СОПЛО ДЛЯ ПОДАЧИ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ В ЗОНУ РЕЗАНИЯ

Полезная модель относится к области технологии машиностроения, точнее к устройствам для охлаждения режущего инструмента и обрабатываемого материала смазочно-охлаждающими жидкостями, в частности к конструкциям сопел для подачи жидкости в зону резания. Кроме того, полезная модель относится к области устройств струйной техники, в которых используется сопла для преобразования потенциальной энергии жидкости или газа в кинетическую энергию скоростной струи на выходе из сопла или преобразования кинетической энергии в потенциальную энергию всасывания или нагнетания.
Одним из крупных недостатков, сопел для подачи различных газов, жидкостей, аэрозолей и т.д., является обледенение внутренней поверхности сопел и закупоривание канала сопла, в результате чего технологический процесс нарушается. Это явление характерно для многих устройств, в частности, и для устройств в которых для получения аэрозоля смазочно-охлаждающей жидкости используется вихревая труба.
Известно сопло устройства для охлаждения зоны резания по патенту на полезную модель RU №125915 (МПК B23Q 11/10, МПК F25B 9/02, 20.03.2013) [1]. В известном устройстве для получения смазочно-охлаждающего аэрозоля использована вихревая труба, обеспечивающая эффективное образование аэрозоля смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) с низкой температурой (до -10°C).
Сопло известного устройства выполнено диффузорным. В зоне сопла смонтирована поперечная перфорированная перегородка для достижения ударной ионизации частиц СОЖ. Недостатком известной конструкции сопла является обледенение внутренней поверхности сопла, что нарушает процесс подачи СОЖ в зону резания. Обледенение вызвано наличием в канале сопла не продуваемых зон, в которых накапливается частицы инея и льда, перекрывающие канал для выхода СОЖ.
Известно сопло (патрубок) для сброса компонента в окружающую среду по патенту RU №2176355 (МПК F17C 13/10, 27.11.2001) [2]. При сбросе криогенных компонентов в окружающую среду наблюдается обледенение сопла, особенно при быстром аварийном сбросе.
В известном изобретении сопло (патрубок) для сброса компонента в окружающую среду снабжено дополнительным патрубком, установленным коаксиально основному патрубку. В кольцевой зазор между патрубками подают теплый вспомогательный компонент или инертный газ. Это обеспечивает тепловую изоляцию сбрасываемого компонента от окружающей атмосферы и позволяет вынести процесс возможного обледенения за пределы устройства сброса в окружающую среду.
Недостатком известного сопла является сложность конструкции, необходимость использования оборудования для подачи вспомогательного компонента в сопло при повышенном давлении компонента.
Наиболее близким аналогом к заявленной полезной модели по технической сущности является сопло жидкостно-газового эжектора (варианты) по патенту RU №2142073 (МПК F04F 5/46 27.11.1999) [3].
Сопло содержит канал, имеющий сопряженные между собой входную, сужающую по ходу потока часть, и выходную часть в виде различных поверхностей. Входная и выходная части сопряжены между собой острой кромкой или участком кривой поверхности.
В известном изобретении представлено шесть вариантов конструкции сопел. Входная часть сопел выполнена в виде конической, цилиндрической или криволинейной поверхностей. Выходная часть сопел выполнена в виде цилиндрической, конической (конфузорной или диффузорной) или сложно-составной из нескольких поверхностей.
Представленные в изобретение варианты сопел обеспечивают эффективное преобразование потенциальной энергии давлении среды на входе, в кинетическую энергию струи на выходе из сопла с минимальными потерями энергии.
Однако существенным недостатком известных сопел является возможность обледенения канала и его закупоривание, так как в конструкции сопел не предусмотрено никаких антиобледенительных конструктивных элементов.
Предлагаемая полезная модель сопла для подачи СОЖ в зону резания направлена на устранение обледенения продольного канала сопла за счет оптимальной геометрии канала и выноса возможных частиц льда вместе с потоком смазочно-охлаждающей жидкости.
Поставленная задача решена тем, что в сопле для подачи смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания, содержащем продольный канал, включающем цилиндрическую входящую и сложносоставную выходную части, входная и выходная части сопряжены между собой ступенчато с переходом цилиндрической входной части в плоскую перпендикулярную оси сопла площадку, переходящую в выходную часть с увеличением диаметра последней, при этом выходная часть выполнена в виде сферической поверхности, плавно сопряженной с вогнутой торовой поверхностью вращения, сужающейся в сторону подачи смазочно-охлаждающей жидкости и заканчивающейся выпускным отверстием, плавно расширяющимся к торцу сопла.
3
Задача решена также за счет того, что диаметры сферической поверхности d2 и выпускного отверстия d выбирают исходя из соотношений:
2
1
3
1
d=(3,0-4,2)d; d=d
1
где d - диаметр цилиндрической входной части сопла.
Предлагаемая конструкция сопла для подачи смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания иллюстрируется чертежом. На фигуре 1 представлена схема сопла в продольном разрезе. На фигуре показано движение потока СОЖ во входной и выходной частях сопла.
