МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА, ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ
METAL FIBERS, THEIR PRODUCTION AND FABRICATION

Настоящее изобретение относится к способу изготовления металлических волокон. Изобретение относится также к устройству для осуществления этого способа изготовления металлических волокон. Изобретение относится далее к волокнам, волокнистому материалу, фильтрам для улавливания твердых частиц, а также к транспортному средству.
В системах выпуска отработавших газов (ОГ), образующихся при работе нестационарных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), используется множество самых разнообразных материалов, которые подвергаются исключительно интенсивному воздействию высоких температур и агрессивных газов, а также воздействию высоких вибрационных нагрузок. Однако несмотря на работу в столь жестких окружающих условиях, подобные материалы должны сохранять свои функциональные свойства на протяжении максимально длительного периода времени. Функциональные свойства материалов зависят в основном от типа изготавливаемого из них устройства для обработки ОГ (нейтрализации или снижения токсичности ОГ). В качестве примера устройств для обработки ОГ можно назвать каталитические преобразователи и нейтрализаторы, адсорберы, фильтры для улавливания твердых частиц, смесители, изолирующие маты, уплотнения и иные устройства. Используемые для изготовления подобных устройств материалы обычно должны быть жаропрочными и стойкими к коррозии. Такими свойствами наряду с керамическими материалами обладают прежде всего некоторые металлические материалы.
В указанных выше устройствах для обработки ОГ отчасти применяются также металлические волокна. При этом постоянно возрастает интерес к использованию металлических волокон прежде всего в качестве изоляционного и фильтрующего материала. Поскольку речь при этом идет о деталях, соответственно материалах, которые применяются преимущественно в автомобилестроении, особую важность приобретает повышение рентабельности изготовления подобных металлических волокон с высоким выходом годного продукта. Учитывая наличие у систем выпуска ОГ, образующихся при работе нестационарных ДВС, высокой чувствительности к внешним воздействиям, соответственно повреждаемости, отчасти связанной с использованием в них исключительно чувствительной электроники, датчиков и иных устройств, особо важное значение имеет наличие у волокнистых материалов длительного срока службы, а также максимально высокой усталостной прочности, обусловленной формой изготовленных из них изделий. Только при наличии таких свойств можно предотвратить обусловленное значительными перепадами температуры и давления отделение от металлических волокон их частей в процессе работы, которые при определенных условиях могут захватываться потоком ОГ и попадать в расположенные далее по ходу потока ОГ устройства для их обработки.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ, который позволял бы изготавливать металлические волокна, выполненные из которых изделия отвечали бы необходимым требованиям. Такой способ должен прежде всего отвечать требованиям серийного производства устройств для обработки ОГ в автомобилестроении. Одновременно с этим подобный способ должен обеспечивать изготовление волокон максимально однородной формы. Помимо этого задача изобретения состояла в разработке конструктивно простых устройств для изготовления металлических волокон, а также в разработке конструктивно простых деталей и компонентов для более эффективной обработки ОГ, образующихся при работе нестационарных ДВС.
Указанная задача решается с помощью способа изготовления металлических волокон, стадии которого представлены в п.1 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления предлагаемого в изобретении способа представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Положенная в основу изобретения задача решается также с помощью предлагаемого в нем устройства, содержащего станочное приспособление для закрепления по меньшей мере одного металлического блока и инструмент и заявленного в соответствующем независимом пункте формулы изобретения на "устройство". В этом отношении необходимо отметить, что представленные по отдельности в формуле изобретения отличительные признаки могут использоваться в любых, технологически реализуемых комбинациях между собой, образующих другие предпочтительные варианты осуществления изобретения. Равным образом и содержание настоящего описания может использоваться для трактования формулы изобретения.
Предлагаемый в изобретении способ изготовления металлических волокон характеризуется тем, что подготавливают по меньшей мере один металлический блок и технологическим методом резания с использованием по меньшей мере одного вращающегося инструмента с металлического блока снимают материал в виде волокон.
