Интенсификация процессов механической обработки использованием энергии ультразвукового поля: Учебное пособие

Е. С. КИСЕЛЕВ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ

А Аmax

Ω

Аmin

τ ω

Ульяновск 2003

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Е. С. КИСЕЛЕВ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ Учебное пособие

Допущено УМО по образованию в области автоматизированного машиностроения в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению 55.29.00 и специальности 120100 «Технология машиностроения»

Ульяновск 2003

УДК 621.9.048.6 (075) ББК 34.56.я7 К 44 Редактор:

заслуженный работник высшей школы РФ, профессор, доктор технических наук В. П. Табаков

Рецензенты: профессор, доктор технических наук М. С. Нерубай (Самарский государственный технический университет), кафедра «Прикладная физика» Саратовского государственного технического университета Киселев Е. С. К48. Интенсификация процессов механической обработки использованием энергии ультразвукового поля: Учебное пособие. – Ульяновск: УлГТУ, 2003. – 186 с. ISBN 5 – 89146 – … Написано в соответствии с учебными планами дисциплин «Технология машиностроения», «Электрофизические и электрохимические методы обработки заготовок», «Высокие технологии в машиностроении» для студентов, обучающихся по направлению 55.29.00 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», магистерской программы 55.29.01 и специальности 120100 «Технология машиностроения». Рассмотрен комплекс вопросов, связанных с использованием ультразвуковых колебаний малой мощности для интенсификации процессов абразивной и лезвийной обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов. Представлены результаты исследований и промышленной апробации новых методов использования энергии ультразвукового поля для повышения производительности механической обработки и качества деталей без применения специального или модернизированного металлорежущего оборудования. Пособие предназначено для использования при углубленном изучении данных дисциплин студентами старших курсов машиностроительных вузов, при разработке соответствующих разделов дипломных проектов исследовательского характера, магистрантами и аспирантами при выполнении диссертационных работ, а также инженерно-техническими работниками технологических служб машиностроительных предприятий.

ISBN 5 – 89146 – …

УДК 621.9.048.6 (075) ББК 34.56.я7  Е. С. Киселев, 2003  Оформление УлГТУ, 2003

3 ОГЛАВЛЕНИЕ СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.......6 ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................10 Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ...........................................................................................................11 1.1. Ультразвуковые упругие колебания..................................................................11 1.2. Основные параметры и закономерности распространения ультразвуковых волн в различных средах....................................................................................14 1.3. Методы и аппаратура получения ультразвуковых колебаний .......................20 1.3.1. Ультразвуковые излучатели............................................................................20 1.3.2 Ультразвуковые генераторы ............................................................................30 1.4. Выводы .................................................................................................................35 Глава 2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЗАГОТОВОК ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ.............................................................................................36 2.1. Основные методы использования ультразвуковых колебаний в технологических процессах механической обработки заготовок.......................................36 2.2. Механизм воздействия ультразвуковых колебаний на режущий инструмент или заготовку при обработке резанием ..........................................................39 2.3. Формирование свойств поверхностного слоя заготовок, обработанных с применением энергии ультразвукового поля..........................................................46 2.4. Выводы .................................................................................................................53 Глава 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В КОНТАКТНЫХ ЗОНАХ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ЗАГОТОВОК С НАЛОЖЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ .................................................................................55 3.1. Функциональные действия СОЖ при использовании в процессах механической обработки заготовок ультразвуковых колебаний ..................................55 3.2. Ультразвуковая гидроочистка рабочих поверхностей инструментов из сверхтвердых материалов..........................................................................................66 3.3. Использование акустического распыления СОЖ для интенсификации ее действий при механической обработке заготовок..................................................69 3.4. Выводы .................................................................................................................75 Глава 4. ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ К КОНТАКТНЫМ ЗОНАМ ПРАВКИ АБРАЗИВНЫХ КРУГОВ И ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК .........................................................................................76 4.1. Ультразвуковая техника подачи СОЖ сквозь поровое пространство абразивного круга...........................................................................................................76

4 4.2. Аналитическое исследование поглощения ультразвуковых волн при движении сквозь поровое пространство абразивного круга .................................80 4.3. Исследование эффективности ультразвуковой техники подачи СОЖ при изменении параметров акустического поля ...........................................................90 4.3.1. Влияние направленности ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования заготовок и правки круга..........................................................90 4.3.2. Влияние формы ультразвукового сигнала на эффективность шлифования заготовок и правки круга....................................................................................98 4.3.3. Влияние формы акустических излучателей (фокусирующих систем) ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования заготовок .............100 4.3.4. Влияние амплитуды и частоты ультразвукового сигнала на эффективность шлифования заготовок ..................................................................................103 4.4. Выводы ...............................................................................................................107 Глава 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ ПРИ ШЛИФОВАНИИ И ПРАВКЕ АБРАЗИВНЫХ КРУГОВ ..........................................................................................................108 5.1. Исследование влияния модуляции ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования с гидроочисткой рабочих поверхностей кругов из сверхтвердых материалов........................................................................................108 5.2. Исследование гидродинамики СОЖ при фильтрации сквозь поры абразивного круга с наложением модулированных ультразвуковых колебаний .....116 5.3. Определение коэффициентов вязкостного и инерционного гидравлического сопротивления фильтрации СОЖ сквозь поры абразивного круга под действием модулированных ультразвуковых сигналов.......................................125 5.4. Исследование влияния модуляции ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования заготовок и правки кругов с транспортированием СОЖ сквозь поры абразивного круга.....................................................................131 5.5. Выводы ...............................................................................................................136 Глава 6. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК НАЛОЖЕНИЕМ МОДУЛИРОВАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ФОРМООБРАЗУЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ....138 6.1. Исследование эффективности новых методов применения ультразвуковых колебаний на операциях глубокого сверления маломерных отверстий .....138 6.1.1. Исследование теплосиловой напряженности глубокого сверления маломерных отверстий.................................................................................................138 6.1.2. Исследование причин увода сверла и разбивки маломерных отверстий при глубоком сверлении спиральными сверлами.................................................145 6.2. Эффективность алмазного выглаживания заготовок из труднообрабатываемых материалов с использованием энергии модулированного ультразвукового поля................................................................................................................154

5 6.3. Использование энергии модулированного ультразвукового поля для повышения эффективности плоского маятникового шлифования с непрерывной правкой круга.....................................................................................................156 6.4. Выводы ...............................................................................................................162 Глава 7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕХНИКИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ ...........................................................................................163 7.1. Расчет элементов устройств ультразвуковой техники и описание основных конструкций ......................................................................................................163 7.2. Источники и структура составляющих экономической эффективности ....169 7.3. Экономическое обоснование эффективности использования ультразвуковой техники в производственных условиях и основные результаты внедрения ........................................................................................................................172 7.4. Выводы ...............................................................................................................178 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ....................................................................179

ВВЕДЕНИЕ Попытки использования энергии ультразвукового (УЗ) поля для интенсификации процессов механической обработки известны с конца 30х годов ХХ века. Характерной особенностью современного состояния физики и техники ультразвука является многообразие его применений, охватывающих частотный диапазон от слышимого порога до частот в несколько мегагерц и область мощностей от долей милливатт до десятков киловатт с использованием модуляции колебаний по амплитуде, частоте и фазе. Малость длины волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Благодаря этому начинает широко применяться фокусирование УЗ волн посредством акустических линз, рефлекторов и излучателей вогнутой формы. Последнее позволяет концентрировать звуковую энергию, получая в среде высокие значения интенсивности звука, которых на поверхности традиционных излучателей колебаний получить невозможно. Современные фокусирующие системы позволяют формировать заданные характеристики направленности ультразвуковых колебаний (УЗК) и управлять ими. Из основных эффектов и путей использования энергии УЗ поля при механической обработке выделим: – кавитацию – возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью; – звукокапиллярный эффект – аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры и узкие щели под действием УЗК; – эффект снижения трения и увеличения пластичности как при параллельной, так и при нормальной ориентации колебательных смещений относительно граничной поверхности; – УЗ распыление жидкости в колеблющемся с УЗ частотой слое жидкости или в УЗ фонтане на высоких частотах (десятков килогерц в слое, на частотах мегагерцевого диапазона в фонтане). Учитывая, что к середине 70х годов ХХ века были установлены практически все физические основы действия УЗК на вещество, в настоящей работе рассмотрены в основном новые методы использования энергии УЗ поля при механической обработке заготовок, отличающиеся малыми энергозатратами и высокой эффективностью при таких стесненных и напряженных процессах как шлифование заготовок и правка абразивных кругов алмазными инструментами, глубокое сверление и резьбонарезание маломерных отверстий, алмазное выглаживание. В основу данной работы положены результаты НИР и ОКР, выполненных на кафедре «Технология машиностроения» Ульяновского государственного технического университета под руководством и с участием автора к.т.н., доцентом А.Н. Уняниным, к.т.н. В.Н. Ковальноговым, инженерами В.И. Деревянко, И.Г. Лейбелем и А.С. Черабаевым, аспирантами М.В. Табеевым, А.А. Яшиным, магистрами техники и технологии А.В. Маттисом, Д.В. Подопригоровым, Д.В. Тартасом и др.

