Вихревая ионизация как средство совершенствования технологии механической обработки деталей

УДК 621.91

Н.Е. Курносов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой,

А.С. Асосков, инженер-конструктор,

ВИХРЕВАЯ ИОНИЗАЦИЯ КАК СРЕДСТВО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ

Рассматриваются исследования вихревого ионизатора, как устройства для выработки ионизированного газа и влияние вихревой ионизации на технологические аспекты механической обработки на примере токарной операции при точении хромистой стали.

Ключевые слова: механическая обработка, исследование вихревого ионизатора, технология обработки хромистых сталей.

Введение. Снижение себестоимости изготовления деталей без ухудшения качества является одной из основных задач, стоящих перед разработчиками технологических процессов, в том числе и в машиностроении. Кроме технологических показателей качества и экономических соображений происходит ужесточение требований к производству изделий машиностроения со стороны санитарных норм для рабочего места станочника. Для удовлетворения озвученных аспектов требуется постоянное совершенствование технологии изготовления деталей, включая механическую обработку.

Технология механической обработки деталей в наше время совершенствуется по разным направлениям: совершенствование станочного парка, технологической оснастки, смазочно - охлаждающих технологических средств (СОТС), использование новых физических эффектов. Станки совершенствуются в сторону возможности работы без участия человека -создание и совершенствование роботизированных обрабатывающих комплексов. Технологическая оснастка становится более долговечной и упрощенной за счет новых материалов, используемых для ее изготовления и более совершенных станков. Применяемые новые физические эффекты в машиностроении включают в себя ультразвуковое, лазерное, колебательное, электромагнитное и прочее воздействие как на средство изготовления изделия, так и непосредственно на заготовку. Новые СОТС включают в себя новые виды смазочно - охлаждающих жидкостей (СОЖ) и газов, а также способы их доставки в зону резания.

Среди способов охлаждения зоны резания в середине прошлого века был опробован метод сухого электростатического охлаждения (СЭО). К

157

настоящему моменту разными изобретателями создано большое разнообразие технических средств для подготовки ионизированных газов. Общим в конструкции для этих устройств является наличие направляющего сопла и электрический коронный ионизатор. Ряд изобретений конструктивно сходятся в том, что на входе в коронный ионизатор устанавливается труба Ранка холодным концом. Последнее устройство генерирует охлажденную ионизированную газово - воздушную смесь газов. Недостатками таких технических решений являются громоздкость оборудования и разделенное снабжение энергией: подвод сжатого воздуха и электрической энергии [1 -

3].

Устранение указанных недостатков возможно применением вихревого ионизатора (ВИ). ВИ является техническим устройством для подготовки ионизированной охлажденной газово - воздушной СОТС, конструктивно выполненным на основе вихревой трубы Ранка [4]. Отличия от последней заключаются в использовании других конструкционных материалов и геометрических соотношений. Ниже приведены исследования ВИ на предмет наибольшей ионизирующей эффективности и его влияния на технологические параметры механической обработки.

1. Исследование ВИ. В ВИ происходят сложные газодинамические процессы, которые приводят к ионизации воздуха, поэтому объяснить замеченное явление можно только при комплексном рассмотрении газодинамических процессов. Ионизация, как любое явление природы, имеет свои причины возникновения и условия протекания. В природе ионизация воздуха происходит там, где возможно массовое соударение частиц газов воздуха, наличие излучения, или трения о диэлектрики. Эти явления происходят вследствие электрических разрядов в атмосфере, мелкого дробления воды у водопадов (баллоэлектрический эффект), коронного разряда на концах игл хвойных деревьев и горных вершин, наличия плазменного состояния вещества в объеме атмосферного воздуха (например, открытое пламя огня), радиоактивного излучения урана в коре Земли, космические лучи (для верхних слоев атмосферы). Другой разновидностью ионизации воздуха является взаимодействие его частиц с поверхностями твердых тел диэлектриков [5].

