Совершенствование технологии механической обработки с использованием вихревой ионизации воздуха

УДК 621.941.08

Н. Е. Курносов, А. В. Тарнопольский, А. С. Асосков

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИХРЕВОЙ ИОНИЗАЦИИ ВОЗДУХА

Аннотация. Рассматривается стойкость режущего инструмента, качество обработанной поверхности и температура в зоне резания при точении хромистой стали с применением охлаждения вихревым ионизатором.

Ключевые слова: резание металлов, температура в зоне резания, стойкость режущего инструмента, неровность поверхности.

N. E. Kurnosov, A. V. Tarnopol'skiy, A. S. Asoskov

IMPROVEMENT OF TECHNOLOGY OF MECHANICAL TREATMENT USING VORTICAL AIR IONIZATION

Abstract. The article considers cutting tool firmness, quality of processed surface, and temperature in a cutting zone in the process of chromic steel turning using vortical ionizer as a cooling application.

Key words: cutting of metals, temperature in a cutting zone, firmness of a cutting tool, surface roughness.

С момента появления механической обработки металлов на станках совершенствование оборудования и технологии шло непрерывно. Одной из решаемых при этом задач является повышение стойкости режущего инструмента без снижения качества обработанной поверхности.

Стойкость режущего инструмента зависит от многих факторов, одним из которых является температура в зоне резания. Снижение температуры в зоне резания способствует повышению стойкости режущего инструмента. Шероховатость обработанной поверхности связана с интенсивностью износа режущего инструмента и температурой в зоне резания. При высокой температуре материал заготовки становится пластичнее, что приводит к образованию наростов на передней поверхности инструмента, изменяя его геометрию и режущие свойства. Срыв наростов ухудшает качество обработанной поверхности. Таким образом, снижение температуры в зоне резания является важной задачей при механической обработке материалов [1-6].

Для решения данной проблемы применяют обдув сжатым воздухом, полив и распыление смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). Ряд авторов предлагают использовать ионизированные газовые смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС), которые по некоторым показателям предпочтительнее [7-9]. Общим недостатком этих решений является необходимость использования двух источников энергии: сжатого воздуха и электрического тока.

Новым, более эффективным решением может стать охлаждение зоны резания ионизированными газами, подготовленными вихревым ионизатором (ВИ), для работы которого необходим только сжатый воздух из заводской пневмосети. Устройство представляет собой вихревую трубу с деталями из

диэлектриков. ВИ обеспечивает температуру выходного потока до минус 10 °С с концентрацией положительных аэроионов до 3,7 х 1010 ед./м3 и отрицательных аэроионов до 2,4 х 1010 ед./м3. Предварительные исследования концентрации аэроионов обоих знаков на выходном сопле ВИ показали, что влажность и давление воздуха для питания устройства оказывают существенное влияние на работоспособность последнего [10, 11].

Задачей исследований было оценить эффективность охлаждения режущего инструмента при обдуве сжатым воздухом, при поливе смазочноохлаждающей жидкостью, при обдуве ионизированным воздухом и сравнить с обработкой без охлаждения. Эффективность охлаждения оценивалась по стойкости инструмента, шероховатости обработанной поверхности и температуре в зоне резания при режимах резания, соответствующих черновой и чистовой обработке.

Для проведения исследований был разработан и смонтирован стенд на токарно-винторезном станке МК 6056. Станок выбирался с учетом требуемой мощности резания, с возможностью монтажа вихревого устройства для подачи ионизированного воздуха. Схема стенда приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема стенда для исследований

Для исследования использовались съемные твердосплавные квадратные прямые пластины сплава Т5К10 с диаметром описанной окружности D = 18 мм. Геометрические характеристики режущего инструмента: главный угол в плане ф = 45°, главный задний угол а = 10°, главный передний угол у = 10°, угол наклона режущей кромки X = 4°, упрочняющая фаска f = 0,2 мм.