11 –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН 1.1. Ультразвуковые упругие колебания Ультразвуковые волны по своей физической природе не отличаются от упругих волн звукового диапазона, а также инфразвуковых волн. В физике колебаний под термином «ультразвуковые колебания» понимают упругие колебания, распространяющиеся в виде волн в газах, жидкостях и твердых телах. Вопросы теории колебаний изложены в многочисленных работах [5, 7, 13, 23, 55, 58, 60, 61, 88, 95]. Ниже приведены лишь краткие сведения об ультразвуке и гармонических колебаниях, необходимые для понимания материалов, изложенных в данной работе. Большинство закономерностей, характерных для звуковых колебаний, справедливо и для ультразвуковых и описываются в первом приближении волновым уравнением, общим для всех частот ∂ 2W ∂x 2

+

∂ 2W ∂y 2

+

∂ 2W ∂z 2

1 ∂ 2W = 2⋅ 2 c ∂t

(1)

или в сокращенном виде 1 ∂ 2W (2) ∆W = 2 ⋅ 2 , c ∂t где ∆ – оператор Лапласа; W – изменение колеблющейся величины во времени x 2π  W = А ⋅ sin (3) τ −  , T  c где τ – время, с; А – амплитуда волны, м; Т – время, за которое совершается полный цикл колебаний или период колебаний, с; х, у, z – координаты источника синусоидальных колебаний, м; х – направление распространения волн; с – скорость звука в среде распространения УЗК, м/с. Известно, что скорость распространения звука связана с длиной волны λ и частотой колебаний fr соотношением с =λy fr. Так как частота колебаний обратно пропорциональна периоду, т. е. времени, необходимому для прохождения волной расстояния, равного одной длине волны, то с =λy /Т. Следовательно λy = сТ. К основным законам распространения звуковых волн относятся законы отражения и преломления звука на границах различных сред, дифракция и рассеяние звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных уча-

Глава 1

12

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

стках. Важную роль играет соотношение между длиной волны λy и характерным для условий ее распространения размером источника звука D (поперечного сечения волновода). При D >> λ распространение звука вблизи препятствий происходит главным образом по законам геометрической акустики. При распространении звуковых волн в среде возникает чередование сжатий и разрежений (рис. 1), причем амплитуда сжатия всегда равна амплитуде разрежения, а чередование их соответствует частоте колебаний звуковой волны. Это явление называют звуковым давлением. q

λy А

Струна

А

А

Сжатие τ А Разрежение а)

б)

Рис. 1. Распространение звуковых волн в среде: а – условное изображение звуковых волн в виде синусоиды; б – образование звуковых колебаний под действием колеблющейся струны [13]

Источник колебаний достаточно большой мощности не только приводит прилегающие к нему частицы той или иной среды в колебательное движение относительно их положения равновесия, но и вызывает постоянное смещение их – постоянный поток, который носит название акустического или звукового ветра. Причина возникновения акустического ветра обусловлена законом сохранения количества движения и заключается в том, что переносимое звуковой волной количество движения, связанное с колебаниями частиц среды, при поглощении волны передается среде, вызывая ее регулярное движение. Эффект акустического ветра проявляется в виде сильных течений, приводящих к интенсивному перемешиванию среды и усиливающих тепломассообмен. Для незатухающих гармонических колебаний смещение q (см. рис. 1) и скорость v можно определить по формулам: q = A sin ω τ ; (4) v = Aω cos ω τ , (5) где ω – круговая частота, Гц. Уравнение смещения для свободных затухающих колебаний (рис. 2) q = Ae-δτ sin ω 02 − δ 2 ,

(6)

где δ – коэффициент затухания системы, равный отношению эквивалентного сопротивления потерь в системе r (акустическое сопротивление, кг/с) к ее удвоенной массе тт

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

13

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

δ= q

r . 2 mт

(7)

τ Рис. 2. График затухающих колебаний (штрихпунктирной линией показана огибающая, закон изменения которой е–δτ)

В колебательной системе с потерями снижается не только амплитуда колебаний, но и частота 2

δ  f = (8) −  , 2 π   где f0 – частота собственных колебаний, Гц. При малых потерях приближенно считают f = f0. Амплитуда вынужденных колебаний системы под действием периодической силы Р = Ртcosωτ Рт Ав = , (9) 2 2  δ 4π 2 т f 02 − f в2 +  f в   π где fв – частота вынужденных колебаний, Гц. На малых частотах (fв < f0) амплитуда вынужденных колебаний слабо зависит от частоты. При равенстве частот fв = f0 (резонанс) амплитуда колебаний максимальна Рт Р (10) = т . Ар = 4π f 0 δт ω 0 r f 02

(

)

В идеальной системе без потерь r = 0, тогда А р → ∞ (система запасает бесконечно большую энергию). В реальной системе накопление энергии ограничено затратами ее на преодоление потерь. Отношение полного запаса энергии, накапливаемого в колеблющейся системе, к энергии, отдаваемой на преодоление потерь, называется механической добротностью Qд Qд =

ω0 m

=

ω0 . 2δ

(11) r Величина, обратная добротности называется коэффициентом потерь

ε=

1 . Qд

Глава 1

14

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Потери оцениваются также логарифмическим декрементом затухания Θ = πε =

π

. (12) Qд Добротность колеблющейся системы может быть определена по ее резонансной кривой (рис. 3) f0 . (13) Qд = f 2 − f1 q, Ар

Ар 2

f1

f0 f2

fr

Рис. 3. Определение механической добротности колеблющейся системы по резонансной кривой

Отношение максимума периодической силы Рт, вызывающей колебания в системе, к амплитуде колебаний скорости vm носит название механического импеданса Z P (14) Z= m. v m Z Импеданс определяется параметрами колеблющейся системы и не зависит от внешней силы. Величина Z показывает, какую амплитуду колебательной скорости приобретает система r под действием приложенной силы. В жестких системах импеданс велик, а скорости малы, в fr f0 мягких наоборот. При резонансе импеданс миРис. 4. Зависимость импенимален и равен активному сопротивлению поданса Z от частоты f терь r (рис. 4).