Для исследования ВИ был разработан и смонтирован стенд, включающий: ВИ со внутренним диаметром трубы 10 мм и его комплектующих (диафрагмы с тремя разными осевыми отверстиями и три сопла из разных материалов); компрессор поршневого типа с максимальным давлением до 1,1 МПа (фирма «AIR COM bagliony» (Италия)), подбирался с возможностью регулирования давления; для подсчета концентрации заряженных частиц (КЗЧ) - счетчик аэроионов «Сапфир - 3М» (г. Москва), с погрешностью ±0,4 единицы измерения и возможностью передачи данных в ре-

жиме реального времени на персональный компьютер; компактный сенсор влажности са1НТ01^ - 2080 - ZE05 - М08 с рабочим диапазоном измерения 0__100 % и погрешностью ±2 %; персональный компьютер (ПК) на ба-

зе ноутбука марки ACER со специальным программным обеспечением; мультиметр цифровой марки АМ - 1118 со встроенной термопарой типа «К» фирмы «Актаком» (Япония). Между мультиметром и ПК была установлена связь. Схема стенда приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема стенда экспериментального для исследования вихревого ионизатора

Цель исследования: определение влияния конструктивных и режимных параметров, а также влажности подаваемого воздуха на КЗЧ, генерируемых ВИ. Параметрами конструктивными, влияние которых исследовалось, были: степень перекрытия дросселя, материал сопла, диаметр осевого отверстия диафрагмы. Все перечисленные комплектующие встречаются в конструкции вихревой трубы А.П. Меркулова. На КЗЧ, теоретически, влияют различные материалы, из которых состоит ВИ, поэтому были исследованы зависимости динамики изменения КЗЧ при различных материалах сопла. Диаметр отверстия диафрагмы влияет на массовую долю холодного потока вихревых труб [6], а, значит и на количество воздуха, подвергаемого ионизации. Режимным параметром работы ВИ является давление воздуха, подаваемого от компрессора и влажности. Исследование влияния конструктивных параметров проводилось при установленном давлении воздуха 0,45 МПа и подача 1 м /мин.

Степень перекрытия дросселя. Степень перекрытия дросселя выражалась в процентах: 100 % соответствовали полностью закрытому дросселю, 0 % - полностью открытому. Выставлялась требуемая степень пере-

крытия измерением с точностью L±1 мм расстояния между дросселем и корпусом. Исследование сводилось к измерению температуры газов с помощью мультиметра и термопары и КЗЧ на холодном конце ВИ. Практический смысл полученных зависимостей состоит в возможности настройки ВИ при работе на станке без использования счетчика аэроионов.

Материал сопла. Подбиралась диафрагма с отверстием в соотношении d/D=1/10, где d - диаметр осевого отверстия в диафрагме, D - диаметр трубы ВИ; положение дросселя настраивалось на наименьшую температуру холодного потока, для чего использовался ртутный термометр ГОСТ 112 - 78. Подача воздуха от компрессора начиналась и прекращалась одновременно с включением счетчика аэроионов, подключенного к ПК. Измерение проводилось в течение 300 с по - времени. Последовательно устанавливались сопла из материалов: сталь нержавеющая 12Х18Н10Т ГОСТ 5949 - 75, дюралюминий Д16 ГОСТ 21488 - 97, фторопласт - 4 ГОСТ 10007 - 72.

Диаметр осевого отверстия диафрагмы. Подбиралось сопло, соответствующее максимальной генерации аэроионов, положение дросселя и режим работы компрессора не менялись. Порядок проведения исследования аналогичен описанному выше с той разницей, что менялись диафрагмы с отверстиями в соотношениях с диаметром трубы d/D ^ - диаметр отверстия в диафрагме, D - внутренний диаметр трубы): 0,1; 0,2; 0,3.

Давления нагнетаемого воздуха. Использовалась комплектация стенда, описанная при исследовании влияния материала сопла, применялось сопло из фторопласта. Давление менялось с шагом 0,05 МПа через равные промежутки времени, равные 60 с.

Влажность нагнетаемого воздуха. Использовалось распыление воды на входе в компрессор. С шагом 1 мин по - времени подача воды от распылителя уменьшалась на равные величины от максимального значения до нуля. Снимались измерения влажности нагнетаемого воздуха на входе в вихревой ионизатор с помощью датчика влажности, а также измерения КЗЧ.

Выполненные эксперименты по выявлению влияния конструктивных и режимных параметров на процесс ионизации в ВИ показали четкие результаты. Большинство графиков изменения измеряемых величин не имеют резких переходов и характеризуются плавностью. Троекратное повторение каждого эксперимента обеспечили дисперсию значений величин не более 5 %. На рис. 2 приведена диаграмма влияния различных конструктивных и режимных факторов на ионизационную работоспособность ВИ.

