УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЗОНЫ РЕЗАНИЯ

Полезная модель относится к области технологии машиностроения, точнее - к устройствам для охлаждения режущего инструмента и обрабатываемого материала смазочно-охлаждающими жидкостями.
В последнее время для различных технологических целей широко используются трубы, служащие для энергетического разделения жидкостей и газов на горячий и холодный потоки, каждый из которых может быть использован для нагрева или охлаждения рабочих поверхностей. Кроме того, в вихревой трубе наблюдается баллоэлектрический эффект, в результате которого происходит ионизация подаваемой в трубу жидкой или газообразной среды за счет тонкого диспергирования жидкой или газообразной среды, подаваемой в вихревую трубу. Использование для охлаждения поверхностей ионизированной среды положительно сказывается на процессе охлаждения благодаря активации теплообменных процессов и снижения трения между режущим инструментом и обрабатываемым материалом.
Известна «Вихревая труба» по патенту №2098723 [1], применяемая для охлаждения различных объектов. Вихревая труба содержит камеру энергетического разделения, патрубок тангенциального ввода сжатого воздуха в улитку с целью закручивания потока воздуха, патрубки вывода горячего и холодного воздуха, дроссель для вывода горячего воздуха. Вихревая труба обеспечивает получение холодного воздуха, который направляется на охлаждение рабочих поверхностей.
Недостатком известного устройства является то, что оно может быть использовано только для «сухого» охлаждения зоны резания, что не обеспечивает эффективного охлаждения в связи с низкой теплоемкостью воздуха и недостаточной степенью его ионизации.
Известно «Устройство для охлаждения зоны резания» по патенту №2016738 [2], которое в качестве главного конструктивного элемента также содержит вихревую трубу. Для интенсификации ионизации воздуха устройство снабжено двумя электродами, служащими для создания коронного разряда, в электрическом поле которого формируются электроотрицательные ионы кислорода, атомарный кислород, молекулы озона, ионы азота и свободные электроны. Недостатком устройства является использование дополнительной энергии для ионизации воздуха, что приводит к увеличению себестоимости продукции.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является «Способ охлаждения зоны резания и устройство для его осуществления» по патенту №2324582 [3]. Устройство содержит две вихревые трубы для энергетического разделения сжатого воздуха, состыкованные соосно друг с другом. Наличие второй вихревой трубы обусловлено необходимостью вторичного использования горячего воздуха, образующегося в первой трубе. Устройство снабжено двумя улитками для закручивания воздуха, патрубком подачи сжатого воздуха, диффузорным патрубком вывода холодного воздуха и патрубком подачи смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в поток холодного воздуха на выходе его из диффузорного патрубка и в патрубок на оси второй трубы.
Устройство по патенту №2324582 имеет следующие недостатки:
- сложность конструкции, обусловленная наличием двух вихревых труб;
- увеличение энергетических затрат на организацию двойного вихревого закручивания потока сжатого воздуха;
- низкая степень ионизации СОЖ, обусловленная недостаточно высокой степенью распыления охлаждающей жидкости и малым временем контакта паров СОЖ и ионизированного холодного воздуха (СОЖ вводится в поток холодного воздуха на его выходе из диффузорного патрубка).
Указанные недостатки в целом приводят к снижению эффективности процесса охлаждения зоны резания.
Предлагаемое устройство для охлаждения зоны резания направлено на повышение эффективности охлаждения зоны резания за счет повышения степени распыления и ионизации смазочно-охлаждающей жидкости в смеси с ионизированным потоком сжатого воздуха при обеспечении простоты устройства и снижении энергетических затрат.
Поставленная задача решена тем, что в устройстве для охлаждения зоны резания, содержащем вихревую трубу для энергетического разделения сжатого воздуха, улитку для закручивания потока воздуха, патрубок подачи сжатого воздуха в улитку, диффузорный патрубок вывода холодного воздуха и патрубок подачи в вихревую трубу смазочно-охлаждающей жидкости, последний смонтирован на патрубке подачи сжатого воздуха, снабженным эжектором, расположенным на входе в улитку, а патрубок вывода холодного воздуха дополнительно снабжен диафрагмой, установленной перпендикулярно оси патрубка, причем каналы для выхода холодного воздуха выполнены по периферии диафрагмы.
Предлагаемое устройство иллюстрировано чертежом (фиг.1), на котором представлена схема устройства в продольном и поперечном разрезах и дополнительном виде Б со стороны патрубка выхода ионизированной и охлажденной смеси воздуха и распыленной СОЖ.
Устройство для охлаждения зоны резания состоит из вихревой трубы 1 для энергетического разделения сжатого воздуха, улитки 2 для закручивания потока воздуха, дросселя 3 для отделения горячего воздуха, патрубка 4 подачи сжатого воздуха в улитку, патрубка 5 вывода горячего воздуха и диффузорного патрубка 6 для вывода ионизированной смеси воздуха и СОЖ.
