Устройство для подачи смазочно-охлаждающих технологических средств

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к механической обработке металлов, в частности к устройствам для подачи смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС).
Известен способ подачи СОТС, включающий подачу в зону резания ионизированной распыленной жидкости [а. с. СССР № 210609, МПК B 23 B 1/00, опубл. 1968.11.06]. В основу способа положен процесс предварительной аэрации СОТС. В качестве жидкой среды используют дистиллированную воду или растворы на ее основе, подаваемые в количестве около 500 г/ч.
Основным недостатком этого способа является невысокая стойкость инструмента, что обусловлено несколькими причинами. Во-первых, высокая влажность распыленного СОТС создает неблагоприятные условия образования электрического разряда. Это приводит к снижению концентрации ионизированных частиц в зоне резания и снижает эффективность образования окисных пленок на ювенильными поверхностях обрабатываемой детали. Во-вторых, испарение кипящих частиц СОТС резко понижает температуру детали, которая становится существенно ниже оптимальной. По данным [Безъязычный, В.Ф. Основы технологии машиностроения [Электронный ресурс] : учеб. / В.Ф. Безъязычный. — Электрон. дан. — Москва : Машиностроение, 2016. — 568 с. — Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/107152. — Загл. с экрана. (дата обращения: 10.03.2019)] для различных сочетаний материалов инструмента и обрабатываемой детали оптимальная температура резания лежит в диапазоне 250–1000˚С. Это, в свою очередь, приводит к увеличению динамических нагрузок на инструмент, снижению его стойкости и, следовательно, эффективности резания.
Известен способ механической обработки конструкционных сталей [Патент РФ 2188747, МПК B 23 B 1/00, опубл. 10.09.2002], согласно которому нагрев обрабатываемой поверхности осуществляют горелкой с регулируемой температурой пламени так, чтобы факел пламени в точках касания с поверхностью детали имел температуру 800–1000˚С, а расстояние от центра пятна нагрева до начала резания металла выдерживают до достижения в срезаемом слое температуры разупрочнения 550–600˚С.
Данный способ имеет следующий недостаток. Температура пламени горелки должна на 200–450˚С превышать оптимальную температуру резания и может достигать температуры закалки для сталей, которая лежит в диапазоне 550–1300˚С. При таком нагреве детали и дальнейшем ее охлаждении до нормальной температуры образуется слой металла с измененной структурой (закаленной или нормализованной) и, соответственно, с измененными механическими свойствами. Это создает проблемы для дальнейшей механической обработки, а также приводит к деформации деталей. Кроме того, чрезмерно высокая температура обрабатываемой детали приводит к повышению температуры инструмента и, следовательно, снижению его стойкости.
Известен способ подачи СОТС [Патент РФ 2367556, МПК В 23 Q 11/10, опубл. 01.10.2009], включающий подачу в зону резания ионизированного в поле коронного разряда газового потока с температурой 40–80˚С, и одновременной подачей распыленной жидкости на поверхность детали, причем пятно контакта потока распыленной жидкости с поверхностью обрабатываемой детали находится за пределами пятна контакта ионизированного газового потока.
Недостаток известного способа заключается в том, что охлаждение обрабатываемой детали осуществляется поливом или распыленной жидкостью на ее открытые поверхности. В этом случае отвод тепла происходит за счет фазового превращения (интенсивного испарения или кипения) жидкой среды. При этом температура детали снижается и становится существенно ниже оптимальной температуры резания. Это приводит к снижению стойкости инструмента и эффективности резания.
Известно устройство для охлаждения зоны резания фрезерного станка [Патент РФ на п. м. 130536, МПК B23Q11/10, опубл. 27.07.13], содержащее источник сжатого воздуха, ионизатор с подключенными к источнику питания кольцевым и игольчатым электродами, источник распыленной жидкости, выполненный в виде эжектора, соединенного с источником жидкой среды, и сопло подачи распыленной жидкости.
В данном устройстве реализуется способ подачи в зону резания ионизированного в поле коронного разряда газового потока, и одновременную подачу распыленной жидкости на поверхности детали и инструмента [Патент РФ 2367556, МПК В 23 Q 11/10, опубл. 01.10.2009], поэтому устройство имеет недостатки присущие этому способу.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятым за прототип является устройство для подачи СОТС, выбранное в качестве прототипа заявляемого устройства [Патент РФ 154326, МПК В 23 Q 11/10, опубл. 20.08.2015], содержит  корпус с внутренней кольцевой камерой и выступом, в котором расположена дополнительная камера с каналами, соединенная с кольцевой камерой, ионизатор СОТС, при этом кольцевая камера через ионизатор связана с источником подачи СОТС, а корпус выполнен с возможностью прилегания внутренней поверхности выступа к зубьям фрезы и расположения каналов в нем под углом к поверхности фрезы.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится то, что охлаждение обрабатываемой детали осуществляется поливом или распыленной жидкостью через сопло на ее открытые поверхности. В этом случае отвод тепла происходит за счет фазового превращения (интенсивного испарения или кипения) жидкой среды. При этом температура детали снижается и становится существенно ниже оптимальной температуры резания. Это приводит к снижению стойкости инструмента и эффективности резания.