Относительное влияние конструктивных и режимных параметров на концентрацию заряженных частиц

Рис. 2. Диаграмма относительного влияния конструктивных и режимных параметров ВИ на КЗЧ:

1 - степень перекрытия дросселя; 2 - отверстие в диафрагме;

3 - давление воздуха; 4 - материал сопла;

5 - влажность воздуха

Видно, что наибольшее влияние на работоспособность устройства оказывает влажность воздуха. Одним из наблюдений при исследованиях является наличие минимального значения КЗЧ при влажности на уровне 35...40 %, при дальнейшем уменьшении или увеличении влажности КЗЧ плавно увеличивается. Это объясняется наличием конкурирующих процессов ионизации: баллоэлектрический эффект и трение о диэлектрики.

2. Исследование качества обработки и стойкости режущего инструмента. Одним из главных показателей качества обработки является шероховатость обработанной поверхности, а стойкость режущего инструмента является комплексным показателем совершенствования технологического оборудования. Оба параметра определяют себестоимость изготовления, которая влияет на целесообразность выпуска продукции. Все три показателя характеризуют совершенство технологии в достаточной мере

[7].

Для исследования стойкости режущего инструмента и шероховатости обработанной поверхности при использовании ВИ в комплектации и режимами, соответствующих максимальной КЗЧ был разработан и смонтирован стенд на токарно - винторезном станке МК 6056 с мощностью привода главного движения N=11 кВт. Станок выбирался с учетом требуе-

мой мощности резания, возможностью подачи СОЖ, высокой точности установки требуемых режимов резания. Схема стенда приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема экспериментального стенда для исследования технологических параметров

Подача ионизированного воздуха осуществлялась ВИ, сжатый воздух - сужающим наконечником. Работа ВИ и наконечника обеспечивалась центральной цеховой пневматической сетью при давлении воздуха

0,46 МПа. Режущий инструмент - съемная твердосплавная квадратная прямая пластина из материала Т5К10 с диаметром описанной окружности D=18 мм и державка правая 2102 - 1007 по МН 3901 - 62, сечение державки h х Ь 29 х 20 мм, ф=45 °, а=10 °, у=10 °, ^=4 °, 1=0,2 мм. Выбор указанного режущего инструмента обосновывается необходимостью интенсификации процесса изнашивания инструмента при исследованиях. В качестве измерительного оборудования было использовано:

1. Приспособление измерительное, включающее призму с зажимом, прикрепленную ко шлифованному столу, на котором располагалась головка измерительная рычажно-зубчатая 1ИГ ГОСТ 18833 - 73 с ценой деления 0,001 мм со стойкой С - III - 8 - 50 ГОСТ 10197 - 70. Приспособление позволяло выполнить измерение разницы линейного размера, характеризующего радиальный износ пластины с учетом ее наклона в державке.

2. Психрометр аспирационный ГОСТ 6353 - 53.

Обрабатывалась сталь 40Х ГОСТ 4543 - 71, пруток 095 мм и длиной 500 мм. В качестве СОЖ применялась 5 %-ная эмульсия на водной основе ТУ 38.101149 - 75, согласно рекомендациям [8].

Исследование стойкости режущего инструмента. Цель исследования: определение числового значения стойкости режущего инструмента в зависимости от используемой СОТС. На стенд устанавливался пруток и

протачивался на глубину 1 мм для выравнивания по кривизне и снятия окисленного слоя металла. На прутке выполнялась выточка для обеспечения длины обработки L=400 мм. Указанная длина является оптимальной для условий проведения исследований, что подтверждается проведенными предварительными пробными проходами. Психрометром измерялись влажность и температура окружающего воздуха, соответственно, полученные данные - влажность 8=90 %, температура воздуха t=35 °С.

1. На станке устанавливался черновой режим резания: 1=1,5 мм, s=1 мм/об, п=400 мин-1 [9]. При отсутствии охлаждения при установленном режиме пруток протачивался одним проходом пластиной Т5К10, после чего пластина менялась. Опыт повторялся на 3 пластинах.

2. П.1 выполнялся повторно при чистовом режиме: 1=0,5 мм, s=0,2 мм/об, п=1000 мин-1[9], после чего менялся пруток.

3. П.1 и п.2 повторялись для охлаждения различными способами: сжатым воздухом, полив СОЖ, ионизированным воздухом, от ВИ. При охлаждении ВИ сопло находилось на расстоянии 10 мм от пластины.

