RU150111U1

RU150111U1 - COOLING TOOL WITH COOLING MODULE

Info

Publication number: RU150111U1
Application number: RU2014130830/02U
Authority: RU
Inventors: Виктор Павлович Кузнецов; Владимир Георгиевич Горгоц; Андрей Сергеевич Скоробогатов
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Предприятие "Сенсор"
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2015-01-27

Abstract

Выглаживающий инструмент с модулем охлаждения, содержащий корпус, в который ввинчена втулка с установленными в ней индентором с резиновой втулкой, пружиной и резиновым уплотнением, отличающийся тем, что он снабжен трубкой подачи охлажденного жидкого теплоносителя для подачи жидкого теплоносителя в полость индентора и трубкой отвода нагретого жидкого теплоносителя, которые через штуцеры соединены с модулем охлаждения, состоящим из насоса, откачивающего нагретый жидкий теплоноситель, двух теплообменников и термоэлектрических преобразователей, расположенных между теплообменниками и скрепленных между собой, причем трубка для подачи охлажденного жидкого теплоносителя и трубка для отвода нагретого жидкого теплоносителя соединены с первым теплообменником, а второй теплообменник соединен с системой подачи СОТС станка.A smoothing tool with a cooling module, comprising a housing into which a sleeve is screwed with an indenter with a rubber sleeve, a spring and a rubber seal installed in it, characterized in that it is provided with a supply pipe for the cooled liquid coolant for supplying the liquid coolant to the indenter cavity and a pipe for discharging the heated liquid heat carrier, which are connected through nozzles to a cooling module, consisting of a pump pumping out a heated liquid heat carrier, two heat exchangers and thermoelectric converters ovateley arranged between the heat exchangers and connected to each other, wherein the tube for supplying the cooled heat transfer fluid and the tube for discharging the heated heat transfer liquid are connected to the first heat exchanger, a second heat exchanger connected to a cutting fluid supply system of the machine.

Description

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к конструкции инструмента для обработки металлов поверхностным пластическим деформированием - выглаживанием.The utility model relates to the field of mechanical engineering, namely, to the design of tools for processing metals by surface plastic deformation - smoothing.

При наноструктурирующей обработке металлов выглаживанием с высоким фрикционно-силовым и скоростным нагружением поверхностного слоя из-за интенсивного тепловыделения и существенного нагрева контактной зоны происходит повреждение поверхности изделия и инструмента.During nanostructural processing of metals by smoothing with high frictional force and high-speed loading of the surface layer due to intense heat generation and substantial heating of the contact zone, the surface of the product and tool is damaged.

Для уменьшения изнашивания инструмента, обеспечения требуемого качества обрабатываемой поверхности и увеличения производительности процесса применяют смазочно-охлаждающее технологическое средство (СОТС). В зависимости от условий технологического процесса, свойств материала инструмента и заготовок подачу СОТС в зону обработки осуществляют различными способами: свободно падающей струей, под давлением через сопловые насадки, в распыленном состоянии (в виде струи воздушно-жидкостной смеси). Эффективным является внутреннее охлаждение инструментов, работающих в условиях затрудненной отдачи теплоты во внешнюю среду. Применение системы охлаждения с подачей СОТС требует установки дополнительного оборудования.To reduce tool wear, ensure the required quality of the processed surface and increase the productivity of the process, a lubricating-cooling technological tool (SOTS) is used. Depending on the conditions of the technological process, the properties of the tool material and the workpieces, the supply of COTS to the treatment zone is carried out in various ways: by a freely falling jet, under pressure through nozzle nozzles, in a sprayed state (in the form of a jet of an air-liquid mixture). Effective is the internal cooling of instruments operating in conditions of difficult heat transfer to the external environment. The use of a cooling system with the supply of COTS requires the installation of additional equipment.

