Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Высокоэффективная технология механической обработки с использованием озонированной сред

Высокоэффективная технология механической обработки с использованием озонированной сред

В настоящее время все технологические процессы обработки осуществляются с использованием смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), так как их использование приводит к увеличению стойкости инструмента в результате охлаждающего и пластифицирующего эффекта и повышению качества и производительности обработки.

Однако при использовании СОЖ имеется ряд недостатков:

  • содержащиеся компоненты в СОЖ вредны для здоровья человека. В результате обработки с применением СОЖ при резании выделяются такие вещества, как альдегиды, хлористый водород, нитрид натрия и др., которые представляют угрозу здоровью человека;
  • отработанные СОЖ и продукты их утилизации — источник загрязнения окружающей среды;
  • большие затраты на закупку, транспортировку и приготовление СОЖ.

Поэтому является актуальной разработка новой технологии механической обработки с применением такой СОТС, где бы отсутствовали приведенные выше недостатки. На кафедре "Высокоэффективные технологии обработки" МТТУ "Станкин" была разработана технология "экологически чистого резания" на основе применения озонированной среды. Для увеличения проникающей способности озонированной среды необходима ее активация. С этой целью было разработано и запатентовано озонирующее устройство для "сухого резания", которое экологически безопасно для здоровья человека и окружающей среды.

Разработанное устройство (рис. 1) можно устанавливать на любом металлорежущем оборудовании без его модернизации, оно обеспечивает хорошие санитарно-гигиенические условия на рабочем месте, соответствующие нормативным требованиям, а также охлаждающее действие режущей кромки инструмента благодаря заряженным частицам (ионов озона) в потоке воздуха, что повышает сопротивление инструмента изнашиванию и производительность обработки [1, 2].

Рис. 1. Схема устройства для получения озонирования воздуха при резании

Данное устройство запатентовано (заявка 2004 13 5498 (РФ)) и содержит управляемый датчик напряжения, подключенный к соплу воздуховода ионизатора, который регулирует ионизированный воздушный поток на выходе из сопла, а в самом корпусе сопла находится внутренний воздуховод, который имеет сквозные отверстия, расположенные симметрично вдоль оси воздуховода.

Физико-химический механизм охлаждения заряженными частицами ионов воздуха обусловлен изменением условий взаимодействия режущего клина инструмента с обрабатываемым материалом. В результате происходит изменение в изнашивании рабочих поверхностей инструмента.

В этом случае физико-химический механизм износа следует рассматривать как механическое, адгезионное и диффузионное взаимодействие поверхностей, в результате которого изменяются механические свойства, структура, фазовый состав и химическая активность поверхностных слоев.

На основе изложенного, а также анализа причинно-следственных связей физических эффектов в процессе резания была разработана система сухого резания, которая представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема "сухого" резания (с подачей озонированного воздуха в зону резания):

 

1 - обрабатываемый материал; 2 - режущий инструмент; 3 - сопло; 4 - поток озонированного воздуха; 5 - источник питания системы

Ключевым элементом этой системы является озон, подаваемый на режущую кромку инструмента.

В процессе обработки варьируют давлением озонированного воздуха и напряжением в озонаторе, которые и управляют данным процессом, создавая эффект охлаждения и пластифицирования, так как озонированная среда обладает высокой конвекционной способностью.

В результате температура в зоне контакта режущего клина инструмента и обрабатываемого материала снижается благодаря увеличению количества заряженных частиц озона, т.е. происходит быстрый процесс пассивации.

Воздушная масса, проходя непосредственно через зону резания, увеличивает коэффициент массопередачи, вследствие чего происходит замена молекулярной диффузии на конвективную, что заметно повышает теплоотдачу системы резания в окружающую среду и приводит к ее охлаждению. Исследование эффективности озонированной среды по сравнению с СОЖ, со сжатым воздухом и "сухим" резанием проводили на токарно-винторезном станке модели 16К20. Критерием затупления являлся износ по задней поверхности инструмента. В качестве объекта исследований использовали квадратные пластины из быстрорежущей стали Р6М5 для чистового точения стали 45. Особое внимание в исследованиях уделяли исходной аттестации пластин. Пластины подбирали таким образом, чтобы разброс их микротвердости составлял не более (5...7) % от стандартного значения микротвердости пластин, прошедших полную термообработку и заточку (Hµ50 = 860...870).

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях МГТУ "Станкин" с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры [2, 3].

Для выявления особенностей кинетики изнашивания инструмента из быстрорежущей стали при точении с различными вариантами СОТС производили сравнение графических зависимостей износа h3 = f(τ) с кривой 1 (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость износа h3 = f(τ) при точении стали 45 (180HB) резцами из быстрорежущей стали
Р6М5 (v = 65 м/мин; S = 0,175 мм/об; r = 1,0 мм):
1 - без СОТС; 2 - с использованием СОТС (ЭГТ); 3 - со сжатым воздухом; 4 - с озонированным воздухом

Сравнение кривых h3 = f(τ) при обработке с СОЖ, со сжатым воздухом и озонированной средой показало, что на стадии приработочного изнашивания озонированная среда полностью выполняет свои функции, т.е. обеспечивает снижение термомеханических нагрузок на контактные площадки инструмента, что чрезвычайно эффективно тормозит изнашивание задней поверхности.

В результате исследований было установлено, что стойкость режущего инструмента с применением озонированного потока в 4...5 раз выше, чем при обработке без СОТС, в 3...4 раза выше, чем при обработке с СОЖ (ЭГТ) ив 1,5...2 раза выше, чем при обработке со сжатым воздухом.

Для более объективной картины исследовали стойкость резцов (длину пути резания L, м) с различными вариантами СОТС, которую оценивали по предельному изнашиванию (кт = 0,5 мм) главной задней поверхности (рис. 4).

Рис. 4. Стойкость проходных резцов с быстрорежущей пластиной Р6М5 для различных вариантов
СОТС при точении стали 45 (v = 65 м/мин; S = 0,175 мм/об; r = 1,0 мм):
1 - без СОТС; 2 - с использованием СОТС (ЭГТ); 3 - со сжатым воздухом; 4 - с озонированным воздухом

Проведенные исследования показали, что процентное содержание озона в воздушном потоке как в процессе резания, так и до начала обработки не превышает ПДК (фактическое значение концентрации озона 0,0276, а норма их ПДК составляет 0,1 мг/м3) и согласно нормативным данным рекомендуется для промышленного применения.

Замеры осуществляли с помощью прибора "Газоанализатор 3.02 П-Р".

Изменением процентного содержания озона в воздушном потоке можно корректировать технологический процесс обработки.

Литература

  1. Чекалова ЕЛ., Гурин В.Д., Власов В.И. Механическая обработка с использованием озонированной среды // Технология машиностроения. 2004. № 5. С. 22-24.
  2. Чекалова Е.А., Горин В.Д. Механическая обработка с охлаждением озонированной средой // Вестник машиностроения. 2004. № 10. С. 49-50.
  3. Чекалова Е.А., Власов В.И. Повышение эффективности быстрорежущего инструмента путем применения ионизированного воздуха: Сб. трудов Международной конференции "Производство, технология, экология - 2003". Москва. МГТУ "Станкин", 2003. С. 666-667.

    Е.А.Чекалова
    Справочник. Инженерный журнал №8, 2005, стр. 31-33

Статьи партнеров