Техническим результатом заявляемого устройства является повышение эффективности процесса обработки резанием.
Поставленный технический результат достигается тем, что устройство для подачи СОТС, содержащее корпус с внутренней кольцевой камерой и выступом, в котором расположена дополнительная камера с каналами, соединенная с кольцевой камерой, ионизатор СОТС, при этом кольцевая камера через ионизатор связана с источником подачи СОТС, а корпус выполнен с возможностью прилегания внутренней поверхности выступа к зубьям фрезы и расположения каналов в нем под углом к поверхности фрезы, причем устройство снабжено магистралью подачи распыленной жидкости на инструмент, представляющей собой трубопровод, соединяющий источник распыленной жидкости с соплом, направленным на инструмент, датчиком температуры обрабатываемой детали, магистралью подачи распыленной жидкости на обрабатываемую деталь, при этом магистраль подачи распыленной жидкости на обрабатываемую деталь снабжена регулятором подачи распыленной жидкости.
Снабжение устройства магистралью подачи распыленной жидкости на инструмент позволяет осуществлять охлаждение режущего инструмента отдельно от обрабатываемой детали для обеспечения его минимально возможной в данных условиях температуры, что обеспечивает максимальную стойкость инструмента. Снабжение устройства датчиком температуры обрабатываемой детали и регулятором, установленным в магистрали подачи распыленной жидкости на обрабатываемую деталь, позволяет реализовать систему управления температурным режимом в зоне резания. В системе управления применен косвенный метод измерения температуры зоны резания – по температуре нагрева обрабатываемой детали. Подаваемый на регулятор подачи распыленной жидкости сигнал от датчика температуры является обратной связью системы управления температурным режимом. Путем регулирования подачи распыленной жидкости на поверхность обрабатываемой детали обеспечивается ее оптимальная температура для механической обработки. При такой температуре деталь становится достаточно пластичной и при этом не происходит изменения механических свойств металла после охлаждения детали. Снабжение устройства магистралью подачи распыленной жидкости на обрабатываемую деталь, представляющую собой трубопровод, соединяющий источник распыленной жидкости с соплом, направленным на деталь, позволяет точнее регулировать ее расход и тем самым более точно поддерживать температуру обрабатываемых деталей. Таким образом, система управления температурным режимом, включающая датчик температуры обрабатываемой детали и регулятор подачи распыленной жидкости, является замкнутой одноконтурной стабилизирующей системой с отрицательной обратной связью по температуре, что позволяет обеспечивать оптимальную подачу охлаждающего компонента СОТС в процессе механической обработки деталей и таким образом значительно повысить эффективность процесса обработки резанием. Таким образом, за счет раздельного и регулируемого охлаждения обрабатываемой детали и режущего инструмента обеспечивается повышение эффективности процесса обработки резанием.
Сущность устройства для подачи СОТС, поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано устройство для охлаждения зоны резания фрезерного станка (продольный разрез), на фиг. 2 – вид А на фиг. 1, а на фиг. 3 – разрез Б-Б на фиг. 2.
Устройство для подачи СОТС содержит корпус 1 (фиг. 1) с крышкой 2, выполненные из диэлектрического материала. Корпус 1 жестко закреплен с помощью кронштейна 3 на станине фрезерного станка. Внутри корпуса 1 находится втулка 4, которая охватывает фрезу 5, обрабатывающую деталь 6. Во втулке 4 под углом к продольной оси фрезы 5 выполнены цилиндрические каналы 7 (фиг. 3). Корпус 1 (фиг. 1), крышка 2 и втулка 4 образуют кольцевую камеру 8 для подвода ионизированного воздуха. Корпус 1 имеет выступ 9 с внутренней поверхностью 10, прилегающей к зубьям фрезы 5. В выступе корпуса 9 выполнено отверстие, образующее дополнительную камеру 11. Камеры 8 и 11 соединены посредством проточки 12, выполненной во втулке 4. Кроме того, в выступе 9 имеются каналы 13, соединяющие камеру 11 с зубьями фрезы 5, которые находятся в контакте с обрабатываемой деталью 6. Устройство содержит ионизатор с положительным цилиндрическим электродом 14 и соосным ему отрицательным игольчатым электродом 15. Электроды 14 и 15 подключены к электрическому источнику питания 16. Подача ионизированного воздуха, выполняющего функцию смазывающего компонента СОТС, осуществляется через штуцер 17 от источника сжатого воздуха 18.
Для подачи охлаждающего компонента СОТС от источника распыленной жидкости 19 устройство снабжено магистралями подачи распыленной жидкости на инструмент и на обрабатываемую деталь. Магистраль подачи распыленной жидкости на инструмент выполнена в виде трубопровода 20 с соплом 21, направленным на фрезу 5, а магистраль подачи распыленной жидкости на обрабатываемую деталь выполнена в виде трубопровода 22 с соплом 23, направленным на деталь 6.
