RU2677441C1

RU2677441C1 - Method of cutting tool cooling and lubing

Info

Publication number: RU2677441C1
Application number: RU2016123535A
Authority: RU
Inventors: Александр Геннадьевич Наумов; Вячеслав Алексеевич Комельков; Василий Сергеевич Еловский; Надежда Ивановна Наумова
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2016-06-14
Publication date: 2019-01-16
Also published as: RU2016123535A

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: method includes feeding to the cutting zone a lubricating-cooling process agent in the form of a gas stream with microdoses of distilled water in an amount of 0.05–4.5 g/h at a temperature of 0 to minus 20 °C, activated by electrical discharges of the corona electrode of the activating device. Cooling of the gas stream with micro-doses of water is carried out by means of a Peltier element, installed immediately before the corona electrode of the activation device.

EFFECT: increased durability of the cutting tool is achieved by increasing the efficiency of its cooling.

1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

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.The invention relates to mechanical engineering, and in particular to the mechanical processing of metals by cutting, in particular, to methods of cooling and lubricating cutting tools through the use of cutting lubricants (COTS) and their components.

Известен способ охлаждения зоны резания ионизированным воздухом путем его продувки под избыточным давлением через специальный ионизатор [1].A known method of cooling the cutting zone with ionized air by blowing it under excessive pressure through a special ionizer [1].

Другой способ подачи СОТС в зону резания представляет собой подачу СОТС в зону резания в виде распыленных ионизированных жидкостей [2].Another method of supplying COTS to the cutting zone is the supply of COTS to the cutting zone in the form of atomized ionized liquids [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.The disadvantages of these methods are the low lubricating and cooling abilities of such SOTS due to the insufficient chemical activity of SOTS during the formation of lubricating films, as well as insignificant changes in temperature (compared with the surrounding) of ionized and sprayed air.

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].There is also known a method of cooling SOTS using Peltier elements, which are installed in blocks in a special refrigerator through which passes the SOTS circulated in the machine system [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.The main disadvantages of this method are, on the one hand, the need to equip the main pipeline for supplying SOTS with additional equipment (refrigerator), which is installed at the outlet of the collection and purification tanks of SOTS. On the other hand, as a result of cooling, the lubricating function of COTS decreases, since for the formation of chemical lubricating films in the cutting zone, which improve the tribological situation of the contact zone, the presence of a certain amount of chemically active components of the COTS is required, the activity of which is largely determined by the temperature of the COTS.

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].A method of cooling and lubricating the cutting zone with air cooled in a vortex tube has been used in industry, in which sulfofresol is additionally introduced to enhance the lubricating effect [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.The main disadvantage of this method is the need to use high (more than 5-6 atm.) Pressures at the inlet of the vortex tube to obtain a negative temperature at its cold outlet. The disadvantages also include the low lubricating effect of the cooled air stream when it is used without additional introduction of lubricating components into its composition and a significant pollution of the environment by aerosol in the presence of a lubricating component in the air stream.

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].The closest in technical essence and the achieved effect is the method of supplying SOTS to the cutting zone in the form of ionized humidified air, previously cooled in a Rank-Hills vortex tube [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.The main disadvantage of this method, as in the previous case according to [4], is the need to use high (more than 5-6 atm.) Pressures at the inlet of the vortex tube to obtain a negative temperature at its cold outlet. In addition, the additional introduction of lubricating components into the composition of the cooled air (at the entrance to the vortex tube) of the lubricants can destabilize the cooling process (Rank-Hills effect) in the vortex tube, as a result of which the temperature at the cold exit of the vortex tube will fluctuate significantly. This leads to a destabilization of the thermodynamic parameters of the cutting process as a result of "thermal shocks" and, as a consequence, to premature failure of cutting tools.

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.The aim of this work is to increase the resistance of metal cutting tools by the combined effect of the cooling effect caused by pre-cooled gaseous COTS and the lubricating effect due to the action of gaseous COTS activated by corona and barrier discharges, both individual and containing microdoses of water, additionally introduced into them structure.

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.This goal is achieved in that the gas (in particular, air) stream was pre-cooled to temperatures from 0 ° C to minus 20 ° C through the use of Peltier elements (Peltier effect). Peltier elements were installed in an ionizer (ozonator) manufactured according to [6], in front of the zone of influence on the corona or barrier discharge used by the SOTS (Fig. 1). The COTS gas stream supplied to the ionizer passed through a radiator (4), mounted on the cold side of the thermoelectric module on Peltier elements (3), where it was cooled and then entered the zone of action of the corona electrode (1). The heat resulting from the implementation of the Peltier effect was removed by means of a cooling radiator (2), mounted on the hot side of the thermoelectric module on Peltier elements.

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.Obtaining lower temperatures was limited by the characteristics of the equipment. If necessary, lubricant components were additionally introduced into the gas stream in an amount of 0.05–4.5 g / h, which were fed into the contact zone through a nozzle made according to [7] using a chilled gas stream (in particular, air). The nozzle of the ionizer (ozonizer) was located from the cutting zone at a distance of 20-100 mm. Reducing the distance less than 20 mm or exceeding more than 100 mm led, in the first case, to the instability of the arrival of ion-air SOTS with microdoses of the lubricant component in the contact zone of the tool with the processed material as a result of interference arising from the side of the chip, in the second to large scattering of SOTS , especially its microdosed component, which resulted in a decrease in the effectiveness of SOTS.

