Устройство комбинированной подачи смазочно-охлаждающей технологической среды
Устройство (Фиг.1) может быть использовано при обработке резанием конструкционных материалов. Устройство содержит сборный корпус, состоящий из входной части 1, выходной части 2, кольцевой насадки 3 и изоляционной втулки 4. Выходная часть 2 и входная часть 1 сборного корпуса соединены двумя металлическими пластинами 5 и 6. В выходной части 2 установлена регулируемая игла 7. Выходная 2 и игла 7 подключены соответственно к положительной и отрицательной клеммам источника постоянного тока, что позволяет формировать коронный разряд. Устройство содержит емкость 8, которая соединена посредством трубок 9 с кольцевой насадкой 3. Из магистральной сети в устройство входной части 1 подается сжатый воздух и одновременно от источника питания 12 подается постоянный ток на электроды ионизатора расположенного в выходной сопловой части 2, 7. В сопловой выходной части устройства 2 при прохождении воздуха происходит ионизация воздуха сформированным коронным разрядом с одновременным образованием озона. Озон формируется за счет коронного разряда, инициируемого между корпусом 2, несущим положительный заряд (+), регулируемой иглой 7, несущей отрицательный заряд (электрод -). Поток, ионизированной воздушной среды (ИГС) поступает в выходную часть устройства ионизатора насадку 3 и согласно законам аэродинамики в зоне аэродинамического выступа (А) кольцевой насадки 3 создает максимально отрицательное давление воздуха (разряжение) в воздушно-жидкостном канале, величина которого зависит от высоты аэродинамического выступа. Это позволяет исключить влияние вязкости подаваемой жидкой фазы СОТС, а так же давления воздуха в магистральной сети на характеристики, поступающей в зону резания комбинированной СОТС. За счет создания отрицательного давления по трубе 9, установленной в аэродинамическом выступе, из емкости 8 подается в кольцевую насадку жидкая СОТС. При этом исключается разбрызгивание жидкости, и загрязнение окружающей среды из-за наличия полузамкнутого пространства выходной части 3. Образованная комбинированная СОТС, представляет собой газожидкостную воздушно-капельную аэрозольную смесь из ионизированной газовой среды и мелкодисперсной распыленной жидкой СОТС, обладает высокой проникающей способностью в зону резания и повышенной смазывающий эффект, улучшая тем самым показатели процесса резания конструкционных материалов.
Предлагаемая полезная модель относится к области резания и может быть использована для интенсификации сухой обработки конструкционных материалов.
Известно устройство, в котором подача воздушной смазочно-охлаждающей технологической среды осуществляется через сопло и установленный в нем ионизатор с двумя кольцевыми электродами охватывающий корпус ионизатора. Один электрод связан с отрицательно заряженной поверхностью электрета, а другой через токопроводящую стенку корпуса сопла с положительно заряженной поверхностью электрета (патент РФ 
2030276 RU, кл. В23Q 11/10).
Недостатком аналога является то, что в качестве смазочно-охлаждающей технологической среды (далее СОТС) подаваемой в зону резания используется только газ в виде воздуха ионизированного в сопле устройства. Поступающая ионизированная воздушно-газовая СОТС в зону резания проникает только в зоны дискретного контакта обрабатываемого материала - инструмент способствует уменьшению пластичности материала, а следовательно и работу затрачиваемую на пластическую деформацию обрабатываемого материала при резании. Однако степень снижения внешнего трения в зоне контакта ниже чем при использовании жидкой СОТС, а, следовательно, и хуже чисто газовая СОТС препятствует образованию нароста на рабочих поверхностях инструмента. Кроме вышеперечисленного жидкая СОТС обладает свойствами защитного действия, в результате наличия антикоррозийных присадок. Эти присадки в составе СОТС попадают на поверхность обрабатываемого материала и предохраняют ее от действия коррозирующих агентов из окружающей среды. Наряду свыше сказанным, при прохождении воздуха отрицательные ионы ионизированного воздушного потока, по данной заявке, заряжают и перезаряжают пыль в рабочей зоне станка, тем самым изменяют микрофлору в рабочем пространстве помещений.