1.2. Основные параметры и закономерности распространения ультразвуковых волн в различных средах

Скорость распространения УЗ волн, как и любых других, зависит от плотности и упругости среды. Особенностями УЗК являются их направленность и возможность фокусирования энергии на сравнительно небольшую площадь инструмента, элемента технологической оснастки или заготовки. Колеблющийся источник УЗК периодически сжимает примыкающие к нему час-

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

15

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

тицы среды, которые передают это сжатие следующему прилегающему слою, и волны сжатия, чередуясь с волнами разрежения, проходят через пространство, занимаемое данной средой. В газах и жидкостях, которые обладают упругостью объема, но не обладают упругостью формы, могут распространяться лишь продольные волны разрежения-сжатия. При этом колебания частиц среды происходят в направлении распространения волн. Фазовая скорость распространения продольных волн в жидкостях и газах определяется по формуле (15) сп = K ρ , где К – модуль всестороннего сжатия, Па; ρ – плотность среды, кг/м3. Скорость распространения продольных звуковых волн в стержнях постоянного сечения (волноводах), наибольший размер которых значительно меньше длины волны, можно определить по зависимости (16) сl = Е ρ , где Е – модуль Юнга, Па. В более толстых стержнях сказывается эффект поперечного сжатия – увеличение инерции в результате радиальных колебаний. Это кажущееся увеличение массы вызывает рост периода собственных колебаний стержня длиной l и уменьшает скорость распространения продольных волн сп. Большинство применяемых при УЗ обработке волноводов в виде стержней имеет диаметр до 60 мм и разница между значениями сп и сl не превышает 2 % [2]. Поэтому поправку в этих случаях можно не учитывать. Значения сl и ρ для некоторых материалов, используемых для различных целей УЗ обработки, приведены в табл. 1. 1. Скорость звука и плотность различных материалов [55] Материал Алюминий Медь Железо Свинец Никель

с l, м/c 5240 3580 5170 1250 4760

ρ,

3

кг/дм 2,70 8,93 7,87 11,37 8,90

Материал Углеродистая сталь Коррозионностойкая сталь Олово Титановый сплав ВТ5 Пермендюр

с l, м/c 5150 4650 2730 4750 5100

ρ,

кг/дм3 7,80 8,00 7,29 4,55 8,29

Скорость сl следует отличать от ранее рассмотренной скорости q колебания среды около положения равновесия при распространении ультразвуковой волны. Амплитуда скорости q на несколько порядков меньше (сl << q). В однородной изотропной бесконечно протяженной твердой среде могут распространяться упругие продольные и поперечные (сдвиговые) волны. В продольных волнах движение частиц параллельно направлению распростране-

Глава 1

16

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Направление распространения волны

а) Направление смещения частиц Направление распространения волны

ния волны (рис. 5, а), а деформация представляет собой комбинацию всестороннего сжатия (растяжения) и чистого сдвига. В сдвиговых волнах движение частиц перпендикулярно направлению распространения волны, а деформация является чистым сдвигом. В безграничной среде распространяются продольные и сдвиговые плоские сферические и цилиндрические волны. Фазовая скорость продольных волн в неограниченной твердой среде (17) сl = (k + 1,33µ ) ρ . Скорость распространения сдвиговых

б) Направление смещения частиц

волн сt = µ ρ ,

(18)

где µ – модуль сдвига, Па. Величины фазовых скоростей продольных и сдвиговых волн для разных сред колеблются от сотен м/с до десятков км/с. На границе твердого полупространства с газом, жидкостью или другим твердым полупространством могут распространяться упругие поверхностные волны, являющиеся комбинацией неоднородных продольных и сдвиговых волн, амплитуды которых экспоненциально убывают при удалении от границы. В ограниченных твердых волноводах с а) (пластина, стержень) распространяются нормальныес волны, каждая из которых является комбинацией нескольких продольных и сдвиговых волн, распространяющихся под углами б) к оси волновода и удовлетворяющих граничным условиям на его поверхности. Число с u в) нормальных волн п, которые могут распрои стержне, опредестраняться в пластине или Рис. 6. Волна, распростраляется их толщиной или диаметром d, частоняющаяся без изменения формы той fr и модулем упругости среды. С увели(а), меняющая свою форму при чением fr d число нормальных волн п возрасраспространении (б) и квазимонохроматическая волна (в): пунктир тает и при fr d → ∞ п → ∞ . Нормальные волны – профиль волны в начальный характеризуются дисперсией фазовой и групмомент; сплошная линия – форма повой скоростей. Групповая скорость – сковолны в некоторый последующий момент времени; с – фазовая скорость огибающей профиля квазимонохромаРис. 5. Движение частиц в продольной упругой (а) и сдвиговой (б) волне [88]

рость; и – групповая скорость [88]

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

17

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

тической волны (волна, в спектре которой представлен с заметной интенсивностью только узкий диапазон ∆R волновых чисел k. Квазимонохроматические волны изображаются синусоидой с плавно изменяющейся амплитудой и фазой, рис. 6, в). В отличие от упругих волн в неограниченных твердых телах, нормальные волны в пластинах и стержнях удовлетворяют не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхностях пластин и стержня (в большинстве случаев – отсутствие на поверхности механических напряжений). В бесконечной пластине существуют два типа нормальных волн: Лэмба волны и сдвиговые волны. Плоская волна Лэмба характеризуется двумя составляющими смещений, одна из которых параллельна направлению волны, другая перпендикулярна граням пластины. В сдвиговой плоской нормальной волне смещения параллельны граням пластины и одновременно перпендикулярны направлению распространения волны. В цилиндрических стержнях распространяются нормальные продольные, изгибные и крутильные волны. Для ультразвуковой обработки на современных УЗ станках наибольший интерес представляют продольные упругие колебания в твердых телах. Распространяющиеся в любой среде упругие волны испытывают поглощение, обусловленное вязкостью (силами внутреннего трения), теплопроводностью, а на высоких частотах и молекулярным поглощением в среде. При этом энергия звуковых волн переходит в тепловую энергию. Кроме поглощения наблюдается рассеяние звуковой энергии на упругих неоднородностях в среде, при этом рассеяние звука существенно возрастает при размерах неоднородностей, соизмеримых с длиной звуковой волны. Поглощение упругих колебаний определяется выражением Ах = А0 exp(−αx) , (19) где Ах – амплитуда упругих колебаний на расстоянии х от источника, м; А0 – амплитуда упругих колебаний в точке х = 0; α – коэффициент поглощения. Величина α для газов и жидкостей может быть определена из формулы [13] α = α ′f r2 , (20) а для твердых тел (с учетом гистерезисных потерь): α = α ′f r .

(21)

Для некоторых сред величина α ′ дана в табл. 2. В ряде случаев потери энергии из-за поглощения упругих колебаний удобнее учитывать через значения коэффициента потерь ε, значения которого для некоторых материалов приведены в табл. 3.

Глава 1

18

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

2. Коэффициент поглощения для газов, жидкостей и твердых тел [13]

α ′ ⋅10-11,

Газы Воздух Кислород Азот Углекислый газ Водород Окись азота Окись кислорода

с2/м 1,24 1,49 1,30 1,30 0,17 1,56 1,47

α ′ ⋅10-15,

Жидкости Ацетон Вода Метиловый спирт Этиловый спирт Касторовое масло Оливковое масло Льняное масло

с2/м 7,0 8,5 14,5 22,0 7980 1100 1450

Твердые тела

α ′ ⋅10-7,

Алюминий Магний Сталь вольфрамсодержащая молибденсодержащая Оконное стекло Свинцовое стекло

0,38 1,42 6,35 3,21

с2/м 0,61 1,08

3. Коэффициенты потерь ε для некоторых материалов твердых тел [7] Материал Алюминий отожженный Магний отожженный Титан

3

ε ⋅10

0,015 0,067 0,14

Материал Сталь Медь отожженная Стекло

3

ε ⋅10 0,8 1,1 2,0

Алюминий, магний, титан имеют малые потери и обладают высокими акустическими свойствами. Коэффициент потерь для сталей в десятки раз больше, чем у алюминия, но в сотни раз меньше коэффициента потерь для магнитострикционных материалов. Поэтому при соединении стального концентратора с магнитострикционным пакетом резонансная кривая акустической головки становится острее (коэффициент потерь равен среднему из этих двух звеньев). При распространении звука в среде, содержащей границы раздела и препятствия, имеют место его отражение и преломление, дифракция, интерференция и другие явления, характерные для волнового движения. В тех случаях, когда плоская звуковая волна падает на плоскую идеально ровную поверхность, имеющую размеры, соизмеримые с длиной волны, основные закономерности отражения и преломления звука аналогичны основным закономерностям геометрической оптики. Коэффициент отражения звуковых волн на границе раздела двух сред при нормальном падении волны определяется по формуле ρ с − ρ 2 с2 , (22) К отр = 1 1 ρ1с1 + ρ 2 с2 где ρ1 и ρ2 – плотности сред, кг/м3; с1 и с2 – скорости распространения звука в этих средах, м/с. Из формулы следует, что при падении звуковой волны из воздуха на твердое тело отражается практически 100 % энергии; при падении волны из воды на стальную пластину 86 % энергии будет отражено и только 14 % перейдет

