RU2008166C1

RU2008166C1 - Cooling method

Info

Publication number: RU2008166C1
Authority: RU
Inventors: Е.С. Киселев; А.Н. Унянин; Е.В. Герасин
Original assignee: Ульяновский политехнический институт
Priority date: 1992-04-20
Filing date: 1992-04-20
Publication date: 1994-02-28

Abstract

FIELD: metal treatment. SUBSTANCE: method comprises steps of feeding to a working zone a cutting fluid in the form of air-liquid mixture; before mixing the cutting fluid with a compressed air it is being subjected to ultrasonic oscillations with frequency, selected in range 1-77 Hz. EFFECT: enhanced quality of cooling process. 1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к машиностроению, касается обработки металлов резанием и может быть использовано на токарных, сверлильных, фрезерных, зуборезных, протяжных, шлифовальных и других станках. The invention relates to mechanical engineering, for the processing of metals by cutting and can be used on turning, drilling, milling, gear cutting, lingering, grinding and other machines.

Известен способ подачи СОЖ с ультразвуковыми колебаниями, при котором на небольшом расстоянии от рабочей поверхности инструмента устанавливают волновод (концентратор, излучатель), жестко соединенный с вибратором, преобразующим электромагнитные колебания ультразвуковой частоты в упругие колебания. СОЖ поступает в зазор между торцом волновода и рабочей поверхностью инструмента. Волновой характер движения СОЖ обеспечивает очистку рабочей поверхности инструмента за счет возникающей кавитации [1] . A known method of supplying coolant with ultrasonic vibrations, in which at a small distance from the working surface of the instrument, a waveguide (concentrator, emitter) is mounted rigidly connected to a vibrator that converts electromagnetic waves of ultrasonic frequency into elastic waves. Coolant enters the gap between the end of the waveguide and the working surface of the tool. The wave nature of the movement of the coolant provides cleaning of the working surface of the tool due to cavitation [1].

Однако очистка инструмента актуальна в основном лишь на операциях абразивной обработки, поэтому данный способ нашел применение лишь на операциях шлифования и не используется на операциях лезвийной обработки. However, cleaning the tool is mainly relevant only for abrasive machining operations; therefore, this method has found application only in grinding operations and is not used in blade machining operations.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ охлаждения при подаче СОЖ в виде воздушно-жидкостной смеси, при котором СОЖ и воздух смешивают за счет использования энергии струи движущегося воздуха и в виде аэрозоли направляют в зону обработки [2] . The closest in technical essence and the achieved result to the invention is a cooling method when the coolant is supplied in the form of an air-liquid mixture, in which the coolant and air are mixed by using the energy of a jet of moving air and sent as an aerosol to the treatment zone [2].

Увеличение эффективности действия СОЖ при подаче ее в распыленном состоянии объясняется повышением физической и химической активности СОЖ, интенсификации тепло- и массообмена при обтекании ею нагретых инструмента и заготовки за счет увеличения удельной поверхности распыленной жидкости вследствие уменьшения размера частиц жидкости. The increase in the effectiveness of the coolant when it is applied in a sprayed state is explained by the increase in the physical and chemical activity of the coolant, the intensification of heat and mass transfer when it flows around a heated tool and workpiece due to an increase in the specific surface of the sprayed liquid due to a decrease in the size of the liquid particles.

Недостатком способа является низкая эффективность обработки, так как реализация функциональных свойств СОЖ в зоне обработки затруднена вследствие относительно высокого размера частиц жидкости, который составляет (12-25) мкм. Поэтому данный способ находит применение главным образом на тех операциях, где раньше осуществлялась обработка всухую (без СОЖ), а также на станках с ЧПУ, где большие расходы СОЖ могут привести к выходу из строя электрооборудования и гидравлики. В то же время известно, что с уменьшением размеров частиц облегчается проникновение их в зону обработки и увеличивается удельная поверхность распыленной жидкости, что приводит к интенсификации функциональных свойств СОЖ в зоне резания, при малых ее расходах. The disadvantage of this method is the low processing efficiency, since the implementation of the functional properties of the coolant in the treatment zone is difficult due to the relatively high particle size of the liquid, which is (12-25) microns. Therefore, this method finds application mainly in those operations where dry machining was previously carried out (without coolant), as well as on CNC machines, where high coolant costs can lead to failure of electrical equipment and hydraulics. At the same time, it is known that with a decrease in particle size, their penetration into the treatment zone is facilitated and the specific surface of the sprayed liquid increases, which leads to an intensification of the functional properties of the coolant in the cutting zone at low flow rates.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса обработки резанием за счет интенсификации функциональных свойств СОЖ в зоне обработки. The aim of the invention is to increase the efficiency of the cutting process due to the intensification of the functional properties of the coolant in the processing zone.

Распыление жидкости с помощью ультразвуковых колебаний способствует образованию мелкодисперсной воздушно-жидкостной смеси (аэрозоли). С уменьшением размеров частиц СОЖ облегчается проникновение смеси в зону обработки и увеличивается удельная поверхность распыленной жидкости, что приводит к интенсификации функциональных свойств СОЖ в зоне резания. Atomization of a liquid using ultrasonic vibrations contributes to the formation of a finely dispersed air-liquid mixture (aerosols). With a decrease in the size of the coolant particles, the penetration of the mixture into the treatment zone is facilitated and the specific surface of the sprayed liquid increases, which leads to an intensification of the functional properties of the coolant in the cutting zone.