Под волокном подразумевается прежде всего мелкое, тонкое, продолговатое тело. В соответствии с этим определением волокно представляет собой тело, у которого преимущественно его поперечные размеры (диаметр) существенно меньше его продольных размеров (длины), прежде всего у которого соотношение между его длиной и диаметром составляет по меньшей мере 10, предпочтительно 100 или даже 1000.
Металлический материал волокон в основном соответствует материалу исходного металлического блока. В предпочтительном варианте металлические волокна изготавливают из сплава на основе железа, содержащего по меньшей мере один легирующий элемент из числа алюминия и хрома, а предпочтительно, содержащего оба этих элемента. Подобный металлический материал предпочтительно должен быть пластичным и жаропрочным. Указанные легирующие элементы обеспечивают надежную защиту от коррозии под действием вредных веществ, содержащихся в ОГ, образующихся при работе нестационарных ДВС.
Согласно изобретению волокна изготавливают методом резания из металлического блока. При этом вращающийся инструмент своей определенной режущей кромкой врезается в металлический блок, соответственно в его поверхность, и отрезает волокна от сплошного материала. Резание выполняется инструментом за счет его приведения в необходимое (главное) движение относительно металлического блока с (главной) относительной скоростью. При этом инструмент приводится во вращение вокруг собственной оси. На такое совершаемое самим инструментом вращательное движение накладывается дополнительное поступательное (вспомогательное) относительное движение между металлическим блоком и инструментом, так называемое движение подачи. При этом заготовка (металлический блок) и инструмент перемещаются друг относительно друга с некоторой заданной (обычно постоянной) скоростью, при которой лезвия инструмента врезаются в металлический блок на заданную глубину. Таким путем получают однородные волокна.
Далее, согласно изобретению снятие материала в виде волокон осуществляют последовательно слоями на различных уровнях, врезаясь по меньшей мере одним вращающимся инструментом в металлический блок на соседних уровнях со смещением. Целесообразность съема материала металлического блока по такой схеме обусловлена тем, что в процессе обработки металлического блока на его поверхности вблизи режущей кромки инструмента образуются неровности, например канавки, бороздки, возвышения и иные неровности. По этой причине в данном варианте и предлагается выполнять обработку резанием в следующем цикле, в котором снимается следующий верхний слой материала металлического блока, с подобным смещением, чтобы образующиеся в этом цикле обработки неровности не располагались в одной вертикальной плоскости с неровностями, образовавшимися при съеме предыдущего, вышележащего слоя материала металлического блока. Величина такого смещения предпочтительно должна составлять при этом около половины толщины волокна. Тем самым в зависимости от настроенной скорости подачи, соответственно частоты вращения инструмента, а также количества у него лезвий в волокнах при определенных условиях можно создавать места их запрограммированного разрыва или разрушения. Наличие таких мест запрограммированного разрыва или разрушения волокон позволяет в последующем простым путем дополнительно уменьшать поперечное сечение волокон обработкой на дополнительных стадиях. Таким путем можно помимо этого изготавливать волокна с поперечным сечением особой формы, например, практически круглой, эллипсовидной или многоугольной формы.
В одном из вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа волокна изготавливают путем съема материала с металлического блока торцовым фрезерованием. Под фрезерованием в данном контексте подразумевается прежде всего технологический метод резания для получения изделий с любыми поверхностями с приведением режущего инструмента, обычно многолезвийного (многозубого), в круговое движение резания. Движение резания направлено перпендикулярно оси вращения инструмента или же под наклоном к ней. В целом методы фрезерования подразделяют, например, в зависимости от типа получаемой поверхности, формы (профиля) инструмента и/или кинематики помимо прочего на плоское фрезерование, круглое фрезерование, фрезерование методом обката, фасонное фрезерование и профильное фрезерование.