Известен инструмент для выглаживания, у которого на корпус индентора с рабочей частью из природного алмаза дополнительно установлен радиатор (Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. - М.: Машиностроение, 1981, стр. 230, рис. 115).A known tool for smoothing, in which a radiator is additionally installed on the indenter body with a working part made of natural diamond (A. Reznikov, Thermophysics of the processes of mechanical processing of materials. - M.: Mashinostroenie, 1981, p. 230, Fig. 115).

Недостаток инструмента - большие габариты, которые затрудняют его использование в производственных условиях.The disadvantage of the tool is its large dimensions, which complicate its use in a production environment.

Известен выглаживающий инструмент с охлаждением индентора, состоящий из корпуса, индентора, надетой на индентор резиновой втулки, установленной в корпусе, пружины, резинового уплотнения, втулки. В корпусе выглаживающего инструмента установлена трубка для подачи СОТС в полости корпуса и индентора и далее в зону контакта с заготовкой через выполненные в инденторе сквозные отверстия, при этом рабочая часть индентора выполнена из материала с высокой теплопроводностью 200№600 Вт/М*°К (патент RU на полезную модель №129443).Known ironing tool with indenter cooling, consisting of a housing, an indenter, worn on an indenter of a rubber sleeve installed in the housing, a spring, a rubber seal, a sleeve. A tube is installed in the body of the ironing tool for supplying COTS to the cavity of the body and indenter and then to the contact zone with the workpiece through through holes made in the indenter, while the working part of the indenter is made of material with high thermal conductivity 200–600 W / M * ° K (patent RU for utility model No. 129443).

Недостатком инструмента является существенное снижение коэффициента трения вследствие смазочного эффекта при попадании СОТС в контактную зону и уменьшение пластической деформации сдвига.The disadvantage of the tool is a significant decrease in the coefficient of friction due to the lubricating effect when COTS enters the contact zone and a decrease in plastic shear strain.

Наиболее близким является выглаживающий инструмент для наноструктурирования поверхностного слоя деталей, содержащий корпус с полостью, индентор с полостью, резиновую втулку, надетую на индентор, пружину и резиновое уплотнение, при этом он снабжен трубкой для подачи жидкого хладагента в полости корпуса и индентора, трубкой для отвода нагретого жидкого хладагента из инструмента, втулкой, ввинченной в корпус, и нажимной вилкой, регулирующей сжатие пружины. Индентор с резиновой втулкой и пружина установлены во втулку, ввинченную в корпус, а рабочая часть индентора выполнена из материала с теплопроводностью более 400 Вт/М*°К (патент RU на полезную модель №13171.The closest is a smoothing tool for nanostructuring the surface layer of parts, containing a body with a cavity, an indenter with a cavity, a rubber sleeve worn on the indenter, a spring and a rubber seal, while it is equipped with a pipe for supplying liquid refrigerant to the cavity of the body and indenter, a pipe for removal heated liquid refrigerant from the tool, a sleeve screwed into the body, and a pressure fork that regulates the compression of the spring. An indenter with a rubber sleeve and a spring are installed in a sleeve screwed into the housing, and the working part of the indenter is made of material with a thermal conductivity of more than 400 W / M * ° K (RU patent for utility model No. 13171.

В процессе наноструктурирующей обработки поверхности инструментом с наконечником индентора из материала с высокой теплопроводностью более 400 Вт/М*°К обеспечивающим коэффициент трения f=0,3…0,35, например поликристаллического кубического нитрида бора, (Твердость и прочность высокочистых поликристаллических материалов кубического нитрида бора. Петруша И.А., Смирнова Т.И., Осипов А.С., Стратийчук Д.А., Шишонок Н.А.), охлаждение индентора обеспечивает снижение предельного значения температуры рабочей части индентора до уровня Q≤120°С.In the process of nanostructuring surface treatment with a tool with an indenter tip made of a material with high thermal conductivity of more than 400 W / M * ° K providing a friction coefficient f = 0.3 ... 0.35, for example polycrystalline cubic boron nitride, (Hardness and strength of high-purity polycrystalline cubic nitride materials Boron Petrusha I.A., Smirnova T.I., Osipov A.S., Stratiychuk D.A., Shishonok N.A.), indenter cooling reduces the temperature limit value of the indenter working part to the level of Q≤120 ° С .