В качестве образцов использовали прокат круглый из стали 40Х диаметром 95 мм и длиной 500 мм.

Работа ВИ обеспечивалась центральной цеховой пневматической сетью с промежуточным ресивером и газовым редуктором, давление воздуха под-

держивалось около 0,46 МПа. Эжекцией воды на входе в ВИ обеспечивали влажность нагнетаемого воздуха до 90 %.

Стойкость режущего инструмента оценивали по величине фаски износа на задней поверхности.

В качестве измерительного оборудования было использовано:

1. Металлографический микроскоп МИМ-7.

2. Профилометр Абрис-ПМ7.

В качестве СОТС применялись: эмульсия 5 % на водной основе по рекомендациям [3], струя сжатого воздуха с температурой плюс 15-20 °С, струя ионизированного воздуха с температурой до минус 10 °С.

Исследование стойкости режущего инструмента и шероховатости обработанной поверхности выполнялось в следующей последовательности:

1. На станке устанавливался черновой режим резания: ^ = 1,5 мм, 5 = 1 мм/об, п = 400 мин-1 [12]. При отсутствии охлаждения и установленном режиме пруток протачивался на длину Ь = 400 мм, после чего пластина менялась и проводилось измерение величины ее износа. Опыт повторялся на трех пластинах.

2. Выполнялась обработка при чистовом режиме: ^ = 0,5 мм, 5 = 0,2 мм/об, п = 1000 мин-1 [12], после чего измерялась шероховатость обработанной поверхности по параметру среднего арифметического отклонения профиля (Яа). Затем менялся пруток.

3. Пункты 1 и 2 повторялись для охлаждения различными способами: сжатым воздухом, полив СОЖ, ионизированным воздухом от ВИ.

При охлаждении ВИ и обдуве сжатым воздухом направляющее сопло находилось на расстоянии 10 мм от зоны резания.

Результаты расчета стойкости режущего инструмента и измеренной шероховатости обработанной поверхности приведены на рис. 2.

Диаграмма (рис. 2) показывает, что стойкость инструмента при обработке с использованием ВИ по сравнению с обработкой без охлаждения выше более чем на 100 %.

При сравнении обработки с обдувом ионизированным воздухом с поливом эмульсией показатель стойкости выше на 20-30 %. Диаграмма шероховатости обработанной поверхности показывает, что использование ВИ дает минимальную высоту неровностей.

Более полное представление о возможностях обработки резанием с охлаждением при помощи ВИ может дать исследование температуры в зоне резания. Одним из наиболее точных и доступных методов исследования температуры в зоне резания считается естественная термопара. Его недостатком является необходимость тарирования соответствия термической электродвижущей силы (ЭДС) и температуры.

Для исследования температуры в зоне резания были созданы два стенда. Стенд на основе токарно-винторезного станка (см. рис. 1) дополнялся осциллографом на базе аналогово-цифрового преобразователя электрического сигнала (АЦП) и персонального переносного компьютера марки ЛСЕЯ со специальным программным обеспечением. Применялась пластина Т15К6, что позволило пренебречь погрешностями измерения ЭДС, возникающими вследствие износа режущего инструмента. Державка изолировалась от резцедержателя. Осциллограф соединяли с помощью изолированных медных про-

водов следующим образом: первая жила крепилась к пластине Т15К6 прижатием за счет собственного крепления к державке, вторая жила крепилась оловянно-свинцовым припоем к свободной точке станка. Полученные соединения формировали канал связи осциллографа с естественной термопарой.

Рис. 2. Диаграмма результатов исследования шероховатости

обработанной поверхности и стойкости режущего инструмента

Стенд для тарирования естественной термопары (схема приведена на рис. 3) состоит из емкости с оловом, газовой горелки, осциллографа на базе ПК, искусственной термопары с максимальной температурой измерения 800 °С и погрешностью ±2,5 °С, специальным штативом для фиксации искусственной термопары, пластин одинаковой формы и размера из сплава Т15К6 и стали 40Х.