Обработку поверхности заготовки торцовой стороной инструмента с так называемыми вспомогательными режущими кромками называют торцовым фрезерованием. В соответствии с этим метод фрезерования, при котором поверхность заготовки обрабатывается фрезой с лезвиями, расположенными по ее периферии, называют периферийным фрезерованием. В зависимости от направления вращения инструмента и направления его подачи фрезерование подразделяют далее на встречное и попутное. При встречном фрезеровании направление движения подачи и направление движения резания противоположны друг другу, а при попутном фрезеровании - совпадают. При изготовлении металлических волокон наиболее предпочтительным согласно изобретению методом торцового фрезерования, соответственно торцового фрезерования плоскостей ширина фрезерования (соответствует в основном длине волокна) существенно превышает глубину резания (соответствует в основном высоте волокна), а поверхность заготовки обрабатывается вспомогательной режущей кромкой, т.е. теми частями лезвий, которые расположены на торце фрезы. В предпочтительном варианте скорость подачи при фрезеровании торцовой фрезой должна составлять от 10 до 100 мкм на один ее оборот.
Описанные выше методы фрезерования позволяют за исключительно короткий период времени получать большое количество однородных волокон. Подобный процесс при этом обычно повторяют до полного расходования металлического блока. В принципе необходимо также отметить, что при обработке подобного металлического блока можно, как очевидно, одновременно использовать и несколько фрез, а также дополнительно можно применять охлаждающие и/или смазочные средства и/или параллельно можно выполнять другие процессы обработки (например, дополнительное шлифование фрезерованной поверхности и т.д.).
В еще одном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа им изготавливают волокна толщиной от 10 до 100 мкм. Более предпочтительно изготавливать предлагаемым в изобретении способом волокна толщиной от 20 до 30 мкм. Регулировать толщину, а также длину, соответственно высоту волокон можно за счет соответствующего выбора частоты вращения инструмента и скорости подачи. При этом одновременно необходимо также учитывать геометрические параметры врезающихся в обрабатываемую заготовку лезвий.
Предлагаемым в изобретении способом изготавливают волокна длиной от 1 до 50 мм, предпочтительно от 15 до 25 мм.
Предпочтительно далее изготавливать предлагаемым в изобретении способом волокна высотой от 10 до 100 мкм. Более предпочтительно, однако, изготавливать волокна высотой от 20 до 30 мкм.
С указанными выше размерами следует прежде всего изготавливать волокна, которые используются в качестве отдельных компонентов устройств для обработки ОГ. При таких размерах волокна имеют необходимые поперечные сечения, при которых они способны длительно выдерживать термические и динамические нагрузки. Помимо этого при указанных размерах волокна имеют, например, достаточно большую для обеспечения эффективного контакта с ними ОГ удельную поверхность. Необходимо далее учитывать, что благодаря таким размерам волокон обеспечивается также возможность создания приемлемых "узловых точек", образующихся, например, при соединении между собой нескольких волокон. Получаемые при этом неразъемные соединения волокон и/или их соединения за счет сил молекулярного сцепления обладают достаточно высокой стойкостью и прочностью.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа по меньшей мере один инструмент приводят во вращение с заданной частотой и перемещают с заданной скоростью подачи относительно по меньшей мере одного металлического блока, выбирая при этом частоту вращения инструмента и скорость подачи такими, при которых изготавливаемые волокна по меньшей мере на 50% своей длины имеют единообразную толщину. Этот вариант обеспечивает изготовление волокон, которые по меньшей мере на преобладающей части своей длины в основном идентичны друг другу и которые тем самым именно при последующем изготовлении из них тканых, вязаных и иных аналогичных изделий обеспечивают образование достаточно больших мест контакта между собой соседних волокон. Предпочтительно волокна должны иметь единообразную толщину по меньшей мере на 80% своей длины, а более предпочтительно даже на 90%, соответственно 95% своей длины. При этом необходимо отметить, что выражение "единообразная толщина" допускает, однако, отклонение толщины волокон от номинальной в пределах определенных производственных допусков. Величина таких производственных допусков зависит преимущественно от метода изготовления волокон, а конкретно при их изготовлении фрезерованием вполне допустимое отклонение толщины волокон от среднего размера может составлять, например, ±20%.