Недостатком выглаживающего инструмента является недостаточная производительность обработки и износ рабочей части индентора, так как порог снижения температуры индентора обусловлен относительно высокой температурой СОТС.The disadvantage of the smoothing tool is the insufficient processing performance and wear of the working part of the indenter, since the threshold for lowering the temperature of the indenter is due to the relatively high temperature of the COTS.

Для повышения производительности обработки и снижения изнашивания рабочей части инструмента путем обеспечения интенсификации конвективного теплообмена между индентором и охлажденным жидким теплоносителем за счет существенного снижения температуры теплоносителя в полости инструмента, предлагается выглаживающий инструмент с модулем охлаждения, содержащий корпус, в который ввинчена втулка с установленными в ней индентором с резиновой втулкой, пружиной и резиновым уплотнением, в корпусе выглаживателя установлена трубка для подачи теплоносителя в полость индентора. Трубки подачи охлажденного жидкого теплоносителя и отвода нагретого жидкого теплоносителя через штуцеры соединены с модулем охлаждения, состоящим из насоса, подающего охлажденный жидкий теплоноситель, двух теплообменников и термоэлектрических преобразователей, расположенных между теплообменниками и скрепленных между собой, причем трубка для подачи охлажденного жидкого теплоносителя и трубка для отвода нагретого жидкого теплоносителя, соединены с первым теплообменником, а второй теплообменник соединен с системой подачи СОТС станка.To increase the processing productivity and reduce the wear of the working part of the tool by providing an intensification of convective heat transfer between the indenter and the cooled liquid coolant due to a significant decrease in the coolant temperature in the tool cavity, a smoothing tool with a cooling module is proposed, which includes a housing into which a sleeve with an indenter installed in it is screwed with rubber sleeve, spring and rubber seal, a tube for supplying carrier in the indenter cavity. The pipes for supplying the cooled liquid coolant and for discharging the heated liquid coolant through the fittings are connected to the cooling module, consisting of a pump supplying the cooled liquid coolant, two heat exchangers and thermoelectric converters located between the heat exchangers and fastened together, moreover, the pipe for supplying the cooled liquid coolant and a tube for the outlet of the heated liquid coolant is connected to the first heat exchanger, and the second heat exchanger is connected to the feed system of the SOTS machine but.

В предлагаемом выглаживающем инструменте новые конструктивные признаки позволяют снизить температуру рабочей части индентора до температуры 0°C и ниже за счет подачи в полость индентора охлажденного теплоносителя, повысить производительность наноструктурирования поверхностного слоя деталей.In the proposed smoothing tool, new design features make it possible to lower the temperature of the indenter working part to a temperature of 0 ° C or lower by supplying cooled coolant to the indenter cavity, and to increase the nanostructuring performance of the surface layer of parts.