В расплавленное олово помещался чувствительный элемент искусственной контрольной термопары и элементы естественной термопары, представляющие собой пластины из инструментального и обрабатываемого материалов. Образовавшиеся два канала от созданных термопар соединяли с осциллографом.

Для определения пределов тарирования естественной термопары выполнялось измерение термической ЭДС при точении прутка на черновом режиме без охлаждения.

Тарирование выполнялось следующим образом: газовая горелка включалась на полную мощность, в режиме реального времени измерялись значения термической ЭДС по каналу 1 (рис. 3) и температуры олова по каналу 2. Нагрев прекращался в момент, когда значение ЭДС естественной термопары превышало величину, достигаемую при обработке на станке.

Измерение температуры в зоне резания выполнялось следующим образом. Пруток протачивался на черновом режиме при охлаждении сжатым воздухом, во время точения измерялись значения температуры в зоне резания в динамике в масштабе реального времени. Параллельно осуществлялся кон-

троль температуры на поверхности режущего инструмента и заготовки тепловизором КЕС 0120 с максимальной температурой измерения до 1500 °С. Измерения температуры повторялись при охлаждении поливом СОЖ и обдувом ионизированным воздухом от ВИ.

Рис. 3. Схема стенда для тарирования естественной термопары

Термограммы, полученные тепловизором, обрабатывались с помощью лицензионного специального программного обеспечения: Thermography Studio 5.1.0.902.

Результаты исследования температуры в зоне резания приведены на рис. 4.

Диаграмма (рис. 4) показывает, что использование ВИ для уменьшения температуры в зоне резания при обработке деталей целесообразно, так как по эффективности сравнимо с обработкой при поливе СОЖ; по сравнению с обработкой без охлаждения температура в зоне резания ниже на 60-70 %. При чистовой обработке внедрение ВИ обеспечивает уменьшение величины шероховатости, а при черновой обработке - повышение стойкости режущего инструмента.

Применение ВИ на операциях токарной обработки в технологических процессах изготовления деталей дизельного двигателя 1-ПД4Д (клапан масляного насоса, муфта, стакан, шестерня ведомая и шестерня ведущая, изготовляемых из стали 40Х) позволило уменьшить основное время переходов за счет интенсификации технологических режимов, снизить количество переходов, повысить качество обработки, сократить расходы на СОЖ и электроэнергию.

Рис. 4. Диаграмма результатов исследования температуры в зоне резания

Заключение

В результате выполнения исследования стойкости режущего инструмента, шероховатости обработанной поверхности и температуры в зоне резания были получены следующие результаты.

Стойкость режущего инструмента при использовании ВИ оказалась на 20-30 % выше по сравнению со стойкостью при обработке с поливом эмульсией и более чем в 2 раза выше по сравнению с обработкой без охлаждения и обработкой с обдувом сжатым воздухом.

Величина шероховатости обработанной поверхности по параметру среднего арифметического отклонения профиля оказалась наименьшей в опытах с использованием ВИ (до 1,4 мкм), что имеет меньшее значение, чем при обработке поливом эмульсией (до 1,9 мкм), охлаждении сжатым воздухом (до 2,3 мкм) и в 3 раза меньше, чем при обработке без охлаждения (до 3,4 мкм).

Температура в зоне резания при охлаждении зоны резания обдувом ионизированным воздухом выше, чем при поливе СОЖ (на 15 % при черновом режиме и 8-10 % при чистовом), но ниже, чем при обработке без охлаждения (на 35-40 % при черновом точении и на 40-50 % при чистовом) и при обдуве сжатым воздухом (на 25-30 % при черновом точении и на 40-45 % при чистовом).

