РЕЗЕЦ ДЛЯ ЧИСТОВОГО ТОЧЕНИЯ С ИСПАРИТЕЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Полезная модель относится к машиностроению в области механической обработки металлов резанием, а именно к проектированию резцов повышенной износостойкости за счет интенсивного испарительного охлаждения.
При длительной работе режущего инструмента происходит его нагревание до высоких температур, интенсифицирующих протекание физических процессов на контактных поверхностях и, как следствие, ускорение его износа.
Известны технические решения для минимизации этого явления.
Эта цель достигается применением способа охлаждения за счет отбора тепла вследствие изменения агрегатного состояния жидкости.
Известен охлаждаемый резец [Авторское свидетельство SU №975329, МПК B23Q опубл. 28.11.1982], содержащий режущую пластинку, установленную на державке с заполненной легкоиспаряющимся жидким теплоносителем внутренней герметичной полостью. Охлаждение осуществляется за счет того, что жидкость перемешивается мешалкой, выполненной в виде бесконечной ленты из эластичного пористого материала, охватывающей в зоне испарения и в зоне конденсации вращающиеся барабаны.
Недостатком данного резца является сложность и дороговизна реализации, удаленность зоны испарения от теплонагруженных рабочих поверхностей резца, а также излишние затраты энергии для питания вращающихся барабанов.
Известен резец [Авторское свидетельство SU №1047603, МПК B23B 27/10, опубл. 21.01.1982), содержащий державку с опорной пластиной, на которой жестко закреплена режущая пластина и прижимная планка с каналами для выхода пара и каналы для подвода охлаждающей жидкости. В прижимной планке выполнена емкость с одной наклонной торцевой поверхностью, в основании которой с равномерным шагом по ширине емкости в сторону режущей пластины выполнены наклонные каналы для подвода охлаждающей жидкости, сообщающиеся с каналами для выхода пара из полости, в которой размещена тыльная часть режущей пластины.
Недостатки: сложность конструкции составной державки, снижение ее жесткости, значительно влияющей на точность и качество обработки, а также незначительное влияние на температуру задней поверхности резца, износ которой оказывает превалирующее влияние на стойкость инструмента при чистовой обработке.
Технической задачей полезной модели является снижение износа режущего инструмента и, как следствие, повышение качества обработки материала.
Техническая задача, поставленная в предлагаемой нами полезной модели, достигается путем размещения на боковой стороне стандартной державки емкости для воды, соединенной трубкой с пористой подложкой, на которой устанавливается режущая пластина с пористой вставкой. Также резец имеет пористый палец и прижим - стружколом.
На Фиг. 1 представлена конструкция резца, оборудованного пористой пластиной.
На Фиг. 2 представлен фрагмент резца.
На Фиг. 3 показана зависимость периода стойкости резцов от скорости резания (110Г13Л - ВК6; t=0,5 мм; s=0,1 мм/об); нижняя линия графика - резец без охлаждения; верхняя линия графика - резец с пористым охлаждением.
Резец содержит режущую пластину 5 с пористой вставкой 6, пористую подложку 4, державку 1 и емкость 2 для воды, закрепленную на боковой поверхности державки 1, трубку 3, пористый палец 7, прижим - стружколом 8.
Рассмотрим работу резца.
Охлаждающая жидкость (вода) поступает из емкости 2 через соединительную трубку 3 и капилляры пористой подложки 4 и пористой вставки 6 в зону резания режущей пластины 5. В процессе резания и нагревания вода испаряется, что сопровождается интенсивным рассеянием тепла в окружающее воздушное пространство. Пористый палец 7, сообщающийся гидравлически с порами подложки 4 и вставки 6 служит для увеличения площади испарения и как следствие - интенсивности охлаждения. В результате температура резца не повышается до уровня, ухудшающего тепловой режим. При этом сохраняется износостойкость режущей пластины 5 и точность обработки материала.
Пористые детали обеспечивают существенное увеличение площади поверхности охлаждающей жидкости, что позволяет использовать воду.
Рассмотрим пример расчета количества воды, расходуемой при испарительном охлаждении открытого типа.
Одним из показателей оценки практической эффективности охлаждения испарением может служить величина расхода потребляемой воды.
z
Главная составляющая силы резания P, Н равна
Здесь: t-глубина резания, мм; S-подача, мм/об; V- скорость резания, м/мин;
e
Эффективная мощность, затрачиваемая на процесс резания N, КВт (2)
a
Толщина срезаемого слоя , мм, где ϕ - главный угол в плане
Доля тепла δ, поступающая в режущий клин,
р
где λ - коэффициент теплопроводности инструментального материала, Вт/м⋅°С;
λ - коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала, Вт/м⋅°С.
p
Количество теплоты Q, Вт, поступающей в резец в единицу времени
Результаты расчетов для нескольких труднообрабатываемых материалов сведены в таблице 1.
Как показывают полученные результаты (таблица 1), количество теплоты, поступающее в режущий клин в единицу времени, существенно зависит от теплопроводности обрабатываемого материала и может отличаться для ряда материалов в несколько раз. Поэтому интенсивность изнашивания режущего инструмента выше для низкотеплопроводных материалов и в этих случаях можно говорить об эффективном применении испарительного охлаждения. Очевидно, что диссипация выделяемой при резании тепловой энергии происходит в две стадии: сначала вода нагревается до температуры кипения, затем испаряется в процессе кипения. Отбираемая от резца теплота Q (Дж)
где с - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг⋅К);
r - удельная теплота парообразования, Дж/кг; m - масса воды, кг; ΔТ - разность температур, °С.
p
При известном времени обработки одной детали τ и известном количестве теплоты Q, выделяемой на режущем клине в единицу времени,
Предполагая, что вся поступающая в резец теплота будет расходоваться на нагревание воды и парообразование и, приравнивая правые части уравнений (6) и (7), определим необходимое количество воды, затрачиваемой на обработку одной детали
p
Воспользовавшись выражением (7), определим количество теплоты Q, поступающее в режущий клин на примере обработки титанового сплава ВТ3-1 (таблица 2).
В качестве примера, характеризующего расход воды при испарительном охлаждении открытого типа, приведены результаты расчетов при обработке партии деталей типа «вал» в соответствии с выражением (8).
Обрабатываемый материал - титановый сплав ВТ3-1 (λ=12 Вт/м⋅°С);
p
режущая пластина - ВК6 (λ= 54,4 Вт/м⋅°С); диаметр заготовки D=100 мм; длина заготовки L=400 мм. Режимы резания: t=4 мм; s=0,6 мм/oб; v=25-200 м/мин.
Результаты расчета расхода воды при разных скоростях резания представлены в таблице 3.
С увеличением скорости резания количество воды, необходимое для охлаждения, увеличивается. Это можно объяснить увеличением количества теплоты, поступающей в режущий клин, что обеспечивает более интенсивное парообразование.
При испытании авторами резца для чистового точения с испарительным охлаждением его стойкость при точении стали 110Г13Л твердым сплавом ВК 6 (t=0,5 мм; s=0,1 мм/oб) по сравнению со стойкостью резца, работающего без охлаждения, повысилась в 2…2,2 раза (фиг. 3).