Наиболее близким решением по технической сути является устройство для охлаждения зоны резания металлорежущего станка, содержащее составной корпус с входной зоной и выходной зоной в сопловой части, внутри которого в выходной зоне расположена игла, функционально являющиеся средством ионизации воздуха, и емкость для смазочно-охлаждающей технологической жидкости со средствами подачи последней в зону смешения с воздухом (патент РФ 2045381, Кл. B23Q 11/10, от 11.02.92).
Данное устройство позволяет обеспечить создание окисной пленки на трущихся поверхностях, и как следствие, уменьшение износа инструмента, а так же создание благоприятных санитарно-гигиенических условий в зоне обслуживания станка.
Недостатком известного устройства (прототипа) являются:
- подача жидкой среды в открытом пространстве в направлении перпендикулярном воздушной струи, что приводит к загрязнению окружающего пространства среды в результате отсутствия направленного движения жидкой среды и ее разбрызгиванию в разные стороны за счет воздействия на жидкую струю воздушного потока выходящего из патрубка эжектора в перпендикулярном направлении;
- для обеспечения давления в жидкости необходимого для перемещения жидкости из резервуара к соплу приходиться использовать большое количество жидкой СОТС, что увеличивает вероятность усиления ее вредного воздействия на окружающую среду;
- отсутствие возможности регулирования уровня ионизации воздуха путем регулирования необходимого зазора между иглой-катодом и корпусом ионизатора;
- подача жидкой среды только в направлении (снизу от плазматрона) относительно воздушного потока воздуха, что исключает равномерность применения воздушно-водяной среды по ее сечению и приводит к снижению эффективности охлаждения и надежности работы устройства.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является достижение максимального снижения температурного и силового воздействия на режущую часть инструмента и формируемую поверхность обработки за счет снижения термомеханических напряжений, возникающих в зоне контактного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов в результате образования антифрикционных пленок (оксидных, нитридных и карбидных) возникающих при взаимодействии активированных СОТС и элементов инструментального и обрабатываемого материалов для обеспечения повышения работоспособности инструмента и качества обработки.
Предлагаемое устройство комбинированной подачи СОТС поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 схематически изображено предлагаемое устройство полезной модели;
- на фиг.2 сечение по А-А представлена кольцевая насадка с выступами (А) подведенных трубок обеспечивающих аэродинамический эффект всасывания жидкой СОТС;
- на фиг.3 аэродинамический выступ А в кольцевой насадки 3;
- на фиг.4 - представлено сечение изоляционной трубки в плоскости В-В
Устройство содержит сборный корпус, состоящий из входной части 1, выходной части 2, кольцевой насадки 3 и изоляционной втулки 4. Входная часть 1 и выходная часть 2 сборного корпуса соединены двумя металлическими пластинами 5 и винтами 6. В выходной части 2 устройства установлена регулируемая игла 7. Выходная часть 2 и игла 7 подключены соответственно к положительной и отрицательной клеммам источника постоянного тока, что позволяет формировать коронный разряд. Положение иглы 7 относительно выходной части корпуса 2 позволяет регулировать степень ионизации воздуха, обеспечивает ее оптимальное значение.
Управление параметрами процесса активирования газовой среды осуществляется в корпусе устройства 2 за счет изменения зазора между корпусом и конической частью иглы 7 при ее перемещении, что приводит к увеличению кратности заряженности ионов газовой среды, плотности ионного тока и энергии ионизированной составляющей воздушного потока. При этом часть избыточной энергии ионов расходуется на связывание части газовой среды с вновь образуемыми поверхностями инструмента и заготовки, что ведет к уменьшению их поверхностной энергии и к взаимодействию осажденных частиц газа с металлическими элементами инструментального материала т.е. происходит адсорбция частиц газовой среды на поверхность инструмента, взаимодействие с элементами инструментального материала с формированием антифрикционных пленок на основе оксидных, нитридных и карбидных соединений. При этом формирование антифрикционных пленок приводит к изоляционным эффектам и резкому снижению адгезионного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материала, снижению трения и фрикционных источников тепла в зоне обработки улучшению основных параметров резания, повышению работоспособности инструмента и качества обработки.