Полученные результаты можно объяснить:

1) снижением коэффициента трения между поверхностями режущего инструмента, обработанной поверхности и стружки за счет образования оксидных пленок на ювенильных поверхностях при повышенной физической и химической активности ионизированного воздуха;

2) интенсивным теплоотъемом ионизированного воздуха за счет направленного движения заряженных частиц в возникающих магнитных полях при механической обработке. Также известно, что помимо аэроионов

в ионизированном воздухе присутствуют электроны, имеющие большую скорость движения. Интенсивности теплоотъема способствует температура ионизированного воздуха - менее 0 °С (согласно предварительным исследованиям).

Список литературы

1. Горелов, В. М. Резание металлов / В. М. Горелов. - М. : Машиностроение, 1966. - 206 с.

2. Клепиков, В. В. Технология машиностроения / В. В. Клепиков, А. Н. Бодров. -М. : Форум инфа, 2004. - 860 с.

3. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием: справочник / под ред. С. Г. Энтелиса, Э. М. Берлинера. - М. : Машиностроение, 1986. - 352 с.

4. Кириллов, А. К. Экологически безопасное резание труднообрабатываемых материалов / А. К. Кириллов // СТИН. - 2005. - № 3. - С. 24-28.

5. Петрушин, С. И. Экономически обоснованный срок службы режущих инструментов / С. И. Петрушин // Вестник машиностроения. - 2007. - № 4. -С. 40-45.

6. Бобров, В. Ф. Основы теории резания металлов / В. Ф. Бобров. - М. : Машиностроение, 1975. - 344 с.

7. Пат. 2016738 Российская Федерация, МПК5 B23Q11/10. Устройство для охлаждения зоны резания / Татаринов А. С., Петрова В. Д., Подураев В. Н. ; заявитель Научно-исследовательский институт конструкционных материалов и технологических процессов при МГТУ им. Н. Э. Баумана ; патентообладатель Татаринов А. С., Петрова В. Д., Подураев В. Н. - № 4839399/08 ; заявл. 15.06.1990 ; опубл. 30.07.1994.

8. Подураев, В. Н. Механическая обработка с охлажденным ионизированным воздухом / В. Н. Подураев // Вестник машиностроения. - 1991. - № 11. - С. 27-31.

9. Наумов, А. Г. Исследование температур в теле резца при использовании охлажденных воздушных сред / А. Г. Наумов // Физика, химия и механика трибо-систем : межвуз. сб. науч. тр. - Иваново : Изд-во ИвГТУ, 2010. - Вып. 9. -С. 37-41.

10. Курносов, Н. Е. Вихревая ионизация как средство совершенствования технологии механической обработки деталей / Н. Е. Курносов, А. С. Асосков // Известия Тульского государственного университета. - 2012. - № 1. - С. 157-166.

11. Курносов, Н. Е. Технологическое обеспечение качества поверхности при механообработке охлаждением ионизированным воздухом / Н. Е. Курносов, А. А. Николотов, А. С. Асосков // Наука и техника в современном мире. Часть I : материалы Междунар. заочной науч.-практ. конф. - Новосибирск : Сибирская ассоциация консультантов, 2012. - С. 11-18.

12. Справочник технолога-машиностроителя : в 2-х т. / под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. - М. : Машиностроение, 1985. - Т. 2. - 496 с.

References

1. Gorelov, V. M. Rezaniye metallov / V. M. Gorelov. - M. : Mashinostroyeniye, 1966. - 206 s.

2. Klepikov, V. V. Tekhnologiya mashinostroyeniya / V. V. Klepikov, A. N. Bodrov. -M. : Forum infa, 2004. - 860 s.

3. Smazochno-okhlazhdayushchiye tekhnologicheskiye sredstva dlya obrabotki metallov rezaniyem: spravochnik / pod red. S. G. Entelisa, E. M. Berlinera. - M. : Mashinostroyeniye, 1986. - 352 s.

4. Kirillov, A. K. Ekologicheski bezopasnoye rezaniye trudnoobrabatyvayemykh ma-terialov I A. K. Kirillov II STIN. - 2005. - № 3. - S. 24-2S.

