как и в первом случае, увеличение показателя относительной стойкости является следствием предварительной активации.

Одним из основных параметров процесса резания, по величине котрого можно судить об эффективности смазочной функции СОТС, является величина зон вторичной деформации. В ходе проведенных исследований установлено, что в случае применения предварительной активации коронным разрядом воздушного потока, охлажденного по методу Ранка-Хил-ша, наблюдается сокращение зон вторичной деформации и уменьшение интенсивности схватывания между трибосопряженными поверхностями инструментального и обрабатываемого материалов. Одновременно отмечалось изменение параметров фиксируемых наростов (рис. 9). Прежде всего, зафиксировано уменьшение их величины и интенсивности искажения матричной структуры, то есть уменьшение активности адгезионной связи обрабатываемого материала с передней поверхностью инструментов.

Улучшение трибологических характеристик контактной зоны должно неизбежно

Рис. 9. Корни стружек, полученные при свободном точении стали 45: а — без применения СОТС; б — с использованием в качестве СОТС активированного коронным разрядом охлажденного в вихревой трубе воздушного потока при входном давлении 0,7 МПа и потенциале на коронирующем электроде 7,5 кВ, х200

а)

Иа, мкм

3,02,52,01,5-

1,0

0,5-

5 6 7 8 9 Используемое СОТС

Длина исследуемого участка, мм

-10,0

2,40

Выводы

Таким образом, нами установлено, что эффективное СОТС должно проявлять свои смазочную и охлаждающую функции. В силу уравновешивания эндо- и экзотермических реакций применяемый в качестве технологического средства ионизированный коронным разрядом воздух не способен эффективно охлаждать контактную зону при лезвийном резании. Одним из способов повышения охлаждающей функции такого СОТС является применение эффекта Ранка-Хилша. При охлаждении воздушного потока в вихревой трубе преодолевается точка росы, в результате чего воздух увлажняется, что приводит к усилению смазочного эффекта. Совокупное действие эффективного охлаждения и усиления смазочной способности ионизированного воздушного СОТС способствует улучшению характеристик процессов резания и повышению стойкости инструментов.

в)

В.а, мкм

Рис. 10. Шероховатость обработанной поверхности при точении стали 12Х18Н10Т упорнопроходными резцами из стали Р6М5 при V = 0,2 м/с; в = 0,1 мм/об; £ = 0,5 мм: а — значения шероховатости:

1 — резание всухую; 2 — резание с обдувом воздухом, Р = 0,3 МПа; 3, 4 — обдув охлажденным воздухом: 3 — Р = 0,2 МПа; 4 — Р = 0,7 МПа; 5-12 — резание с обдувом и ионизацией: 5 — Р = 0,2 МПа, напряжение — +2 кВ; 6 — Р = 0,2 МПа, напряжение — +6 кВ; 7 — Р = 0,7 МПа; напряжение — +2 кВ; 8 — Р = 0,7 МПа; напряжение — +6 кВ; 9 — Р = 0,2 МПа; напряжение — -2 кВ; 10 — Р = 0,2 МПа; напряжение — -6 кВ; 11 — Р = 0,7 МПа; напряжение — -2 кВ; 12 — Р = 0,7 МПа; напряжение — -6 кВ;

б, 6 — рельеф поверхности и диапазон изменения величины шероховатости при резании всухую

оказать влияние на изменение качества обработанных поверхностей и, в первую очередь, на их шероховатость. В ходе исследований установлено, что эффективные СОТС способны значительно изменить эту характеристику. Так, меньшее значение шероховатости отмечено у образцов, при обработке которых использовались СОТС, обладающие как смазочной, так и охлаждающей функциями (рис. 10).

Литература

1. Наумов А. Г. Улучшение экологии процессов лезвийной обработки металлов // Станки и инструмент. 2002. № 7. С. 9-13.

2. Ахмедзянов И. Д. Решение задачи академика Н. Н. Семенова о поиске новых смазочно-охлаждающих технологических средств (на примере сухого электростатического охлаждения) // Металлообработка. 2006. № 4. С. 2-6.

3. Подураев В. Н., Татаринов А. С., Петрова В. Д.

Механическая обработка с охлаждением ионизированным воздухом // Вестник машиностроения. 1991. N° 11. С. 27-31.

4. Бахарев П. П. Повышение работоспособности быстрорежущего инструмента путем применения воздушных сред активированных коронным разрядом: Дис. ... канд. техн. наук. Иваново: ИвГУ, 2005. 130 с.

5. Латышев В. Н., Наумов А. Г., Минеев Л. И. Физико-химические процессы, сопровождающие «сухое» резание металлов в присутствии электростатических разрядов // Диагностика, эксплуатация, ремонт, восстановление, модернизация оборудования, современные технологии: Сб. докл. 3-й Междунар. науч.-практ. конф. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2005. С. 159-165.

6. Меркулов А. П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969. 182 с.

7. Иммертехник: [Электронный ресурс] / ЗАО «Иммер-техник». М., 2002. Режим доступа: www.immertechnik.ru.

8. Наумов А. Г., Латышев В. Н., Раднюк В. С. и др. Облегчение процесса резания материалов микро- и нано-дозами СОТС // Металлообработка. 2008. N 4. С. 7-13.

9. Наумов А. Г., Курапов К. В., Федулов Е. А. Повышение охлаждающей способности ионизированного воздуха // Физика, химия и механика трибосистем: Сб. науч. тр. Вып. 6. Иваново: ИвГУ, 2007. С. 112-113.

10. Холмогорцев Ю. П. Сухое электростатическое охлаждение при зубофрезеровании // Вестник машиностроения. 2001. N 1. С. 45-47.