В следующем варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа обработку по меньшей мере одного металлического блока начинают со стороны его фронтальной поверхности, профиль которой в основном соответствует профилю инструмента. Под этим, в частности, подразумевается, что такая фронтальная поверхность металлического блока, т.е. его фронтальная или передняя поверхность, в которую первоначально врезается вращающийся инструмент, в основном повторяет профиль инструмента. Сказанное, например, означает, что фронтальная поверхность металлического блока, со стороны которой начинается его обработка, выполнена скругленной по радиусу, который в основном соответствует радиусу инструмента. Благодаря наличию у металлического блока фронтальной поверхности подобной формы параметры резания остаются неизменными на протяжении всего процесса его обработки, т.е. от момента первоначального врезания инструмента в металлический блок до момента выхода инструмента из металлического блока. Для соблюдения этого условия предпочтительно также выполнять металлический блок с соответствующей задней поверхностью, закругленной по радиусу, равному радиусу инструмента. В соответствии с этим фронтальная поверхность металлического блока преимущественно имеет вогнутую форму, а его задняя поверхность - выпуклую форму. Вращающийся инструмент необходимо при этом позиционировать по середине фронтальной поверхности металлического блока и перемещать в соответствующем направлении механизмом подачи.
В изобретении предлагается также способ изготовления фильтрующего материала, заключающийся в том, что сначала описанным выше способом изготавливают волокна, которые затем неразъемно соединяют между собой с получением газопроницаемого слоя. Для неразъемного соединения волокон между собой можно использовать присадочный материал, однако их можно также соединять друг с другом путем приложения давления и/или путем нагрева с образованием соединений, обеспечиваемых за счет сил молекулярного сцепления (например, сваркой, спеканием и иными способами). При этом волокна могут располагаться упорядоченно в определенной ориентации друг относительно друга или хаотично. Таким способом в конечном итоге получают газопроницаемый слой, сквозь который через его образованные волокнами поры или пустоты может проходить текучая среда, соответственно газ. Такой слой предпочтительно должен иметь толщину менее 4 мм, прежде всего менее 2 мм. Упорядоченное расположение волокон позволяет придать слою пористость, составляющую в среднем от примерно 40 до 90%. Подобный слой предпочтительно использовать для улавливания частиц сажи или иных твердых веществ, присутствующих в ОГ, образующихся при работе двигателя и переносимых ими. Для выполнения этой функции фильтрующий материал можно дополнить другими материалами, такими, например, как покрытие, пенометалл, пенокерамика, опорная структура, катализатор и прочие материалы.
Следующим объектом настоящего изобретения является предлагаемое в нем устройство, содержащее станочное приспособление для закрепления по меньшей мере одного металлического блока и по меньшей мере один приводимый во вращение инструмент, который для осуществления описанного выше, предлагаемого в изобретении способа выполнен с возможностью его подачи на врезание в по меньшей мере один металлический блок и который представляет собой многолезвийную фрезу, прежде всего торцовую фрезу. Под фрезами подразумеваются прежде всего режущие инструменты, которые имеют несколько лезвий, соответственно режущая кромка которых прорезями или промежутками разделена на несколько зубьев. Лезвия фрезы предпочтительно располагать на равном удалении друг от друга на периферии и/или на торце фрезы. В этом отношении наиболее предпочтительно использовать широкоуниверсальный консольно-фрезерный станок с числовым программным управлением (ЧПУ). В таком станке его регулируемый по высоте стол с приспособлением для закрепления обрабатываемой заготовки дополнительно может совершать горизонтальные перемещения по двум осям (например, для реализации движения подачи). Третья ось перемещения (например, для регулирования глубины резания) параллельна оси шпинделя, расположенного в шпиндельной бабке или головке и служащего для приведения многолезвийной торцовой фрезы во вращение.
В другом варианте можно также использовать фрезерный станок со столом крестовой конструкции, под которой при этом подразумеваются конструкции, в которых на станине станка можно реализовать движение подачи в двух взаимно перпендикулярных направлениях и в которых один из узлов, а именно инструментальный узел (обычно стойка), функционально связан с другим из узлов, а именно с узлом для крепления изделия (обычно столом). При этом существуют различные возможности реализации перемещений вдоль этих осей. В предпочтительном варианте в горизонтальной плоскости перемещается стол, соответственно приспособление для закрепления заготовки, а в вертикальной плоскости - вращающийся инструмент.