Патрубок 4 подачи сжатого воздуха снабжен эжектором 7, расположенным на входе в улитку 2 и представляющим собой конфузорно сужающийся патрубок, тангенциально смонтированный на корпусе улитки. В патрубке 4 соосно с ним смонтирован патрубок 8 для подачи СОЖ.
В диффузорном патрубке 6 смонтирована диафрагма 9, в которой выполнены каналы 10 для вывода ионизированной смеси воздуха и СОЖ. Каналы 10 выполнены по периферии диафрагмы 9. Вывод холодного воздуха из вихревой трубы в диффузорный патрубок осуществляется по патрубку 11.
На патрубке 8 для выхода смазочно-охлаждающей жидкости выполнены отверстия 12, располагаемые по всей длине конфузорного участка.
Устройство работает следующим образом. В вихревую трубу 1 по патрубку 4 подают сжатый воздух. На входе в улитку 2 в струю воздуха по патрубку 8 подают СОЖ. Благодаря наличию эжектора 7 смазочно-охлаждающая жидкость засасывается в струю воздуха в виде мелких струй из отверстий 12. При этом наблюдается активное распыление жидкости и первичная ионизация жидкости за счет баллоэлектрического эффекта.
Далее смесь воздуха и распыленной СОЖ в улитке 2 закручивается с получением вихревой струи, которая движется вращательно-поступательно по периферии вихревой трубы. За счет эффекта Ранке-Хилше в трубе происходит разделение потока смеси на холодный и горячий потоки. Горячий поток удаляется из трубы через дроссель 3 и патрубок 5, а холодны поток концентрируется по оси трубы и двигается в противоположном направлении и выводится по патрубку 11 из корпуса трубы. Горячий воздух может быть использован для обогрева помещений, а содержащаяся в нем смазочно-охлаждающая жидкость после конденсации может быть использована вторично по прямому назначению.
В вихревой трубе наблюдается сложное, вихревое, турбулентное и энергетически насыщенное движение потоков в противоположных направлениях, при котором происходит активное мелкодисперсное распыление смазочно-охлаждающей жидкости, перемешивание воздуха и паров жидкости в однородную смесь. Благодаря распылению СОЖ в ней происходит активное образование отрицательных и положительных ионов и свободных электронов путем энергетического воздействия на атомы и молекулы воздуха и жидкости. В вихревом потоке воздуха благодаря высокой энергии также формируются электроотрицательные ионы кислорода, электроположительные ионы азота и свободные электроны. В результате описанных процессов образуется однородная холодная ионизированная смесь воздуха и распыленной смазочно-охлаждающей жидкости с температурой, близкой к 0°С.
По патрубку 11 смесь с высокой скоростью поступает в диффузорную трубу 6 и ударяется в плоскость диафрагмы 9, после чего через каналы 10, выполненные по периферии диафрагмы, поступает в расширенную часть диффузорного патрубка 6, теряет скорость и подается в зону резания для охлаждения режущего инструмента и обрабатываемой детали. При соударении потока смеси с поверхностью диафрагмы наблюдается дополнительная ударная ионизация смеси, в результате чего суммарная степень ионизации смеси увеличивается (увеличивается количество аэро- и гидроионов на единицу объема смеси).
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокую степень распыления и ионизации смазочно-охлаждающей жидкости и сжатого воздуха, что объясняется многостадийностью указанных процессов. Процессы распыления и ионизации активно проходят сначала в эжекторе 7, затем в вихревой трубе 1 и далее в диффузорном патрубке 6.
Предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом обладает следующими технико-экономическими преимуществами:
- повышается степень распыления и ионизации смазочно-охлаждающей жидкости и воздуха, благодаря многостадийности процессов (в 2-3 раза);
- обеспечивается простота конструкции устройства и снижаются в 1,5-1,7 раза энергетические затраты в связи с интенсификацией процессов распыления и ионизации и отсутствием второй вихревой трубы;
- повышается эффективность охлаждения зоны резания за счет увеличения степени ионизации охлаждающей смеси, увеличения ее теплопроводности и улучшения теплообмена в зоне резания.
Полезная модель «Устройство для охлаждения зоны резания» может быть использована в обрабатывающей отрасли машиностроения для охлаждения зон резания при токарной, фрезерной, сверлильной, строгальной и других видах обработки деталей.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2098723 «Вихревая труба». МПК F25B 9/02, опубл. 10.12.1997.
2. Патент РФ №2016738 «Устройство для охлаждения зоны резания». МПК B23Q 11/10, опубл. 30.07.1994.
3. Патент РФ №2324582 «Способ охлаждения зоны резания и устройство для его осуществления». МПК B23Q 11/10, опубл. 20.11.2007.