Способ охлаждения и смазки режущих инструментов

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механической обработке металлов резанием, в частности, к способам охлаждения и смазки режущих инструментов посредством применения смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) и их компонентов.

Известен способ охлаждения зоны резания ионизированным воздухом путем его продувки под избыточным давлением через специальный ионизатор [1].

Другой способ подачи СОТС в зону резания представляет собой подачу СОТС в зону резания в виде распыленных ионизированных жидкостей [2].

Недостатками этих способов являются невысокие смазочные и охлаждающие способности таких СОТС в связи с недостаточной химической активностью СОТС при образовании смазочных пленок, а так же незначительными изменениями температуры (по сравнению с окружающей) ионизированного и распыленного воздуха.

Известен так же способ охлаждения СОТС с помощью элементов Пельтье, которые устанавливаются блоками в специальном холодильнике через который проходит циркулируемая в системе станка СОТС [3].

Основными недостатками данного способа являются, с одной стороны, необходимость оснащения магистрального трубопровода для подачи СОТС дополнительным оборудованием (холодильником), которое устанавливается на выходе из емкости сбора и очистки СОТС. С другой стороны, в результате охлаждения снижается смазочная функция СОТС, т.к. для образования химических смазочных пленок в зоне резания, улучшающих трибологическую обстановку контактной зоны, требуется наличие определенного количества химически активных компонентов СОТС, активность которых во многом определяется температурой СОТС.

В промышленности нашел применение способ охлаждения и смазки зоны резания охлажденным в вихревой трубке воздухом, в который для усиления смазочного эффекта дополнительно вводится сульфофрезол [4].

Основным недостатком этого способа является необходимость применения высоких (более 5-6 атм.) давлений на входе вихревой трубки для получения отрицательного значения температур на ее холодном выходе. К недостаткам также относятся невысокий смазочный эффект у потока охлажденного воздуха при его использовании без дополнительного введения в его состав смазочных компонентов и значительная загазованность окружающей среды аэрозолем при наличии смазочного компонента в воздушном потоке.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ подачи СОТС в зону резания в виде ионизированного увлажненного воздуха, предварительно охлажденного в вихревой трубке Ранка-Хилша [5].

Основным недостатком этого способа, как и в предыдущем случае по [4], является необходимость использования высоких (более 5-6 атм.) давлений на входе вихревой трубки для получения отрицательного значения температур на ее холодном выходе. Кроме того, дополнительное введение в состав охлаждаемого воздуха (на входе в вихревую трубку) смазочных компонентов может привести к дестабилизации протекания в вихревой трубке процесса охлаждения (эффекта Ранка-Хилша), в результате чего значения температуры на холодном выходе вихревой трубки будут иметь значительные колебания. Это приводит к дестабилизации термодинамических параметров процесса резания в результате "тепловых ударов" и, как следствие, к преждевременному выходу из строя режущих инструментов.

Целью настоящей работы является повышение стойкости металлорежущих инструментов путем совокупного действия охлаждающего эффекта, вызванного предварительно охлажденными газообразными СОТС, и смазочного эффекта, обусловленного действием активированных коронным и барьерным разрядами газообразных СОТС, как индивидуальных, так и имеющих в своем составе микродозы воды, дополнительно введенных в их состав.

Поставленная цель достигается тем, что газовый (в частности, воздушный) поток предварительно охлаждался до температур от 0°С до минус 20°С посредством применения элементов Пельтье (эффекта Пельтье). Элементы Пельтье устанавливались в ионизаторе (озонаторе), изготовленном по [6], перед зоной воздействия на используемое СОТС коронным или барьерным разрядом (Рис. 1). Газовый поток СОТС, подаваемый в ионизатор, проходил через радиатор (4), закрепленный на холодной стороне термоэлектрического модуля на элементах Пельтье (3), где охлаждался и далее поступал в зону действия коронирующего электрода (1). Тепло, возникающее в результате реализации эффекта Пельтье, отводилось посредством радиатора охлаждения (2), закрепленного на горячей стороне термоэлектрического модуля на элементах Пельтье.

Получение более низких температур лимитировалось характеристиками оборудования. При необходимости, в газовый поток дополнительно вводились смазочные компоненты в количестве 0,05-4,5 г/час, которые подавались направлено в зону контакта через сопло, изготовленное по [7], с помощью охлажденной струи газа (в частности, воздуха). Сопло ионизатора (озонатора) располагалось от зоны резания на расстоянии 20-100 мм. Уменьшение расстояния менее 20 мм или превышение свыше 100 мм приводило, в первом случае, к нестабильности поступления ионно-воздушной СОТС с микродозами смазочного компонента в контактную зону инструмента с обрабатываемым материалом в результате помех, возникающих со стороны стружки, во втором - к большому рассеянию СОТС, особенно ее микродозированной составляющей, следствием чего являлось снижение эффективности СОТС.