Устройство содержит емкость 8, которая соединена посредством трубок 9 с кольцевой насадкой 3. В кольцевой насадки 3 (фиг.2) располагаются две диагонально расположенные подводящие трубки - каналы с аэродинамическими выступами А (фиг 3), через которые диспергируемая жидкая СОТС поступает в полузамкнутое пространство области распыления 3. Жидкая СОТС всасывается из емкости 8 в трубки 9 с последующим перемещением к насадке 3 за счет разряжения полученного от прохождения ионизированного воздуха через кольцевую насадку 3 с аэродинамическими выступами А. Жидкая СОТС попадая в полузамкнутое пространство насадки 3 равномерно распределяется по сечению потока и смешивается с ионизированным воздушным потоком, идущим из выходной части устройства 2. Кольцевая насадка 3 находится в контакте с акустической головкой 10. Головка устанавливается с любой свободной стороны кольцевой насадки 3 и состоит из магнитострикционного преобразователя с концентратором стержневого типа и источника У3-колебаний 11 в качестве, которого используется генератор ГУЗ 511. Головка 10 обеспечивает ультразвуковые колебания (УЗК) насадки. Для создания УЗК используются частоты мегагерцевого диапазона. Мелкодисперсная воздушно жидкостная смесь в устройстве образуется путем подвода к зоне распыления акустической энергии высокой частоты через слой распыляемой жидкости. Создание смеси происходит под действием интенсивных колебаний насадки вызванных ударными воздействиями на нее концентратором 10. В жидкости СОТС, выходящей из отверстий трубок 9 в насадке 3 в зоне А, возникает кавитационное дробление жидкости с образованием аэрозоля (пневматический способ диспергирования жидкости) т.е. периодические гидравлические удары при захлопывании кавитационных пузырьков приводит к образованию большого количества парогазовых пузырей. Пузырьки схлопывапются, формируя мелкодисперсную составляющую факела распыления - аэрозоля. Распыление приводит к образованию монодисперсного аэрозоля с размерами капель десятки и сотни мкм. Аэрозоль жидкой СОТС смешивается с ионизированным потоком воздуха и образует комбинированную мелкодисперсную воздушно-жидкостную СОТС. Диаметры капель аэрозоля жидкой СОТС уменьшаются при увеличении давления ионизированной газовой среды, что обеспечивает установления наиболее благоприятных условий для получения необходимой величины дисперсности получаемого аэрозоля жидкости. Давление воздушно-газового ионизированного потока меняется в пределах, обеспечивающих эффективное протекание кавитации и всего пневматического способа распыления пленки жидкости. Предлагаемая цилиндрическая насадка 3 исключает разбрызгивание аэрозоля жидкой СОТС в окружающее пространство т.к. СОТС поступает по трубкам к насадке сопловой части устройства и в насадке, находится в полузамкнутом пространстве, где имеет место целенаправленное перемещение воздушной среды. Захватываемая воздушной средой мелкодисперсная жидкая СОТС в виде аэрозоля подается в зону резания.