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

19

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

в сталь; при распространении УЗ волн из материала магнитострикционного вибратора или инструмента в воздух отражается почти вся энергия – более 99,9 % [13]. При переходе звуковой волны из одной среды в другую происходит преломление волны. Величина угла преломления определяется по формуле sin Θ1 c1 = , (23) sin Θ1 c2 гдеΘ1, Θ2 – угол падения и угол преломления соответственно, град. Интенсивность отраженной волны при нормальном ее падении на границу раздела двух сред определяется выражением 2

 ρ c − ρ 2 c2   , (24) I = I 0  1 1 + c c ρ ρ  11 2 2 где I, I0 – соответственно интенсивность отраженной и падающей волн, Вт/м2. В науке и технике находят примемкВт нение УЗ волны широкого частотного и см2 I III энергетического диапазона [55]. УЗК 12 10 низкой интенсивности (область IV, рис. 7) широко используются в современных I 106 дефектоскопах, измерительных приборах. УЗК высокой интенсивности (обII’ ласть III, см. рис. 7) применяют для очи10-6 II IV стки деталей от масел, масляных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) 10-12 Гц 108 102 104 1 и стружки в технологических процессах f механической обработки, для воздейстРис. 7. Классификация звуковия на физико-химические процессы вых колебаний [55]: I – звуковые колебания высокой интенсивности; II – коагуляции, диспергирования, эмульгизвуковые колебания низкой интенрования, полимеризации, деполимеризасивности; II’ – область слышимых чеции, окисления, стерилизации, смягчеловеком звуков; III – УЗК высокой интенсивности; IV – УЗК низкой инния воды и т. д. [55]. Однако, несмотря тенсивности на расширяющиеся области применения, механизм воздействия высокоэнергетических УЗК на различные вещества и процессы еще нуждается в дальнейшем изучении и уточнении. Особенно это относится к теории УЗ волн большой амплитуды и к использованию модулированных УЗК в технологических процессах механической обработки. УЗК высокой интенсивности в твердых телах характеризуются большими амплитудами (порядка десятков микрометров) в отличие от низкоэнергетических колебаний (порядка нескольких ангстрем), высокими скоростями колебания частиц среды, большими ускорениями (десятки тысяч g), в ряде случаев близкими к времен-

20

Глава 1

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ному сопротивлению на разрыв. Использование модулированных колебаний с относительно медленным изменением амплитуды, частоты или фазы таким образом, чтобы за период колебаний модулированный параметр изменялся незначительно, для интенсификации технологических процессов ранее неизвестно. Между тем, разумное использование модулированных УЗ полей при механической обработке, несомненно, может способствовать достижению заданных характеристик качества обработанных поверхностей деталей машин с меньшими энергозатратами. Особенно это касается обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов в стесненных условиях.

1.3. Методы и аппаратура получения ультразвуковых колебаний 1.3.1. Ультразвуковые излучатели

При разработке и реализации любых технологических процессов, связанных с использованием УЗК для их интенсификации, одно из важнейших решений отводится на выбор метода получения УЗК заданной частоты, амплитуды и интенсивности. От того, насколько рационально будет решен этот вопрос, в большой степени зависит технологическая эффективность разработки и результаты внедрения того или иного технологического процесса. Основными элементами в получении УЗК являются УЗ преобразователи и генераторы. УЗ преобразователи – это устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую (излучатели), или наоборот, механическую энергию в электрическую (приемники). Для интенсификации технологических процессов использованием энергии УЗ поля необходимы преобразователи первого типа – ультразвуковые излучатели или вибраторы. В зависимости от формы потребляемой энергии излучатели разделяют на две основные группы: механические и электромеханические. Механические излучатели в зависимости от технологического назначения и среды, в которой происходит их эксплуатация, подразделяются на аэродинамические и гидродинамические. Аэродинамические излучатели предназначены для работы в газовых средах. Практическое применение получили в технологических аппаратах (коагуляционные установки, сушилки и пр.) в виде динамических (вращающихся) и статических (свистковых) сирен. В гидродинамических излучателях акустические колебания возникают в результате резонансных колебаний пластины или стержня от упругой струи жидкости, вытекающей из сопла (пластинчатые и стержневые излучатели), или в результате срыва вихрей и образования звуковых волн за счет импульсов давления, возникающих при захлопывании кавитационных пузырьков (вихревые излучатели), а также в результате возникновения пульсаций давления при вра-

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

21

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

щении ротора и быстром чередовании совмещений и несовмещений щелей (прорезей) или отверстий статора и ротора (роторные излучатели). Гидродинамические излучатели получили широкое применение в установках для интенсификации процессов гомогенизации (смешивания), эмульгирования и др. Электромеханические излучатели по принципу действия делятся на электромагнитные, электродинамические, магнитострикционные и пьезокерамические (пьезоэлектрические). С помощью электромеханических излучателей можно создавать механические колебания в пределах от десятков герц до сотен мегагерц. Однако колебания УЗ диапазона способны генерировать только магнитострикционные и пьезокерамические излучатели. Магнитострикционные излучатели известны с 1887 г., когда Джоуль заметил, что если стержень из ферромагнитного материала поместить в направленное вдоль него магнитное поле, геометрические размеры стержня изменяются. Это явление было названо магнитострикционным эффектом. При этом независимо от вектора направленности магнитного поля, но в зависимости от материала стержня он будет либо удлиняться, либо укорачиваться. Каждому полупериоду изменения магнитного поля соответствует пропорциональное изменение длины (∆l) стержня. Поэтому одному периоду изменения магнитного поля будут соответствовать два периодических изменения длины стержня, то есть частота колебаний стержня будет в два раза выше частоты переменного магнитного поля. Величину ∆l можно определить по формуле ∆l = l

λs

(25) B, E где ∆l – амплитуда колебаний, м; l – длина стержня, м; λs – магнитострикционная постоянная, А/(м⋅Па); В – магнитная индукция, Т. Магнитострикционный эффект объясняется следующим образом [96]. В ферромагнетиках существуют элементарные магнитные диполи, которые отличаются от диполей неферромагнитных материалов. Как и все материалы, ферромагнетики состоят из малых однородных кристаллов, расположенных очень плотно, кристаллографические оси которых ориентированы беспорядочно. Отдельные кристаллы объединяются в домены, состоящие из большого числа кристаллов и образующие элементарный диполь. В домене атомные магнитные моменты ориентированы в одном направлении, совпадающем с направлением наилегчайшего намагничивания и соответствующим минимуму потенциальной энергии, складывающейся из энергии кристалла и энергии упругих напряжений. Энергия кристалла минимальна в направлениях его кристаллографических осей, вдоль которых могут быть ориентированы магнитные моменты (для