Подача распыленной жидкости через сопло 23 регулируется регулятором подачи распыленной жидкости, выполненным в данном случае в виде управляемой задвижки 24. К устройству управления температурным режимом 25 подключены блок задания температуры 26, датчик температуры 27, управляемая задвижка 24, блок подачи сжатого воздуха 18 и электрический источник питания 16.
Датчик температуры 27 закреплен на кронштейне 3 (фиг. 2) с помощью лапы 28 с встроенным пружинным механизмом амортизации рычага 29. На конце рычага 29 выполнена гильза 30 с резьбовым отверстием для крепления датчика температуры 27. На гильзе 30 с возможностью свободного вращения закреплен ролик 31 для снятия температуры с поверхности обрабатываемой детали 6.
В системе управления температурным режимом применен косвенный метод измерения температуры зоны резания – по температуре нагрева обрабатываемой детали 6. Для этого ролик 31 должен располагаться как можно ближе к зоне обработки, а поверхности гильзы 30 и ролика 31 могут быть покрыты термопередающей смазкой для лучшей передачи сигнала температуры от ролика 31 к датчику температуры 27.
Работа устройства для подачи СОТС заключается в следующем.
По сигналу устройства управления 25 (фиг. 1), воздух подается от источника 18 через штуцер 17. От электрического источника питания 16 на электроды ионизатора 14 и 15 подается напряжение, под действием которого между электродами возникает коронный разряд. В электрическом поле коронного разряда происходит ионизация потока воздуха. Полученный ионизированный воздух подается в кольцевую камеру 8, из которой через цилиндрические каналы 7 попадает в полости, образованные внутренней поверхностью втулки 4 и внешней поверхностью фрезы 5. В связи с тем, что каналы 7 расположены под острым углом к продольной оси фрезы, выходящие из них потоки ионизированного воздуха отражаются от поверхности фрезы в сторону зоны резания, и таким образом, осуществляют смазывающую функцию. Другая часть ионизированного воздуха через проточку 12, выполненную во втулке 4, попадает в дополнительную камеру 11, из которой через каналы 13 попадает в полости, образованные прилегающей к зубьям инструмента поверхностью 10 выступа 9 и внешней поверхностью фрезы 5. В связи с тем, что, каналы 13 расположены под острым углом к поверхности фрезы, то выходящие из них потоки ионизированного воздуха отражаются от поверхности фрезы в сторону зоны резания, и таким образом, осуществляют смазывающую функцию.
Охлаждение обрабатываемой детали 6 осуществляется подачей распыленной жидкости на ее поверхность через сопло 23.
При включении устройства подачи СОТС распыленная жидкость от источника 19 подается через сопло 21 на открытые части фрезы 5, охлаждая инструмент. В процессе обработки ролик 31 (фиг. 2) прижимается к детали 6 и передает через гильзу 30 температуру детали к датчику 27. По мере нагрева обрабатываемой детали 6 до температуры, установленной в блоке задания температуры 26 (фиг. 1), устройство управления 25 выдает сигнал на управляемую задвижку 24, которая открывает магистраль подачи распыленной жидкости через сопло 23. Далее расход распыленной жидкости через сопло 23 регулируется задвижкой 24 по сигналу устройства управления 25, поддерживая оптимальную температуру детали 6.
Подаваемый в устройство управления 25 сигнал от датчика температуры 27 является обратной связью устройства управления температурным режимом, начальные установки которого осуществляются оператором через блок задания температуры 26. Такая система управления температурным режимом является замкнутой одноконтурной стабилизирующей системой с отрицательной обратной связью по температуре.
В результате реализации заявляемого устройства обеспечивается оптимальная подача охлаждающего компонента СОТС в процессе механической обработки деталей. Путем регулирования подачи распыленной жидкости на поверхность обрабатываемой детали обеспечивается ее оптимальная температура для механической обработки, когда деталь становится достаточно пластичной и не происходит изменения механических свойств металла после охлаждения детали. Охлаждение именно распыленной жидкостью позволяет точнее регулировать ее расход и тем самым более точно поддерживать температуру обрабатываемых деталей. При этом разогрев деталей обеспечивается не внешним источником тепла, а за счет тепла, образующегося в зоне резания, что исключает необходимость некоторого перегрева обрабатываемых деталей. Охлаждение режущего инструмента осуществляется отдельно для обеспечения его минимально возможной в данных условиях температуры, что обеспечивает максимальную стойкость инструмента. Таким образом, за счет раздельного и регулируемого охлаждения обрабатываемой детали и режущего инструмента обеспечивается повышение эффективности процесса обработки резанием.
Устройство управления температурным режимом при фрезеровании предполагает использование стандартных концевых фрез, не требующих конструктивной доработки, а также типового промышленного датчика температуры и микропроцессорных устройств управления. Это снижает стоимость обработки деталей и существенно упрощает конструкцию и настройку системы.