C
Z
е
В качестве торцовой фрезы предпочтительно использовать торцовую фрезу со вставными ножами, которые оснащены, например, механически закрепленными твердосплавными неперетачиваемыми режущими пластинками в качестве лезвий. Диаметр подобной торцовой фрезы со вставными ножами составляет до 250 мм. При использовании такой фрезы для изготовления металлических волокон предлагаемым в изобретении способом скорость резания (v) предпочтительно должна лежать в пределах от 1 до 20 м/мин при скорости подачи (f) в пределах от 0,02 до 0,1 мм на один зуб и при глубине резания или фрезерования (а) в пределах от 0,02 до 0,1 мм.
Волокна, изготавливаемые предлагаемым в изобретении способом, соответственно с помощью предлагаемого в изобретении устройства, характеризуются высокой точностью формы и могут тем самым использоваться в качестве основы компонентов для обработки ОГ, способных длительно работать в системах выпуска ОГ, образующихся при работе нестационарных ДВС.
Из подобных волокон можно, например, по меньшей мере частично изготавливать фильтрующий материал. При прохождении через такой фильтрующий материал потока ОГ содержащиеся в них частицы или твердые вещества скапливаются на волокнах, соответственно на нанесенном на них покрытии. Фильтрующий материал можно регенерировать в непрерывном либо периодическом режиме в заданные моменты времени за счет применения восстановителей или иным образом, например, за счет повышения температуры, по меньшей мере частично превращая таким путем твердые вещества в газообразные.
Подобный фильтрующий материал можно использовать для изготовления, например, фильтров для улавливания твердых частиц, используемых в системах выпуска ОГ, которыми оснащаются различные двигатели (дизельные двигатели, двигатели с принудительным воспламенением рабочей смеси и иные двигатели) и обладающих длительным сроком службы и высокой эффективностью. Фильтр для улавливания твердых частиц может быть изготовлен при этом только из фильтрующего материала, однако более предпочтительно, чтобы фильтрующий материал составлял лишь часть фильтра для улавливания твердых частиц. Особенно предпочтительно использовать такой фильтрующий материал в фильтрах, изготавливаемых из по меньшей мере частично профилированных металлических листов, образующих в фильтре каналы, стенки которых при этом могут быть по меньшей мере частично образованы, соответственно которые могут быть по меньшей мере частично ограничены подобным фильтрующим материалом. Металлическим листам придана такая форма, что проходящие по каналам ОГ, соответственно присутствующие в них твердые частицы, принудительно отклоняются в сторону фильтрующего материала и в результате твердые частицы задерживаются им.
По меньшей мере один компонент для обработки ОГ с фильтрующим материалом и/или с фильтром для улавливания твердых частиц описанного выше типа наиболее предпочтительно использовать в транспортном средстве. Под транспортным средством при этом подразумеваются прежде всего легковые автомобили, грузовые автомобили, моторные лодки или катера, самолеты и иные транспортные средства с двигателями.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. На этих чертежах представлены наиболее предпочтительные, но не ограничивающие объем изобретения варианты его осуществления, а также необходимые для его реализации технические средства. На прилагаемых к описанию чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - схема, иллюстрирующая процесс обработки металлического блока вращающимся инструментом,
на фиг.2 - схематичный вид в аксонометрии, иллюстрирующий процесс торцового фрезерования,
на фиг.3 - увеличенные фрагменты металлического блока после обработки,
на фиг.4 - схематичный вид автомобиля, оснащенного фильтром для улавливания твердых частиц, изготовленным с использованием предлагаемых в изобретении металлических волокон, и
на фиг.5 - увеличенный фрагмент фильтра для улавливания твердых частиц, изображенного на фиг.4.
На фиг.1 в виде сбоку схематично показана торцовая фреза 11, которая может приводиться во вращение вокруг своей оси 33 в направлении 17. Торцовая фреза 11 имеет корпус 28 с несколькими закрепленными на нем лезвиями 12. В показанном на чертеже варианте торцовая фреза 11 оснащена четырьмя равномерно распределенными по окружности лезвиями 12, однако может также иметь 6, 8, 12 или более лезвий 12. Торцовая фреза 11 перемещается в направлении 18 подачи относительно металлического блока 2, при этом в такое относительное перемещение обычно приводится металлический блок 2, соответственно стол, на котором он закреплен. При изготовлении металлических волокон предлагаемым в изобретении способом лезвия 12 врезаются в металлический блок 2 и снимают при этом его материал в виде волокон 1 высотой 6 и толщиной 4.