22

Глава 1

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

железа в шести, для никеля в восьми направлениях) под действием внешнего магнитного поля. Большинство доменов ориентируются в тех из направлений, которые образуют наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля. При изменениях ориентации магнитных моментов в отдельных доменах изменяется и кристаллическая решетка в них. Большое количество микроскопических деформаций, направленных в одну сторону, приводит к изменению длины, которое и представляет явление магнитострикции. Для того чтобы частота колебаний излучателя была равна частоте возбуждающего тока, в обмотку излучателя подводят постоянное напряжение, называемое напряжением поляризации. При наличии поляризации амплитуда деформации Апол (рис. 8) во много раз больше при той же амплитуде переменной магнитной индукции В. Соотношение амплитуды переменной деформации поляризованРис. 8. Временная зависимость относительного удлиненого Апол и неполяризованного Анеп излучатения ферромагнита: 1 – при отля может быть определено по формуле сутствии поляризации; 2 – при Апол В наличии поляризации [96] =4 0 . (26) Анеп В Однако линейная зависимость между переменной индукцией и переменной деформацией существует только до определенного предела. В некоторый момент увеличение индукции не приводит к заметному приращению деформации (см. рис. 8). Подмагничивание магнитострикционных излучателей постоянным магнитным полем, как правило, осуществляется постоянным током, подаваемым в отдельную обмотку возбуждения. Для подмагничивания магнитострикционных излучателей малой и средней мощности иногда применяют постоянные магниты, между полюсами которых устанавливают магнитострикционный излучатель. В технике применяются три основных типа магнитострикционных излучателей: стержневые, плоские пакетные и кольцевые. Наибольшее применение находят плоские пакетные и кольцевые излучатели. Среди различных магнитострикционных материалов наибольшее применение в промышленности нашли никель, сплавы железа с алюминием (Альфер 12Ю, Альфер 14Ю), железа с кобальтом (Пермендюр 65К), железа с кобальтом и ванадием (Пермендюр 49КФ2, 49КФ), никеля с алюминием, никеля с кобальтом, железа с никелем. В 1951 г. академик Н.Н. Андреев предложил использовать в качестве магнитострикционных материалов ферриты. Сравнительная дешевизна и простота изготовления делает применение ферритовых магнитострикционных преобразователей весьма перспективным. Свойства ферритов (Феррит Ф-21,

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

23

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Феррит Ф-38, Феррит Ф-41, Феррит Ф-42, Феррит 21СПА, Виброкс I, Виброкс II, Феррокскуб 7А, Феррокскуб 7А2, Феррокскуб 7В) в основном зависят от составляющих (окислы железа, цинка, закись никеля). Ферриты устойчивы против коррозии, имеют значительно меньшую зависимость частоты от температуры, обладают значительным магнитострикционным эффектом, близким к никелю. У ферритов электрическое сопротивление в 108 – 1010 раз больше, чем у металлов, поэтому потери на вихревые токи в них практически отсутствуют. Однако у ферритов есть недостаток – малая механическая прочность, что не допускает их перегрузок при работе в колебательных системах большой мощности. Механические напряжения, возникающие в материале, приводят к образованию трещин, а затем и к разрушению ферритового сердечника излучателя. Отечественной промышленностью выпускаются магнитострикционные преобразователи ПМС-7, ПМС-11, ПМС-15, ПМС-24, ПМС-27, ПМС-39, ПМС-51 и др., предназначенные для работы в различных УЗ технологических установках. Магнитострикционные преобразователи используют в сочетании с а) б) пассивными металлическими элементами – диафрагмами (рис. 9, а) и стержневыми конРис. 9. Магнитострикционные преобразователи: а – центраторами (рис. 9, б). Излучатели на основе для УЗ ванн; б – для УЗ инстмагнитострикционных преобразователей с рументов [89] диафрагмами широко используют в ваннах УЗ очистки, в устройствах для воздействия УЗК на различные процессы, протекающие в жидкой среде. Магнитострикционные преобразователи со стержневыми концентраторами составляют основу УЗ инструментов для механической обработки, сварки и т. п. Магнитострикционные преобразователи из металлических материалов обладают КПД ~ 50 %, из ферритов, благодаря отсутствию потерь на токи Фуко и высокой механической добротности ~ 70 – 80 %. При работе с малой нагрузкой (например, в УЗ инструментах) ограничивающим фактором является механическая прочность магнитострикционного материала. Так, у ферритовых излучателей в отсутствие нагрузки амплитуда колебаний ограничивается величиной ~ 2 мкм на частотах 20 – 40 кГц, у металлических излучателей амплитуда может достигать 10 мкм и более. Высокая механическая прочность, отсутствие специальных требований к гидро- и электроизоляции сердечника являются достоинствами магнитострикционных преобразователей, определяющими в ряде случаев их преимущество перед пьезоэлектрическими преобразователями при использовании в диапазоне частот от 1 до 100 кГц в УЗ технологии. Однако магнитострикционные преобразователи отличаются большими массами и габаритными размерами, повышенным потреблением электро-

24

Глава 1

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

энергии, в связи с чем, в последние годы в промышленности все более широкое применения находят пьезоэлектрические преобразователи (излучатели). Пьезоэлектрические излучатели в основе работы имеют пьезоэлектрический эффект. Сущность его [96] состоит в том, что при определенных типах кристаллографической симметрии в результате формирования кристалла возникает прямой пьезоэлектрический эффект, когда на гранях кристалла появляются электрические заряды, пропорциональные величине деформации. Имеет место и обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в кристаллах, помещенных в электрическое поле, возникают внутренние напряжения, пропорциональные напряженности поля, при этом под действием электрических зарядов деформируется (изменяются размеры) кристалл. Под воздействием внешней силы кристаллическая решетка изменяет свое состояние. Деформация решетки, вызываемая механическим напряжением, приводит к перераспределению электрических зарядов. Однако не при любом расположении диполей в кристалле действие механической силы приводит к деформации, когда изменяется дипольный момент, то есть расстояние между центрами тяжести разноименных зарядов. Это возможно только при наличии полярных направлений, которые имеются у кристаллов, не обладающих центром симметрии. Пьезоэлектрическими свойствами обладают сегнетова соль, хлорит натрия, виннокислый калий и др. Наиболее широкое применение получил кварц (двуокись кремния SiO2). Кристалл кварца представляет собой шестигранную призму (рис. 10), к которой сверху и снизу примыкают шестигранные пирамиды. У кристалла одна неполярная ось симметрии Z (оптическая) и три полярных оси Х1, Х2, Х3 (электрические). Каждая из них соединяет противоположные, но не равнозначные ребра шестигранной призмы. Рис. 10. Кристалл кварца При рассмотрении модели структурной ячейки двуокиси кремния (рис. 11, а) можно проследить процесс возникновения пьезоэлектрического эффекта. При действии внешней силы в направлении электрической оси Х ячейка приобретает вид, изображенный на рис. 11, б. Вследствие этого на одной поверхности возникает положительный заряд, на другой – отрицательный (прямой пьезоэлектрический эффект). При подведении противоположных по знаку электрических зарядов (рис. 11, в) наблюдается растяжение или сжатие ячейки (обратный пьезоэлектрический эффект).

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

25

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Рис. 11. Принципиальная схема возникновения пьезоэлектрического эффекта в двуокиси кремния: а – нейтральное состояние ячейки; б – прямой пьезоэлектрический эффект; в – обратный пьезоэлектрический эффект [96]

Естественные пьезоэлектрические кристаллы в своем большинстве очень хрупки и не выдерживают больших механических нагрузок (кварц, хлорит натрия и др.) или имеют низкую температуру плавления (например, сегнетова соль, около 60 °С), при которой они теряют пьезоэлектрические свойства и больше не восстанавливают их. Некоторые из них хорошо растворяются в воде (сегнетова соль, хлорит натрия). Поэтому в науке и технике получили применение синтетические пьезоэлектрические материалы; титанат бария (ТБ-1), титанат бария кальция (ТБК3), титанат-цирконат свинца (ЦТС-19, ЦТС-23, ЦТБС-3, ЦТСНВ-1, РZT-5H, PZT-8 и др.). У титаната бария пьезоэлектрический эффект в 50 раз больше, чем у кварца при очень небольшой стоимости. Недостатком титаната бария являются большие механические и диэлектрические потери, что приводит его к перегреву. Кроме того, при температуре свыше 90 °С существенно снижается пьезоэлектрический эффект. В связи с этим для изготовления пьезоэлектрических преобразователей используют пьезокерамику в основном из титанат-цирконата свинца, у которой пьезоэффект вдвое больше, чем у титаната бария. Пьезокристаллы ЦТС не растворимы в воде и имеют точку Кюри до 330 °С. Пьезокерамике из синтетических материалов можно придать практически любую форму (рис. 12), а следовательно такие преобразователи могут излучать упругие колебания с одинаковой эффективностью в любом направлении. Серебряное покрытие

Серебряное покрытие

a) Серебряное покрытие Рис. 12. Пьезокерамические преобразователи: а – плоский дисковый; б – плоский квадратный; в – цилиндрический; г – сферический в)

Серебряное покрытие

б)

г)