Выбор способа подвода акустической энергии к зоне распыления - через распыляемую жидкость - связан с возможностью распыления жидкости в верхней части образующегося при этом фонтана. Выбор диапазона частоты ультразвуковых колебаний обусловлен необходимостью получения частиц жидкости определенного размера. Для эффективного проникновения СОЖ в зону обработки ее размеры должны быть не меньше размеров сечений межповерхностных капилляров твердого типа, которые находятся в пределах 2 х 10^-7 - 4 х 10^-6 м.The choice of the method of supplying acoustic energy to the spray zone - through the sprayed liquid - is associated with the possibility of spraying liquid in the upper part of the fountain that is formed. The choice of the frequency range of ultrasonic vibrations is due to the need to obtain liquid particles of a certain size. For effective penetration of the coolant into the treatment zone, its dimensions should be no less than the sizes of the cross-sections of the inter-surface solid-type capillaries, which are within 2 x 10 ^-7 - 4 x 10 ^-6 m.

Диаметр d частиц аэрозоля и частота f колебаний связаны зависимостью
d= 0,3

, где σ - коэффициент поверхностного натяжения;
ρ - плотность жидкости.The diameter d of the aerosol particles and the oscillation frequency f are related by
d = 0.3

where σ is the coefficient of surface tension;
ρ is the density of the liquid.

Для жидкости на водной основе (σ= 70 x 10^-3 Н/м; ρ = 1000 кг/м³) при f = 1 МГц.For a water-based liquid (σ = 70 x 10 ^-3 N / m; ρ = 1000 kg / m ³ ) at f = 1 MHz.

d= 0,3

= 3.6·10^-6 м= 3.6 мкм
Известно, что при некоторых условиях резания сечение капилляров между поверхностями стружки и инструмента достигает 4 мкм. Таким образом, наложение колебаний частотой 1 МГц способствует образованию частиц, размер которых меньше максимального сечения образующихся капилляров в зоне резания, а следовательно, облегчается проникновение этих частиц через сеть капилляров в зону обработки.d = 0.3

= 3.6 · 10 ^-6 m = 3.6 μm
It is known that under certain cutting conditions, the cross section of capillaries between the surfaces of the chip and tool reaches 4 μm. Thus, the imposition of oscillations with a frequency of 1 MHz promotes the formation of particles whose size is less than the maximum cross section of the formed capillaries in the cutting zone, and therefore, the penetration of these particles through the network of capillaries into the processing zone is facilitated.

Из приведенной зависимости следует, что с увеличением частоты колебаний диаметр частиц аэрозоля уменьшается. From the above dependence it follows that with an increase in the oscillation frequency, the diameter of the aerosol particles decreases.

Максимальную частоту накладываемых колебаний определяют из условия равенства диаметра d образовавшихся частиц максимальному сечению капилляров, которое составляет 2 х 10^-7 м.The maximum frequency of superimposed oscillations is determined from the condition that the diameter d of the formed particles is equal to the maximum capillary cross section, which is 2 x 10 ^-7 m.

f=

;
f=

10^-7= 77·10⁶ Гц= 77 МГц.f =

;
f =

10 ^-7 = 77 · 10 ⁶ Hz = 77 MHz.

Увеличивать частоту колебаний свыше 77 МГц нецелесообразно, поскольку уже при этой частоте диаметр образовавшихся частиц достаточен, чтобы проникнуть через капиллярную щель минимального сечения. It is impractical to increase the vibration frequency above 77 MHz, since even at this frequency the diameter of the formed particles is sufficient to penetrate through the capillary gap of a minimum cross section.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. The drawing shows a schematic diagram of a device that implements the proposed method.

Устройство содержит камеру 1, на дне которой крепится фокусирующий преобразователь (излучатель) 2, крышку 3, соединительные трубки 4 и 5, генератор 6 высокой частоты. Камера заполнена жидкостью 7. The device comprises a camera 1, at the bottom of which a focusing transducer (emitter) 2, a cover 3, connecting tubes 4 and 5, a high-frequency generator 6 are attached. The chamber is filled with liquid 7.

После заполнения камеры 1 смазочно-охлаждающей жидкостью 7 до уровня, расположенного несколько выше фокуса F излучателя, включается генератор высокой частоты, электрический сигнал с которого передается на пьезоэлектрический преобразователь 2. Преобразователь образует ультразвуковые колебания, с помощью которых производится испарение (распыление) жидкости. Распыление жидкости осуществляется за счет эффекта кавитации, т. е. образования и захлопывания в ней паровых и газовых пузырей (каверн) при наложении колебаний ультразвуковой частоты. After filling the chamber 1 with a cutting fluid 7 to a level slightly higher than the focus F of the emitter, a high-frequency generator is turned on, the electric signal from which is transmitted to the piezoelectric transducer 2. The transducer generates ultrasonic vibrations by which the liquid is vaporized (sprayed). The liquid is sprayed due to the effect of cavitation, i.e., the formation and collapse of vapor and gas bubbles (caverns) in it when superimposed on ultrasonic frequency oscillations.