5. Petrushin, S. I. Ekonomicheski obosnovannyy srok sluzhby rezhushchikh in-strumentov I S. I. Petrushin II Vestnik mashinostroyeniya. - 2007. - № 4. - S. 40-45.

6. Bob rov, V. F. Osnovy teorii rezaniya metallov I V. F. Bobrov. - M. : Mashinostroyeniye, 1975. - 344 s.

7. Pat. 201673S Rossiyskaya Federatsiya, MPK5 B23Q11I10. Ustroystvo dlya okhlazhde-niya zony rezaniya I Tatarinov A. S., Petrova V. D., Podurayev V. N. ; zayavitel' Nauchno-issledovatel'skiy institut konstruktsionnykh materialov i tekhnologicheskikh protsessov pri MGTU im. N. E. Baumana ; patentoobladatel' Tatarinov A. S., Petrova V. D., Podurayev V. N. - № 4S39399I0S ; zayavl. 15.06.1990 ; opubl. 30.07.1994.

S. Podurayev, V. N. Mekhanicheskaya obrabotka s okhlazhdennym ionizirovannym vozdukhom I V. N. Podurayev II Vestnik mashinostroyeniya. - 1991. - № 11. - S. 27-31.

9. Naumov, A. G. Issledovaniye temperatur v tele reztsa pri ispol'zovanii okhlazhden-nykh vozdushnykh sred I A. G. Naumov II Fizika, khimiya i mekhanika tribo-sistem : mezhvuz. sb. nauch. tr. - Ivanovo : Izd-vo IvGTU, 2010. - Vyp. 9. - S. 37-41.

10. Kurnosov, N. Ye. Vikhrevaya ionizatsiya kak sredstvo sovershenstvovaniya tekh-nologii mekhanicheskoy obrabotki detaley I N. Ye. Kurnosov, A. S. Asoskov II Izve-stiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. - 2012. - № 1. - S. 157-166.

11. Kurnosov, N. Ye. Tekhnologicheskoye obespecheniye kachestva poverkhnosti pri me-khanoobrabotke okhlazhdeniyem ionizirovannym vozdukhom I N. Ye. Kurnosov, A. A. Nikolotov, A. S. Asoskov II Nauka i tekhnika v sovremennom mire. Chast' I : ma-terialy Mezhdunar. zaochnoy nauch.-prakt. konf. - Novosibirsk : Sibirskaya as-sotsiatsiya konsul'tantov, 2012. - S. 11-18.

12. Spravochnik tekhnologa-mashinostroitelya : v 2-kh t. I pod red. A. G. Kosilovoy i R. K. Meshcheryakova. - M. : Mashinostroyeniye, 1985. - T. 2. - 496 s.

Курносов Николай Ефимович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой транспортнотехнологических машин и оборудования, Пензенский государственный университет

E-mail: ttmo-pgu@mail.ru

Тарнопольский Александр Владимирович

кандидат технических наук, профессор, кафедра транспортно-технологических машин и оборудования, Пензенский государственный университет

E-mail: ttmo-pgu@mail.ru

Асосков Александр Сергеевич инженер-конструктор, отдел главного технолога, ОАО «Пензадизельмаш»

E-mail: asoskov_w@mail.ru

Kurnosov Nikolay Efimovich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of transporttechnological machines and equipment, Penza State University

Tarnopol'skiy Alexander Vladimirovich Candidat of engineering sciences, professor, sub-department of transport-technological machines and equipment, Penza State University

Asoskov Alexander Sergeevich Design engineer, production management department, «Penzadieselmash» Plc.

УДК 621.941.08 Курносов, Н. Е.

Совершенствование технологии механической обработки с использованием вихревой ионизации воздуха / Н. Е. Курносов, А. В. Тарнопольский, А. С. Асосков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 1 (25). - С. 85-93.