26

Глава 1

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Пьезокерамику можно подвергать механической обработке, придавая любые формы и размеры. Преобразователь подвергается воздействию высокого напряжения в течение 2 часов, после чего оно постепенно снижается. Пьезокерамические преобразователи могут быть плоскими и фокусирующими (сферическими, цилиндрическими и др.). Для правильного выбора типа преобразователя и определения основных электрических величин, обеспечивающих его работу, производят расчет параметров, собственной частоты и толщины пьезоэлементов, напряжения, необходимого для возбуждения его на максимальную мощность. Плоские пьезокерамические излучатели представляют собой пластины прямоугольной или круглой формы, изготовленные из пьезокерамического материала. Толщина пластины l равна половине длины волны λу. В этом случае пластина будет колебаться на основной частоте. Частота колебаний пластины определяется из формулы f r = c λ y = c (2l ) . Для расчета полуволновых излучателей пользуются соотношением k , (27) d где d – толщина пьезопластины, мм; k – постоянная излучателя, кГц⋅мм. Кроме полуволновых излучателей известны четвертьволновые и многослойные излучатели. Четвертьволновой излучатель представляет собой систему, состоящую из двух жестко соединенных пластин, одна из которых изготовлена из пьезокерамики и имеет толщину l = λ у 4 = c (4 f 0 ) , а вторая – из металла толщиной fr =

l1 = λ1 4 = c1 ( 4 f 0 ) , где f0 – собственная частота, Гц; λ1 и с1 – соответственно длина волны, м, и скорость распространения ультразвука, м/с, в используемом металле. Многослойный излучатель состоит из тонкой пьезокерамичесой пластинки и двух металлических накладок. Собственная частота такого преобразователя зависит от размеров отдельных элементов многослойного излучателя и может быть определена при одинаковой толщине накладок, изготовленных из одного материала, из следующей зависимости [13]: 2πf 0 l ρ1c1S1 2πf 0l tg ctg = , (28) c 2 ρcS c1 где ρ – плотность материала пластины, кг/м3; S – площадь поперечного сечения пластины, перпендикулярного направлению излучения, м2; индекс 1 относится к величинам, характеризующим накладки. В последние годы широко используются в науке и технике составные пакетные излучатели, которые состоят из чередующихся в следующей последова-

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

27

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

тельности элементов: металлическая накладка; пьезопластина; накладка; пьезопластина; накладка. Таким образом, пьезопластины не находятся в середине системы в пучности деформаций. Средняя накладка, разделяющая пьезопластины может иметь небольшую величину. Тогда длина излучателя оказывается заметно меньше, чем λ 2 = с1 (2 f r ) . Для уменьшения напряжения на излучателе пьезоэлемент может набираться из двух и более пластин толщиной h = l / 2. В этом случае обе накладки заземляются, а напряжение подается на накладку между пьезоэлементами. При этом полное сопротивление излучателя уменьшается примерно в 4 раза, а напряжение – в 2 раза. Конструктивный расчет пакетного излучателя с двойным пьезоэлементом можно проводить без больших погрешностей, принимая l = 2h . Интенсивность УЗК, излучаемых полуволновым или четвертьволновым излучателем при одностороннем излучении, в общем виде может быть определена из выражения [1] 2 2 Wак 1 2 k iU э2 Е 2 d зз η ам I= = ξ ( ρ с) ср = , (29) 2 S 9 ⋅10 7 ( ρ с) ср l 2 где Wак – полная акустическая мощность излучателя, Вт; ( ρ с) ср – удельное акустическое сопротивление озвучиваемой среды, Па⋅с/м; ξ – амплитудное значение колебательной скорости поверхности излучателя, м; ki – числовой коэффициент, равный для полуволнового излучателя 4 и для четвертьволнового излучателя 1; Uэ – эффективное значение возбуждающего напряжения, В; dзз – толщинный пьезомодуль, м0,5⋅ с⋅ кг-0,5; ηам – акустико-механический коэффициент полезного действия (КПД) излучателя. При работе с многослойным излучателем при одностороннем излучении интенсивность определяется по формуле [13] I=

2 2πd зз ( ρ1с1 ) 2

( ρ с) ср

⋅

2 f 02 l 2U э2 Е 2η ам

 π f lρ l с  1 +  0 21 1 1   ρc S   

2

.

(30)

УЗ волны от плоского излучателя распространяются в виде параллельного пучка. Однако на некотором расстоянии lп от излучателя этот пучок начинает расширяться. Это расстояние определяется из выражения [13] D2 . lп = 4π Угол расхождения УЗ лучей определяется формулой [13]

(31)

28

Глава 1

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

sin α = 1,2

λу

, (32) D где D – диаметр пьезопластины, м (см. рис. 12); α – половина угла расхождения УЗ пучка, град. С помощью пьезокерамических излучателей можно получить относительно небольшие интенсивности УЗК (обычно до 100 Вт/см2), так как амплитуды колебаний свыше 10 – 15 мкм ограничены механической и электрической прочностью материала керамики. Наибольшая интенсивность для плоских излучателей наблюдается у поверхности. По мере удаления от поверхности интенсивность быстро падает из-за поглощения. Фокусирующие излучатели позволяют легко получать акустические поля интенсивностью до нескольких кВт/см2. Фокусирование осуществляется или за счет придания излучателю специальных форм (см. рис. 12), или с помощью акустических линз и зеркал (рис. 13). Преимуществом фокусирующих излучателей является и то, что при больших интенсивностях на поверхностях преобразователя, работающих в жидкостях, не возникает кавитация, так как повышенная интенсивность создается в фокальной области, вдали от излучающей поверхности. Рис. 13. Схемы фокусирования ультразвука линзами и зеркалами

Фокусирующие излучатели применяют трех видов: сферические (рис. 14, а), представляющие собой часть сферической поверхности; корытообразные (рис. 14, б) или незамкнутые цилиндрические; трубчатые (рис. 14, в) или замкнутые цилиндрические. Первый вид позволяет получить большую концентрацию акустической энергии в небольшом объеме. Корытообразные излучатели дают меньшее фокусирование энергии, но зона концентрации у них вытянута по оси корыта. Это удобно для технологических процессов, построенных по принципу непрерывного движения, когда обрабатываемая заготовка перемещается вдоль оси излучателя (например, при мойке). Трубчатые излучатели удобны, например, для бактерицидной обработки СОЖ, эмульгирования, гомогенизации и т. п. Рис. 14. Керамические фокусирующие излучатели: а – сферический; б – корытообразный; в – трубчатый

Сферические и корытообразные излучатели из пьезокерамики работают на толщинном резонансе [23]. В большинстве случаев можно считать, что длина волны очень мала по сравнению с радиусом кривизны излучателя (λy << r),

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

29

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

поэтому небольшие участки поверхности излучателя можно рассматривать как плоские. Следовательно, резонансная толщина излучателя будет равна длине полуволны d p = λ у 2 или f r d p = c 2 . Трубчатые излучатели работают как на толщинном резонансе, так и на радиальном (окружном). В первом случае, кроме формы они ничем не отличаются от корытообразных и расчет собственной частоты производится так же. Излучатели с использованием радиального резонанса работают на принципе использования волн Юнга, распространяющихся по окружности цилиндра. Условием резонанса для тонкостенного цилиндра будет [96] dp   c  = λ у = ю , 2π  r + (33) 2  fr  где r – внутренний радиус излучателя, м; dp – радиальная толщина кольца, м; сю – скорость распространения волн Юнга, равная Е ρ , м/c. Для удобства расчетов данное выражение можно представить в виде d p  cю   = . (34) f r  r + 2   2π Более подробные расчеты фокусирующих пьезокерамических излучателей приведены в [23]. Линзы, используемые для фокусирования звуковых волн, распространяющихся в жидкости, могут быть сделаны из самых различных жидкостей или твердых материалов: пластмасс, металлов и т. п. Звуковые твердые линзы из пластмасс могут применяться только до интенсивностей не более 1 Вт/см2 и на частотах до 2 МГц. При больших интенсивностях и на более высоких частотах используются металлические линзы. Поскольку на границе металлической линзы в жидкости коэффициент отражения достигает 0,8–0,9, с целью его уменьшения рабочие поверхности линзы покрывают «просветляющими» слоями, например, из бакелитового лака, который на алюминиевые линзы наносят с двух сторон. При этом количество энергии, проходящей через просветленную линзу, существенно увеличивается. Фокусное расстояние F двояковогнутой линзы можно определить по формуле [13] nr1r2 F= . (35) (n − 1)[dT (n − 1) + nr1 + nr2 ] где п – показатель преломления, равный с1/с2; с1 – скорость звука в среде, м/с; с2 – скорость звука в линзе, м/с; dT – толщина линзы по главной оси, м; r1 и r2 – радиусы кривизны линзы (радиус имеет знак плюс, если соответствующая поверхность обращена выпуклостью к падающему лучу).