1
1
Сопло представляет собой литую или прессованную конструкцию с элементами токарной обработки, выполненную из черных, цветных сплавов или полимерных материалов. Внешняя форма сопла - цилиндрическая с коническим сужением. По оси сопла выполнен продольный канал, состоящий из входной части 1 и выходной части 2. Входная часть 1 выполнена цилиндрической с диаметром d. Диаметр d определяется производительностью устройства, обеспечивающего приготовление аэрозоли смазочно-охлаждающей жидкости. Выходная часть 2 выполнена сложносоставной и представляющей собой канал в виде поверхности вращения с криволинейной образующей сложной формы. Входная часть 1 и выходная часть 2 сопряжены между собой ступенчато.
Цилиндрическая входная часть 1 заканчивается плоской площадкой 3, перпендикулярной оси сопла. Площадка 3 образует ступенчатый переход входной части 1 в выходную часть 2 в виде «внезапного расширения».
2
Плоская площадка 3 переходит в выходную часть 2 с увеличение диаметра последней. На начальном участке выходная часть выполнена в виде сферической поверхности 4, диаметром d. Сферическая поверхность затем плавно сопрягается с вогнутой торовой поверхностью вращения 5, которая образует сужающийся в сторону подачи СОЖ канал криволинейной формы.
3
Поверхность 5 заканчивается выпускным отверстием 6, диаметром d. На конечном участке отверстие 6 выполнено плавно расширяющиеся в сторону выхода СОЖ с целью снижения скорости потока аэрозоля.
3
Диаметры d2 сферической поверхности канала и выпускного отверстия d выбирают исходя из соотношений:
2
1
3
1
d=(3,0-4,2)d; d=d,
где - диаметр цилиндрической входной части сопла.
В целом, продольный канал сопла характеризуется двумя особенностями: ступенчатым переходом входной части 1 в выходную часть 2 и плавной аэродинамичной геометрией выходной части 2.
Сопло для подачи смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания работает следующим образом.
Полученная в устройстве для охлаждения зоны резания смазочно-охлажденная смесь в виде аэрозоли через цилиндрическую входную часть 1 поступает в сферическую зону, образованную сферической поверхностью 4. В этой зоне температура потока резко снижается из-за внезапного расширения зоны сферической поверхности. Согласно законам аэродинамики благодаря внезапному расширению по периферии потока происходит интенсивное образование турбулентных вихрей, имеющих вращательное движение в противоположную сторону потока СОЖ. Вихревое движение аэрозольного потока наблюдается по всем объемам сферической зоны. Центральная же часть потока поступает в сужающуюся часть канала, образованную торовой вогнутой поверхностью вращения 5.
Скорость потока аэрозоля при этом снова возрастает, его температура несколько повышается. На входе выпускного отверстия 6 потока аэрозольного СОЖ стабилизируется, плавно расширяется с потерей скорости и доставляется в зону резания для его охлаждения.
В предлагаемой конструкции сопла образуются условия для предотвращения обледенения продольного канала и его закупоривания образующимся инеем или льдом. Это обеспечивается следующим образом.
В связи с низкой температурой подаваемой СОЖ (до -10°C) возможно образование частиц льда и инея в потоке аэрозоля, что может способствовать накоплению частиц на стенках канала сопла и его закупориванию. Однако в предлагаемой конструкции сопла образующиеся вдоль стенок турбулентные вихри аэрозольного потока исключают возможность накопления льдинок и инея и образования наледи за счет удаления частиц льда из периферийных зон канала и возврата их в общий центральный поток СОЖ.
Кроме того наличие наледи в сужающемся канале, образованной вогнутой торовой поверхностью вращения 5, исключается за счет высокой скорости потока СОЖ и уноса частиц льда в атмосферу скоростным потоком.
Таким образом, предлагаемая конструкция сопла хотя и не устраняет возможность формирования инея и льдинок в потоке СОЖ, но исключает возможность образования наледи на внутренней поверхности продольного канала и его закупоривания.
Аэродинамическая форма продольного канала сопла кроме того обеспечивает устранение застойных зон в канале сопла, в которых было бы возможно образование наледей. Аэродинамическая геометрия канала сопла способствует также снижению энергетических потерь при транспортировке СОЖ к месту потребления.
2
1
2
1
Приведенные в описании соотношения между диаметрами входной и элементов выходной части канала сопла являются оптимальными, так как обеспечивают наиболее эффективную работу сопла. Если d будет меньше 3,0d, то процесс вихреобразования затормаживается и вероятность обледенения сопла возрастает. При d>4,2d возрастают габариты сопла без существенного улучшения антиобледенительных свойств сопла.
Источники информации
1. Патент на полезную модель RU №125915 «Устройство для охлаждения зоны резания», МПК B23Q 11/10, 20.03.2013.
2. Патент RU №2176355 «Способ предотвращения обледенения патрубка сброса компонента в окружающую среду и устройство для его реализации», МПК F17C 13/10, 27.11.2001.
3. Патент RU №2142073 «Сопло жидкостно-газового эжектора (варианты)», МПК F04F 5/46, 27.11.1999.