На фиг.2 схематично в аксонометрии показано устройство для изготовления волокон 1 предлагаемым в изобретении способом. Металлический блок 2 закреплен в соответствующем станочном приспособлении 10. С целью обеспечить равномерное врезание вращающегося инструмента 3 в металлический блок 2 он имеет фронтальную поверхность 7, со стороны которой начинается процесс резания металлического блока и форма которой в основном соответствует профилю 8 инструмента 3. При этом имеется в виду тот профиль 8 инструмента 3, который первым касается металлического блока 2. В показанном на чертеже варианте вращающийся инструмент 3 имеет диаметр, который больше ширины 30 металлического блока 2. Тем самым в данном случае речь идет о технологическом методе, называемом торцовым фрезерованием плоскостей. В процессе такого фрезерования материал металлического блока 2 снимается отдельными слоями вдоль заданных обрабатываемых плоскостей с образованием волокон 1. Более детально одно из таких волокон 1 показано фиг.2 в увеличенном масштабе в левой нижней части чертежа. Подобное волокно 1 имеет, в частности, высоту 6, толщину 4 и длину 5.
На фиг.3 в разрезе показаны два увеличенных фрагмента металлического блока 2 с изображением, в частности, состояния его поверхности после обработки вращающимся инструментом 3. При обработке металлического блока 2 его материал снимается в виде волокон 1 слоями, расположенными на различных уровнях 9, расстояние между которыми предпочтительно должно быть одинаковым. В результате обработки металлического блока лезвиями 12 вращающегося инструмента 3 на металлическом блоке образуются негладкие или рельефные поверхности 21, в частности, с показанными на чертеже возвышениями 22.
При фрезеровании металлического блока в соответствии с обозначенным буквой "А" вариантом возвышения 22, образующиеся на обработанных поверхностях, находящихся на соседних уровнях 9, располагаются в основном на одной вертикальной линии, соответственно в одной вертикальной плоскости. Сказанное означает, что в этом варианте все изготовленные волокна 1 имеют поперечное сечение 29, которое по всей толщине 4 волокна имеет постоянную высоту 6.
В отличие от этого при фрезеровании металлического блока в соответствии с обозначенным буквой "В" вариантом обработку металлического блока выполняют со смещением 19 на соседних уровнях 9. При этом получают волокна 1 переменной высоты 6. Наименьшую высоту 6 волокно 1, когда величина смещения 19 соответствует примерно половине толщины 4 волокна 1, имеет по середине своей толщины 4.
На фиг.5 схематично проиллюстрировано предпочтительное применение подобных волокон 1 в автомобилестроении. В данном случае волокна 1 соединены между собой с образованием слоя 20 и снабжены покрытием. Такой слой 20 расположен между листами частично профилированной фольги 23, которые образуют множество параллельных друг другу каналов 24. Помимо этого листы фольги 23 имеют микропрофильную структуру 27, обеспечивающую отклонение потока ОГ в сторону фильтрующего материала 13, соответственно волокнистого слоя 20. При этом поток ОГ сначала входит в каналы 24 в направлении 32 и затем отклоняется микропрофильной структурой 27 в сторону фильтрующего материала, которым в результате задерживаются содержащиеся в ОГ частицы сажи 25. Слой 20 непрерывно регенерируется.
На фиг.5 показан увеличенный фрагмент фильтра 14 для улавливания твердых частиц, размещенного в системе 31 выпуска ОГ, которой оснащен нестационарный ДВС 26 транспортного средства 15, в данном случае автомобиля (см. фиг.4). Перед фильтром 14 для улавливания твердых частиц, т.е. между ним и ДВС 26, расположен еще один компонент 16 для обработки ОГ, например, нейтрализатор с катализатором окисления, в котором происходит превращение содержащихся в ОГ оксидов азота, необходимое для непрерывной регенерации фильтра 14 в целях элиминации задержанной им сажи.