30

Глава 1

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Известны примеры фокусирования УЗ пучка путем применения вогнутого зеркала. В этом случае в фокальном пятне получается значительная интенсивность ультразвука. 1.3.2. Ультразвуковые генераторы

Для питания излучателей электрической энергией необходимы УЗ генераторы. К УЗ генераторам предъявляются следующие основные требования: стабильность частоты; возможность плавного регулирования частоты (для УЗ генераторов, используемых в исследовательских целях, в достаточно широком диапазоне); возможность регулирования выходной мощности в заданном диапазоне, кривая выходного напряжения генератора должна иметь синусоидальный характер; надежность в работе; небольшие габаритные размеры; малую себестоимость изготовления и эксплуатации. Использование в качестве нагрузки различных типов излучателей обусловливает ряд особенностей, отличающих генераторы для получения УЗК. При выборе принципиальной электрической схемы возникают противоречия между стремлением, с одной стороны, получить высокий КПД, простоту и малую себестоимость, с другой – обеспечить стабильность частоты, отдаваемой мощности и осуществление простыми средствами согласования нагрузки с выходом генератора. Для выполнения определенных функций и конкретных технологических операций применяются УЗ генераторы с весьма малым диапазоном поднастройки, например, 18 – 25 кГц. Генераторы УЗ частоты, рассчитанные на более широкий диапазон рабочих частот, выполняются, как правило, по многокаскадным схемам с независимым задающим генератором и имеют ряд дополнительных регулирующих органов и измерительных устройств. КПД таких устройств ниже, а габаритные размеры больше, чем у генераторов, имеющих более узкий частотный диапазон. Промышленностью разработаны и выпускаются УЗ генераторы различной мощности в зависимости от их назначения. По этому признаку УЗ генераторы можно разделить на генераторы малой мощности (50 – 600 Вт), средней и большой (более 1 кВт) мощности. Современные промышленные предприятия наибольшее предпочтение отдают малогабаритной и экономичной УЗ аппаратуре с питающим генератором на современной элементной базе мощностью 50 – 600 Вт. В качестве основных источников УЗК малой мощности до настоящего времени широко использовали генераторы серии УЗУ (УЗУ-01, УЗУ-025, УЗУ-025М) и серии УЗГ (УЗГ13-0,1/22, УЗГ14-0,16/22, УЗГ7-0,25/22,), опыт эксплуатации которых свидетельствует об их надежности и конкурентоспособности. Однако форма электрического сигнала УЗ частоты, вырабатываемого этими генераторами, близка к прямоугольной и при значительной амплитуде

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

31

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

выходного электрического сигнала амплитуда колебаний насадка не превышает 5 мкм, т. е. генераторы имеют низкий КПД. Кроме того, промышленно выпускаемые генераторы данной серии имеют низкую надежность, так как при коротких замыканиях в цепи нагрузки выходят из строя транзисторы выходного каскада, а в некоторых случаях – все транзисторы усилителя мощности. Как показала практика эксплуатации этих генераторов, плавкая вставка, установленная в цепи питания транзисторов выходного каскада усилителя мощности, не является эффективным средством защиты от выхода из строя этих транзисторов при коротком замыкании в цепи нагрузки. К тому же несовременная элементная база обусловливает их большую массу (около 20 кг) и сравнительно большие габаритные размеры (400×450×280 мм). Все это привело к необходимости разработки нового УЗ генератора, лишенного указанных недостатков. На рис. 15 (см. на вклейке) представлена принципиальная схема нового УЗ генератора ТЕХМА-01, разработанного в Ульяновском государственном техническом университете. УЗ генератор состоит из пяти модулей: Схема УЗ генератора состоит из пяти модулей: А1 – модуль предварительного усилителя мощности, А2 – модуль стабилизатора, А3 – модуль выпрямителя, А4 – двухканальный усилитель мощности, А5 – модуль выходной. Модуль предварительного усилителя мощности (предварительный генератор) состоит из генератора прямоугольных и треугольных импульсов, собранного на микросхемах DA1 и DA2. На микросхеме DA3 собран квазирезонансный фильтр. Генератор пилообразного напряжения вырабатывает импульсы треугольной формы частотой 19 ± 0,5 кГц и состоит из компаратора напряжений DA1 и собственно интегратора DA2. Частота колебаний определяется емкостью подстроечного конденсатора С1, с помощью которого имеется возможность настройки механических колебаний волновода на резонансную частоту. Квазирезонансный фильтр DA3 выделяет из пилообразного напряжения синусоидальный сигнал. Через разделительный конденсатор С4 напряжение синусоидальной формы поступает на предварительный усилитель мощности DA4, созданный на микросхеме К174УН7. Усиленный по мощности синусоидальный сигнал поступает на оконечный усилитель мощности. Питается предварительный генератор напряжением + 12 В от стабилизатора напряжения А2. Усилитель мощности питается постоянным не стабилизированным напряжением ± 30 В, поступающим с выпрямителя А3. Усилитель мощности А4 построен по классической схеме двухтактного усилителя мощности. Для подавления синфазных помех на входе усилителя стоит дифференциальный каскад на транзисторах VT1 и VT7. Динамической нагрузкой дифференциального каскада являются транзисторы VT2 и VT5, VT3 и VT6. Ток дифференциального каскада задает транзисторная пара VT4, VT8.

Глава 1

32

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

На транзисторах VT9, VT10, VT15 собран узел защиты усилителя от перегрузок. Транзисторы VT13, VT14 и VT16, VT17 являются плечами предварительного каскада усиления. На транзисторе VT11 собрана схема задачи тока покоя усилителя. Ток покоя регулируется потенциометром R20. Внешние транзисторы VT1 и VT2 устанавливают на радиаторы. Эти транзисторы корректируют температурный дрейф нуля усилителя, а транзисторы VT3–VT10 усиливают сигнал по мощности. На выходе генератора стоят импульсные трансформаторы, которые увеличивают амплитуду синусоидального сигнала до 400 В. Для подключения двух волноводов, генератор имеет два идентичных, работающих независимо друг от друга, канала (УЗ генератор ТЕХМА-02). Технические характеристики серийного генератора УЗУ-025 и нового генератора ТЕХМА-01 представлены в табл. 4. 4. Технические характеристики УЗ генераторов УЗУ-025 и ТЕХМА-01 Наименование параметра Питание от сети переменного тока с номинальным напряжением, В Частота тока, Гц Потребляемая мощность, Вт Форма выходного сигнала Мощность выходная, Вт Частота рабочая, кГц Амплитуда колебаний УЗ волновода, мкм Габаритные размеры, мм Масса, кг

Выходное значение параметра УЗУ-025 ТЕХМА-01 220 ± 10 % 220 ± 10 % 50 ± 1 50 ± 1 250 100 прямоугольная синусоидальная 80 50 18,6 19,0 ± 7,5 % 5 5 – 10 400×450×280 345×240×125 19,8 9,0

В настоящее время на основе принципиальной схемы, показанной на рис. 15 (см. на вклейке), изготовлено более 40 генераторов ТЕХМА-01 и ТЕХМА-02 (последний отличается наличием автономных выходов на два УЗ волновода). Таким образом, новый генератор отличается от промышленно выпускаемых современной элементной базой, синусоидальной формой выходного напряжения (что позволяет, кроме вышеупомянутого, при меньшей мощности выходного сигнала получить большую амплитуду колебаний волноводов), наличием электронной защиты от возможных коротких замыканий в цепи нагрузки и существенно меньшими габаритными размерами и массой. Новые генераторы ТЕХМА-03 и ТЕХМА-04 предназначены для использования в технологических процессах, соответственно, частотно- и амплитудномодулированных колебаний волновода. Принципиальная схема УЗ генератора ТЕХМА-03 представлена на рис. 16 (см. на вклейке), генератора ТЕХМА-04 – на рис. 17 (см. на вклейке).