На фиг. 1 изображен выглаживающий инструмент в разрезе. На фиг. 2 изображен общий вид выглаживающего инструмента с модулем охлаждения. Выглаживающий инструмент с модулем охлаждения содержит корпус 1, в который ввинчена втулка 2 с установленными в ней индентором 3 с надетой не него резиновой втулкой 4 и пружиной 5, резиновое уплотнение 6. Выглаживающий инструмент содержит трубку 7 для подвода жидкого теплоносителя к индентору 3. К корпусу 1 крепятся штуцеры 8 и 9. Трубка для подвода жидкого теплоносителя 7 через штуцер 8 и трубку 10 соединена с модулем охлаждения 11. Отвод нагретого жидкого теплоносителя производится через штуцер 9 по трубке 12 в модуль охлаждения 11, состоящий из насоса 13, двух теплообменников 14 и 15 и двух термоэлектрических преобразователей 16, расположенных между теплообменниками и скрепленных между собой (например болтами 17). Причем трубка 10 для подачи охлажденного теплоносителя, соединенная с насосом 13 и трубка для отвода жидкого теплоносителя 12 соединены с первым теплообменником 14, а ко второму теплообменнику 15 подсоединены трубка 20 для подачи СОТС из станочной системы и трубка 21 отвода СОТС.In FIG. 1 shows a sectional ironing tool. In FIG. 2 shows a general view of a smoothing tool with a cooling module. The smoothing tool with a cooling module contains a housing 1, into which a sleeve 2 is screwed with an indenter 3 mounted on it with a rubber sleeve 4 mounted on it and a spring 5, a rubber seal 6. The smoothing tool contains a tube 7 for supplying a coolant to the indenter 3. To the housing 1, fittings 8 and 9 are attached. A pipe for supplying a liquid coolant 7 through a nozzle 8 and a pipe 10 is connected to a cooling module 11. The heated liquid coolant is discharged through a fitting 9 through a pipe 12 to a cooling module 11, consisting of us ca 13, two heat exchangers 14 and 15 and the two thermoelectric transducers 16 arranged between the heat exchangers and fastened together (e.g. by bolts 17). Moreover, the tube 10 for supplying the cooled coolant connected to the pump 13 and the tube for removing the liquid coolant 12 are connected to the first heat exchanger 14, and the tube 20 for supplying COTS from the machine system and the tube 21 for removing COTS are connected to the second heat exchanger 15.

Компоновка модуля охлаждения может быть изменена в соответствии с конкретным расходом жидкого теплоносителя, давлением и тепловым режимом.The layout of the cooling module can be changed in accordance with the specific flow rate of the heat transfer fluid, pressure and thermal conditions.

Термоэлектрические преобразователи (элементы Пельтье) подбирают по условию мощности теплоотвода, превышающей мощность тепловыделения процесса выглаживания на величину тепловых потерь в инструменте. Установка термоэлектрических преобразователей позволяет снизить температуру жидкого теплоносителя до температуры минус 30 С.Thermoelectric converters (Peltier elements) are selected according to the condition of heat dissipation in excess of the heat release power of the smoothing process by the amount of heat loss in the tool. The installation of thermoelectric converters allows to reduce the temperature of the liquid coolant to a temperature of minus 30 C.

Для обеспечения оптимального уровня температуры индентора количество термоэлектрических преобразователей и площадь поверхности теплообменника определяют по известным формулам в соответствии с тепловой мощностью процесса, соответствующей скоростному режиму обработки и параметрам фрикционно-силового нагружения. Теплообменник рассчитывают исходя из выбранной мощности элементов Пельтье.To ensure the optimum level of temperature of the indenter, the number of thermoelectric converters and the surface area of the heat exchanger are determined by known formulas in accordance with the thermal power of the process, corresponding to the high-speed processing mode and the parameters of frictional force loading. The heat exchanger is calculated based on the selected power of the Peltier elements.