Охлажденный газовый поток, в том числе и с находящимися в его составе микродозами смазочного компонента, активировался электрическими разрядами на выходе из ионизатора (озонатора). Молекулы воды, выделяющиеся в газовом потоке при достижении точки росы в результате его охлаждения посредством эффекта Пельтье, взаимодействуя с различными энергетическими частицами, образованными при действии электрических разрядов, переходят в возбужденное состояние и преобразуются по радикально-цепному механизму согласно реакциям:

При взаимодействии гидроксильных радикалов образуется перекись водорода, эффект которой при резании обусловлен способностью выделять активных кислород

где (е, hν…) - энергетические частицы, образованные при действии разрядов; H₂O^*, О^* - возбужденные молекулы воды и кислорода; H., ОН., О. - химические радикалы.

Активные в химическом отношении радикалы кислорода при взаимодействии со свежевскрытыми металлическими поверхностями контактной зоны образуют оксидные пленки, которые выполняют функции смазочного материала между инструментальным и обрабатываемым материалами.

Аналогичным образом - с выделением химически активных частиц, ведут себя и другие смазочные компоненты, при необходимости, вводимые в газовый поток.

Охлаждение зоны резания осуществлялось охлажденным с помощью элементов Пельтье и активированным коронным или барьерным разрядами газовым потоком.

Апробация предлагаемого способа осуществлялась при лезвийной обработке представителей различных групп конструкционных материалов: углеродистая сталь 45, хромистая сталь 40Х, нержавеющая аустенитная сталь 12Х18Н10Т, титановый сплав ВТ6. Резание проводилось на операциях точения и фрезерования инструментами, изготовленными из быстрорежущих сталей Р6М5, Р9 и оснащенными пластинками твердого сплава Т5К10, ВК6. В качестве дополнительно вводимого смазочного компонента использовались: дистиллированная вода, водный раствор йода, масло индустриальное И-20А, микрокапсулы, изготовленные по [8].

Примеры предлагаемого способа.

При точении стали 45 упорнопроходными резцами из быстрорежущей стали Р6М5 и оснащенных твердым сплавом Т5К10 при глубине резания t=0,5 мм, подаче S=0,1 мм/об и скорости резания, соответственно V=1,0 м/с и V=3,5 м/с в качестве СОТС использовались: ионизированный коронным разрядом воздушный поток, дистиллированная вода с подачей в зону контакта посредством охлажденного ионизированного воздушного потока. Температура воздушного потока изменялась от 0°С до минус 20°С. Количество воды подаваемой в контактную зону составляло 0,05-4,5 г/час. Расстояние от сопла до зоны контакта изменялось от 20 до 100 мм. За критерий износа принимался износ по задней поверхности резцов до достижения высоты фаски износа 0,6 мм. Результаты изменения стойкостных характеристик инструментов приведены в табл. 1.

Соотношение полученных результатов лезвийной обработки при использовании барьерного разряда, а так же для различных операций других обрабатываемых и инструментальных материалов близки к приведенным в таблице.

Литература.

1. UK Patent GB №2 243 319 В Apparatus for machining materials by cutting. Invantors: Akhmetzyanov I.D., Vereschagin LP., Dogadin G.S, Lilin V.I., Suslov A.D., Terentiev A.G.

2. A.c. СССР №210609. Способ охлаждения и смазки распыленными ионизированными жидкостями. Авторы: Латышев В.Н., Солодихин А.Е., Горбунова Е.В.

3. Patent JP №2004042144 A, B23Q 11/10

4. Курносов Н.Е., Тарнопольский А.В. Применение вихревого способа подготовки и подачи воздушно-жидкостного аэрозоля СОТС в зону резания // Вестник машиностроения. 2007. №10. С. 52-54.

5. Патент РФ №2411115. Способ охлаждения и смазки режущих инструментов. Авторы: Наумов А.Г., Латышев В.Н., Раднюк B.C., Прибылов А.Н., Курапов К.В.

6. Патент РФ №2287419. Устройство для получения ионизированных и озонированных СОТС. Авторы: Наумов А.Г., Латышев В.Н., Минеев Л.И. и др.

7. Патент РФ №2288089 Устройство для подачи смазочно-охлаждающего технологического средства (СОТС) для охлаждения и смазки инструментов. Авторы: Латышев В.Н., Наумов А.Г., Аснос Т.М., Бахарев ПЛ., Прибылов А.Н.

8. Патент РФ №2147923. Способ получения микрокапсул. Авторы: Латышев В.Н., Наумов А.Г., Чиркин С.А., Прибылов А.Н.