На поверхности струи, возникающей вследствие эффекта фонтанирования жидкости в месте попадания на ее поверхность ультразвуковых колебаний, возбуждаются капиллярные волны. Образование капель аэрозоля происходит в результате их отрыва от гребней стоячих капиллярных волн. Через трубку 4 подается сжатый воздух, вследствие чего воздушно-жидкостная смесь через трубку 5 направляется в зону обработки. Capillary waves are excited on the surface of the jet resulting from the effect of the gushing of the liquid at the place where ultrasonic vibrations hit the surface. The formation of aerosol drops occurs as a result of their separation from the ridges of standing capillary waves. Compressed air is supplied through the tube 4, as a result of which the air-liquid mixture is sent through the tube 5 to the treatment zone.

Данный способ охлаждения обеспечивает получение мелкодисперсной воздушно-жидкостной смеси (аэрозоли). This cooling method provides a finely dispersed air-liquid mixture (aerosols).

П р и м е р. В заготовках из алюминиевого сплава 1163Т7 сверлили отверстия диаметром 10 мм. Сверление осуществляли сверлами из быстрорежущей стали Р6М5 с углом 2 φ = 118^о. Режим обработки: частота вращения сверла n = 1600 об/мин; скорость подачи v_s = 71 мм/мин.PRI me R. Holes with a diameter of 10 mm were drilled in billets of aluminum alloy 1163T7. Drilling was performed drills of high speed steel R6M5 with the angle 2 φ = 118 ^o. Processing mode: drill rotation speed n = 1600 rpm; feed rate v _s = 71 mm / min.

Охлаждение зоны обработки осуществляли двумя способами: по первому способу распыление жидкости осуществляли за счет энергии струи движущегося воздуха; по второму способу образование воздушно-жидкостной смеси производилось путем наложения на жидкость ультразвуковых колебаний частотой 2,64 МГц и мощностью 50 Вт. The treatment zone was cooled in two ways: according to the first method, the liquid was sprayed using the energy of a jet of moving air; according to the second method, the formation of an air-liquid mixture was carried out by applying ultrasonic vibrations to a liquid with a frequency of 2.64 MHz and a power of 50 watts.

Расход жидкости составлял в обоих случаях 400 г/ч. В качестве жидкости использовали спирт. The fluid flow rate in both cases was 400 g / h. Alcohol was used as a liquid.

Результаты исследований приведены в таблице. The research results are shown in the table.

Из результатов исследований следует, что образование воздушно-жидкостной смеси путем наложения на жидкость колебаний ультразвуковой частоты способствует снижению параметра R_а шероховатости обработанных поверхностей на 35% и момента резания на 21% соответственно. Отмеченный эффект объясняется образованием мелкодисперсной воздушно-жидкостной смеси (аэрозоли), 80% частиц жидкости в которой имеют диаметр до 5 мкм. Удельная поверхность мелкодисперсной смеси гораздо выше, что способствует интенсификации функциональных свойств СОЖ в зоне резания. Кроме того, облегчается процесс проникновения мелкодисперсной жидкости в зону резания.From the research results it follows that the formation of an air-liquid mixture by applying ultrasonic frequency vibrations to the liquid reduces the parameter R _{and the} roughness of the treated surfaces by 35% and the cutting moment by 21%, respectively. The noted effect is explained by the formation of a finely dispersed air-liquid mixture (aerosols), 80% of the liquid particles in which have a diameter of up to 5 μm. The specific surface of the finely divided mixture is much higher, which contributes to the intensification of the functional properties of the coolant in the cutting zone. In addition, the process of penetration of finely divided liquid into the cutting zone is facilitated.

Заявляемый "Способ охлаждения" представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволяет улучшить качество обработанных деталей (снизить параметр R_а на 35% ) и снизить энергетические затраты на процесс резания (момент резания снижается на 21% ). (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 246168, кл. B 23 Q 11/10, 1960.The inventive "Cooling Method" is of significant interest to the national economy, as it allows to improve the quality of the machined parts (reduce the parameter R _a by 35%) and reduce the energy costs of the cutting process (the moment of cutting is reduced by 21%). (56) 1. USSR copyright certificate N 246168, cl. B 23 Q 11/10, 1960.

2. Худобин Л. В. , Бердичевский Е. Г. Техника применения смазочно-охлаждающих средств в металлообработке. М. : Машиностроение, 1977, с. 102-108. 2. Khudobin L. V., Berdichevsky E. G. Technique for the use of cutting lubricants in metalworking. M.: Mechanical Engineering, 1977, p. 102-108.

Claims

COOLING METHOD, in which the cutting fluid is supplied with a cutting fluid in the form of a jet of air-liquid mixture, characterized in that the coolant, before mixing it with compressed air, is affected by ultrasonic vibrations, the frequency of which is selected in the range 1 - 77 MHz