Работает выглаживающий инструмент следующим образом. Втулкой 2 устанавливают необходимое сжатие пружины 5 в соответствии с заданной силой выглаживания Р=340 Н и фиксируют втулку 2 в корпусе 1. Инструмент закрепляют в токарно-фрезерном центре, подводят к заготовке и сообщают инструменту и заготовке движения в соответствии с заданными параметрами режимов выглаживания. Заготовку из цементованной стали 20Х, закаленной до HRC 59, обрабатывали на токарно-фрезерном центре MULTUS115-300 ВМ чистовым точением, затем проводили поверхностное пластическое деформирование инструментом с рабочей частью индентора, выполненной из кубического нитрида бора (коэффициент трения по цементованной стали при трении без смазки 0,34), имеющим сферическую форму заточки R=2 мм. Скорость выглаживания V_выгл.=20 м/мин. Подача 5=0,04 мм/об. Количество рабочих ходов инструмента 3. Величина параметров процесса задавалась программой. По трубке 10 подавали жидкий теплоноситель (расход 0,5 л/мин.), который по трубке 7 заполняет полость индентора 3, полость корпуса 1, образуя турбулентный поток и охлаждая индентор. Через штуцер 9 по трубке 12 нагретый жидкий теплоноситель проходит через теплообменник 14, охлаждается и по трубке 10 возвращается в полость индентора. Через трубку 20 из системы подачи СОТС станка в теплообменник 15 поступает СОТС и по трубке 21 возвращается в систему подачи СОТС станка. В качестве жидкого теплоносителя используют низкозамерзающую жидкость (например смесь воды и спирта в пропорции 1:1). При наноструктурирующем выглаживании происходит интенсивное снижение температуры рабочей части инструмента за счет обтекания жидким теплоносителем, охлажденным в теплообменнике. Резиновая втулка 4 демпфирует колебания индентора.The smoothing tool works as follows. The sleeve 2 sets the necessary compression of the spring 5 in accordance with the specified smoothing force P = 340 N and fix the sleeve 2 in the housing 1. The tool is fixed in the turning and milling center, brought to the workpiece and inform the tool and the workpiece in accordance with the specified parameters of the smoothing modes. A billet made of 20X hardened steel hardened to HRC 59 was machined on a MULTUS115-300 VM turning-milling center by fine turning, then surface plastic deformation was performed with a tool with an indenter working part made of cubic boron nitride (friction coefficient for cemented steel during friction without lubrication 0.34) having a spherical sharpening shape R = 2 mm. Smoothing speed V _vgl. = 20 m / min. Feed 5 = 0.04 mm / rev. The number of tool strokes 3. The process parameters were set by the program. A liquid coolant (flow rate 0.5 l / min) was supplied through the tube 10, which fills the indenter cavity 3, the body cavity 1 through the tube 7, forming a turbulent flow and cooling the indenter. Through the nozzle 9 through the tube 12, the heated liquid heat carrier passes through the heat exchanger 14, is cooled and returned through the tube 10 to the indenter cavity. Through the tube 20 from the feed system of the machine COTS to the heat exchanger 15 receives COTS and through the tube 21 returns to the feed system of the COTS machine. A low-freezing liquid (for example, a mixture of water and alcohol in a 1: 1 ratio) is used as the heat transfer fluid. During nanostructuring smoothing, an intensive decrease in the temperature of the working part of the tool occurs due to the flow around a liquid heat carrier cooled in a heat exchanger. The rubber sleeve 4 dampens the indenter vibrations.

В результате сформирована поверхность с размером нанокристаллов менее 50 нм и шероховатостью поверхности R_a=0,12 нм. Путевая стойкость инструмента по критерию шероховатости обработанной поверхности составляет более 12 км. Охлаждение рабочей части индентора позволит снизить износ инструмента и повысить производительность процесса наноструктурирования поверхностного слоя деталей.As a result, a surface with a nanocrystal size of less than 50 nm and a surface roughness of R _a = 0.12 nm is formed. The tool track resistance by the criterion of the surface roughness is more than 12 km. Cooling the working part of the indenter will reduce tool wear and increase the productivity of the process of nanostructuring the surface layer of parts.

Claims

A smoothing tool with a cooling module, comprising a housing into which a sleeve is screwed with an indenter with a rubber sleeve, a spring and a rubber seal installed in it, characterized in that it is provided with a supply pipe for the cooled liquid coolant for supplying the liquid coolant to the indenter cavity and a pipe for discharging the heated liquid heat carrier, which are connected via nozzles to a cooling module consisting of a pump pumping out a heated liquid heat carrier, two heat exchangers and thermoelectric converters ovateley arranged between the heat exchangers and connected to each other, wherein the tube for supplying the cooled heat transfer fluid and the tube for discharging the heated heat transfer liquid are connected to the first heat exchanger, a second heat exchanger connected to a cutting fluid supply system of the machine.