Исследование шероховатости обработанной поверхности. Цель исследования: выявление зависимости средней шероховатости обработанной поверхности при чистовом режиме резания от используемой СОТС. Измерения шероховатости производились профилометром во время исследования стойкости режущего инструмента. После каждого чистового прохода измерялось значение средней шероховатости обработанной поверхности. Результаты исследований приведены на диаграмме рис. 4.

Диаграмма технологических показателей обработки

Шероховатость Яа, мкм

Стойкость Т, ми

8

4

2

0

Рис. 4. Диаграмма результатов исследований

Наглядно видно, что стойкость инструмента при обработке с использованием ВИ по - сравнению с вариантом без охлаждения, выше бо-

лее чем на 100 %. В сравнении с поливом эмульсией показатель стойкости сравним, однако ввиду технических, экологических и экономических аспектов использование ВИ предпочтительнее [10]. Диаграмма шероховатости поверхности показывает, что использование ВИ дает минимальную высоту микронеровности, однако, при ряде переходов, касающихся обработки не ответственных поверхностей достаточным будет вариант без охлаждения, таким образом, применять ВИ по параметру шероховатости целесообразно при обработке точных поверхностей.

Выводы

1. Совершенствование технологии механической обработки деталей возможно внедрением технических средств, генерирующих ионизированный воздух в качестве СОТС. Среди этих устройств наиболее рациональным и технически обоснованным является вихревой ионизатор (ВИ), работающий на основе газодинамических процессов, протекающих в нем.

2. Исследование ВИ подтверждает эффект генерации заряженных частиц. Дополнительно ВИ охлаждает и обеспечивает направленность движения подготовленной ионизированной газовой СОТС.

3. Использование ВИ для охлаждения зоны резания при обработке деталей из низколегированных сталей позволяет повысить стойкость твердосплавной пластины Т5К10 в 17 раз по сравнению с вариантом без охлаждения, в сравнении с поливом эмульсией стойкость сопоставима.

4. ВИ позволяет уменьшить высоту неровности обработанной поверхности в 2,5 раза по сравнению с вариантом обработки без охлаждения; в 1,8 раза по сравнению с обдувом сжатым воздухом и примерно сопоставимую с вариантом полива эмульсией.

Список литературы

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

2. Патент РФ №2016738. Устройство для ионизации воздуха / заявлено 4839399/08 15.06.1990, опубликовано 30.07.1994.

3. Ахметзянов И.Д., Ильин В.И., Кирий В.Г.. Влияние униполярного коронного разряда на процесс обработки резанием: Научные труды Чув-ГУ. Чебоксары. Изд-во ЧувГУ, 1987. С. 133 - 139.

4. Патент РФ №2042089. Вихревая труба. / аявлено 30.07.1993, заре-гестрировано в госреестре 20.08.1995.

5. Курносов Н.Е. Асосков А.С. Жулимов А.Ю. Ионизация воздуха вихревой трубой // Сб. материалов Международной научно-практической конференции «Разработка и внедрение ресурсо - и энергосберегающих технологий и устройств». Пенза: ПДЗ, 2010. С. 25 - 27.

6. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике М.: Машиностроение, 1969. 180 с.

7. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.

8. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием: справочник/ под ред. С.Г. Энтелиса.

Э.М. Берлинера. М.: Машиностроение, 1986. 352 с.

9. Справочник технолога-машиностроителя. в 2 т. Т2 / под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова М.: Машиностроение, 1985. 496 с.

10. Курносов Н.Е., Асосков А.С., Елистратова А.Г. Экологические, экономические и технологические аспекты использования ионизированного воздуха в качестве СОТС//. Сб. материалов IX Международной научнопрактической конференции «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства (промышленность, транспорт, сельское хозяйство)». Пенза: ПДЗ, 2009. С. 48 - 50.

N.E. Kurnosov, A.S. Asoskov

VORTICAL IONIZATION AS MEANS FOR IMPROVING OF MACHINING OF DETAILS TECHNOLOGY

The research of vortical ionizing equipment for maximum ionizing gases for vortical ionizing equipment agency for processing chromic steels technology on a basis example of turning operation ofprocessing of a chromic steel is considered.

Key words: machining of details, research of vortical ionizing equipment, processing chromic steels technology.

Получено 14.01.12