Комбинированная СОТС представляет собой аэрозольную воздушно-капельную смесь, состоящую из ионизированного и озонированного воздуха (ИГС) в комбинации с микродозами мелкодисперсной жидкой СОТС. Обладая высокой проникающей способностью мелкодисперсная жидкая СОТС усиливает адсорбционные эффекты ионизированных газовых сред при проникновении в зону обработки и контактные площадки инструмента. Происходит интенсивное формирование тонких антифрикционных пленок, особенно оксидного типа, обеспечивается более эффективное действие смазочного эффекта в зоне резания. Управление потоком мелкодисперсных заряженных капель аэрозоля, совместно с ионизированной газовой средой обеспечивает эффективное проникновение заряженных элементов СОТС в микротрещины и полости в зоне резания, повышая интенсивность формирования антифрикционных пленок на вновь образованных металлических поверхностях контактной пары «инструментальный-обрабатываемый» материал, так как величина капель жидкого аэрозоля СОТС соизмерима с размерами капиллярных каналов, образующихся в сильнодеформированной стружке. При этом формирование тонких пленок (оксидных, нитридных, карбидных) на этих поверхностях является важным фактором приводящим к интенсивному образованию разделительных пленок между контактирующими поверхностями и снижению адгезионного взаимодействия между ними.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Из магистральной сети в устройство подается сжатый воздух в корпус 1 и одновременно от источника питания 12 подается постоянный ток на электроды расположенного в сопловой выходной части ионизатора 2,7. В сопловой выходной части устройства 2 при прохождении воздуха происходит диссоциация части компонентов воздушной среды (О2, N2, СО2 и др.) на атомы и радикалы с последующей ионизацией части из них сформированным коронным разрядом, ионизируемого между корпусом 2. положительным зарядом (+) и регулируемой иглой 7 с отрицательным зарядом (-).
В зависимости от величины зазора между конической частью иглы 7 и корпусом устройства 2, управляемой за счет вращения иглы, можно изменять уровень параметров коронного разряда, давление ионизированного потока комбинированной СОТС и размеры частиц жидкой СОТС, подаваемых в зону резания. Это дает возможность управлять смазочными свойствами СОТС в тонком граничном слое, а, следовательно, характеристиками процесса резания.
Поток, содержащий ионизированную воздушную среду, остаточные компоненты воздуха и озон поступает в выходную часть устройства ионизатора, а затем в насадку и согласно законам аэродинамики в зоне аэродинамического выступа (А) кольцевой насадки 3 (Фиг.3) создает максимально отрицательное давление воздуха (разряжение) в воздушно-жидкостном канале, величина которого зависит от высоты аэродинамического выступа. Это позволяет втягивать подаваемую жидкую СОТС в насадке. За счет создания отрицательного давления по трубе 9, установленной в аэродинамическом выступе насадки 3, из емкости 8 подается жидкая СОТС. При этом исключается разбрызгивание жидкости и загрязнение окружающей среды.
Образованная комбинированная СОТС, представляющая собой воздушно-капельную аэрозольную смесь из ионизированной газовой среды и мелкодисперсной жидкой СОТС, обладает высокой проникающей способностью в зону резания и повышенным смазочным эффектом, улучшает тем самым показатели процесса резания конструкционных материалов. Промышленные испытания показали, что предлагаемое устройство, обеспечивающее комбинированную одновременную подачу в зону резания смеси активной газовой среды и аэрозоля жидкой СОТС, обеспечивает повышение износостойкости инструмента, позволяет существенно снизить расход подачи СОТС и ее негативное техногенное влияние на окружающую среду.
1. Устройство комбинированной подачи смазочно-охлаждающей технологической среды содержит сборный корпус, состоящий из входной и выходной частей, внутри выходной части расположена игла, обеспечивающая создание коронного разряда, между иглой и корпусом выходной части, необходимого для ионизации проходящий через корпус воздушной среды, емкость для смазочно-охлаждающей технологической жидкости со средствами ее подачи в зону смешения последней с ионизированной воздушной средой, отличающееся тем, что устройство снабжено акустической головкой, формирующей ультразвуковые колебания, расположенной в кольцевой насадке выходной части сборного корпуса, при этом средства подачи смазочно-охлаждающей технологической жидкости выполнены в виде трубок, концевые части которых расположены непосредственно в зоне аэродинамического выступа кольцевой насадки на выходе ионизированного воздушного потока, что обеспечивает возможность кавитационного диспергирования смазочно-охлаждающей технологической жидкости с образованием аэрозоля за счет ультразвуковых колебаний насадки.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что игла выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси сборного корпуса устройства, изменяя тем самым пропускную способность воздушной среды и степень ионизации проходящего воздушного потока, что обеспечивает оптимизацию параметров комбинированной воздушно-аэрозольной смеси и улучшает показатели процесса резания.