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:The cooled gas stream, including the microdoses of the lubricant component contained in it, was activated by electric discharges at the outlet of the ionizer (ozonizer). Water molecules released in the gas stream when it reaches the dew point as a result of its cooling through the Peltier effect, interacting with various energy particles formed by the action of electric discharges, become excited and are transformed according to the radical chain mechanism according to the reactions:

При взаимодействии гидроксильных радикалов образуется перекись водорода, эффект которой при резании обусловлен способностью выделять активных кислородThe interaction of hydroxyl radicals produces hydrogen peroxide, the effect of which during cutting is due to the ability to release active oxygen

где (е, hν…) - энергетические частицы, образованные при действии разрядов; H₂O^*, О^* - возбужденные молекулы воды и кислорода; H., ОН., О. - химические радикалы.where (e, hν ...) are the energy particles formed by the action of discharges; H ₂ O ^* , O ^* - excited molecules of water and oxygen; H., OH., O. - chemical radicals.

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.Chemically active oxygen radicals, when interacting with freshly opened metal surfaces of the contact zone, form oxide films that act as a lubricant between the tool and the processed material.

Аналогичным образом - с выделением химически активных частиц, ведут себя и другие смазочные компоненты, при необходимости, вводимые в газовый поток.Similarly, with the release of chemically active particles, other lubricating components behave, if necessary, introduced into the gas stream.

Охлаждение зоны резания осуществлялось охлажденным с помощью элементов Пельтье и активированным коронным или барьерным разрядами газовым потоком.The cutting zone was cooled by a gas stream cooled by means of Peltier elements and activated by corona or barrier discharges.

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].Testing of the proposed method was carried out during blade processing of representatives of various groups of structural materials: carbon steel 45, chromium steel 40X, stainless austenitic steel 12X18H10T, titanium alloy VT6. The cutting was carried out on the operations of turning and milling with tools made of high-speed steels P6M5, P9 and equipped with hard alloy plates T5K10, VK6. As an additionally introduced lubricating component, we used: distilled water, an aqueous solution of iodine, industrial oil I-20A, microcapsules made according to [8].

Примеры предлагаемого способа.Examples of the proposed method.

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.When turning 45 steel, thrust cutters made of P6M5 high-speed steel and equipped with T5K10 hard alloy with a cutting depth of t = 0.5 mm, feed S = 0.1 mm / rev and cutting speed, respectively, V = 1.0 m / s and V = 3.5 m / s as COTS the following were used: corona-ionized air flow, distilled water with a supply to the contact zone by means of a cooled ionized air flow. The air flow temperature varied from 0 ° С to minus 20 ° С. The amount of water supplied to the contact zone was 0.05-4.5 g / hour. The distance from the nozzle to the contact zone varied from 20 to 100 mm. The wear criterion was taken to be wear along the rear surface of the cutters until a wear chamfer height of 0.6 mm was reached. The results of changing the resistance characteristics of the tools are given in table. one.

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.The ratio of the results of blade processing using a barrier discharge, as well as for various operations of other processed and tool materials, are close to those given in the table.

Литература.Literature.

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.1. UK Patent GB No. 2,243,319 to 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.2. A.c. USSR No. 210609. A method of cooling and lubricating atomized ionized liquids. Authors: Latyshev VN, Solodikhin AE, Gorbunova EV

3. Patent JP №2004042144 A, B23Q 11/103. Patent JP No. 2004,042,144 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. 52-54.4. Kurnosov N.E., Tarnopolsky A.V. The use of the vortex method of preparation and supply of air-liquid aerosol COTS to the cutting zone // Bulletin of mechanical engineering. 2007. No. 10. S. 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.5. RF patent No. 2411115. A method of cooling and lubricating cutting tools. Authors: Naumov A.G., Latyshev V.N., Radnyuk B.C., Pribylov A.N., Kurapov K.V.

6. Патент РФ №2287419. Устройство для получения ионизированных и озонированных СОТС. Авторы: Наумов А.Г., Латышев В.Н., Минеев Л.И. и др.6. RF patent No. 2287419. A device for producing ionized and ozonated SOTS. Authors: Naumov A.G., Latyshev V.N., Mineev L.I. and etc.

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.7. RF patent No. 2288089 A device for supplying a lubricant-cooling technological agent (COTS) for cooling and lubricating tools. Authors: Latyshev V.N., Naumov A.G., Asnos T.M., Bakharev PL., Pribylov A.N.

8. Патент РФ №2147923. Способ получения микрокапсул. Авторы: Латышев В.Н., Наумов А.Г., Чиркин С.А., Прибылов А.Н.8. RF patent №2147923. A method of obtaining microcapsules. Authors: Latyshev V.N., Naumov A.G., Chirkin S.A., Pribylov A.N.

Claims

A method of cooling and lubricating metal-cutting tools during machining, comprising supplying a cutting lubricant to the cutting zone in the form of a gas stream with microdoses of distilled water in an amount of 0.05-4.5 g / h at a temperature of 0 to minus 20 ° C, activated by means of electric discharges corona electrode activation device, characterized in that the cooling of the gas stream with microdoses of water is carried out by means of a Peltier element installed directly in front of the core activation electrode of the activating device.