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

33

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

УЗ генератор ТЕХМА-03 с частотной модуляцией выходного сигнала вырабатывает электрические колебания синусоидальной формы частотой от 18,5 до 38,0 кГц и амплитудой напряжения до 200 В. Как и в ранее разработанных генераторах ТЕХМА-01 и ТЕХМА-02 нагрузкой являются пьезокерамические кольца, расположенные в волноводах, используемых для различных технологических целей. УЗ генератор (см. рис. 16) состоит из блока питания, задающего генератора, собранного совместно с модулирующим генератором, усилителя мощности на микросхеме и выходного блока с импульсным трансформатором. Блок питания выдает два напряжения ± 35 В для усилителя мощности и два напряжения ± 3,5 В и – 5 В для питания задающего генератора. Напряжения ± 35 В постоянные, нестабилизированные, но с очень малым уровнем пульсаций. Напряжения ± 3,5 В и – 5 В постоянные стабилизированные. Напряжение ± 3,5 В регулируется с целью уменьшения искажения синусоидального сигнала, напряжение – 5 В вырабатывает параметрический стабилизатор без регулирования уровня напряжения. Задающий генератор собран на микросхеме МАХ038СРР и модулирующем генераторе на микросхеме К561ЛН2. При этом конденсатор С2 является частотозадающим. С помощью потенциометра R3 осуществляется подстройка частоты. С резисторов R1 и R2 снимается код выхода микросхемы DA1 (гармонический сигнал). На вход микросхемы DA1 поступают прямоугольные импульсы для частотной модуляции. На микромодуле DA2 собран усилитель мощности. Учитывая его мощность (до 150 Вт), обязательна установка микромодуля на радиатор с эффективной площадью охлаждения не менее 200 см2. Цепь R11, R12, R13, С7 и С8 предназначена для фильтрации входного сигнала и осуществляет гальваническую развязку по постоянной составляющей между выходом задающего генератора и входом усилителя мощности. Цепь С10, R14, С18, С19 осуществляет частотную коррекцию, а элементы С11, С16, С15 и С20 фильтруют питающие напряжения. Резисторы R21, R22, R23 и R24 являются эмиттерными нагрузками выходных транзисторов микромодуля DA2. От соотношения номиналов резисторов в цепи обратной связи между выходом и входом R17 и R18 зависит коэффициент усиления усилителя мощности по напряжению. Выходные элементы L1, R25 и R26 осуществляют частотную коррекцию выходного сигнала. Выходной блок включает в себя импульсный трансформатор, собранный с использованием ферритовых колец МН2000. Электромагнитное реле коммутирует выходной сигнал и включается с задержкой на 10 – 15 с для устранения переходных процессов в момент включения питания сети (220 В). Импульсный трансформатор повышает амплитуду напряжения выходного сигнала до 200 В для эффективной «раскачки» пьезоэлектрических колец.

34

Глава 1

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Амплитудная модуляция механических колебаний волновода может быть осуществлена с использованием УЗ генератора ТЕХМА-04 (см. рис. 17). Генератор с амплитудной модуляцией ТЕХМА-04 состоит из следующих основных блоков: 1) генератор задающий с предварительным усилителем и амплитудной модуляцией; 2) генератора задающего с предварительным усилителем; 3) платы питания 1; 4) платы питания 2; 5) усилителя оконечного; 6) модуля выходного. Генератор задающий с предварительным усилителем и амплитудной модуляцией состоит из генератора на микросхемах DA1 и DA2, фильтра на микросхеме DA3, модулирующего генератора на микросхеме DD1, токового ключа на микросхеме DD2 и усилителя мощности синусоидального сигнала на микросхеме DA4. Релаксационный генератор на микросхемах DA1 и DA2 вырабатывает прямоугольные (с выхода DA1) и треугольные (с выхода DA2) импульсы. Конденсатор С1 регулирует частоту колебаний. Фильтр на микросхеме DА3 выделяет основную гармонику из треугольных колебаний. Генератор на микросхеме DD1 вырабатывает прямоугольные импульсы для амплитудной модуляции частотой 1000 Гц, которые поступают на токовый ключ на микросхеме DD2. Туда же через разделительный конденсатор поступают синусоидальные колебания частотой 19000 ± 500 Гц. Промодулированный по амплитуде синусоидальный сигнал поступает на предварительный усилитель мощности на микросхеме DA4 и далее на выход. Глубина модуляции 100 %. Тумблер SB1 служит для отключения режима амплитудной модуляции. Генератор задающий с предварительным усилителем аналогичен предыдущему генератору с отличием лишь в отсутствии схемы для амплитудной модуляции. Плата питания 1 состоит из выпрямителя на микросборке DA1 и параметрического стабилизатора на микросхеме DA2 и транзистора VT1 и вырабатывает напряжение + 15 В 100 мА. Плата питания 2 состоит из выпрямителя на диодах VD1–VD4 и сглаживающего фильтра на конденсаторах С1–С10. Вырабатывает два напряжения питания + 30 В и – 30 В с общей точкой и током 2,5 А для питания усилителя оконечного и выходного модуля. Усилитель оконечный заимствован из стереоусилителя «Кумир». Он собран на транзисторах. Входной каскад собран по схеме дифференциального усилителя с динамическими нагрузками. Второй и третий каскады собраны по каскадной схеме усилителей постоянного тока. Для термокомпенсации тока покоя используются транзисторы VT1 и VT2. Оба канала усилителя охвачены глубокой отрицательной обратной связью по напряжению. Модуль выходной состоит из двух импульсных трансформаторов для увеличения в 10 раз размаха выходного синусоидального сигнала и схемы под-

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

35

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ключения нагрузки по реле KV1 и KV2 и транзистора VT1, которые позволяют избежать переходных процессов при включении питания.

1.4. Выводы

Анализ отечественной и зарубежной литературы, изучение технологии механической обработки с применением УЗК для интенсификации процессов резания на предприятиях авиационной, автотракторной и энергомашиностроительной промышленности позволяют сделать следующие выводы: 1) Накоплен обширный теоретико-экспериментальный материал и, в основном, разработаны физические основы распространения УЗ волн. Большинство закономерностей, характерных для звуковых колебаний, справедливо и для ультразвуковых. 2) Несмотря на расширяющиеся области применения, механизм воздействия высокоэнергетических УЗК на различные процессы еще нуждается в дальнейшем изучении и уточнении. Особенно это относится к теории УЗ волн большой амплитуды (свыше 5 мкм) и к использованию модулированных УЗК в технологических процессах механической обработки. 3) Для интенсификации технологических процессов механической обработки заготовок в наибольшей степени применяются электромеханические излучатели УЗК, из которых большие перспективы имеют пьезоэлектрические излучатели с использованием пьезокерамических синтетических материалов в силу меньших габаритных размеров, потребляемой мощности и себестоимости изготовления. 4) Пьезокерамике из синтетических материалов можно придать практически любую форму, а следовательно такие излучатели могут излучать упругие колебания с одинаковой эффективностью в любом направлении. 5) Фокусирующие пьезоэлектрические излучатели позволяют получать УЗ поля, интенсивность которых достигает нескольких кВт/см2. 6) Для питания пьезоэлектрических излучателей разработана гамма УЗ генераторов различной мощности в зависимости от их назначения, в том числе и с частотно- и амплитудно-модулированным сигналом (соответственно ТЕХМА-03 и ТЕХМА-04; изготовитель – Ульяновский государственный технический университет).

36 –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Глава 2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЗАГОТОВОК ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ 2.1. Основные методы использования ультразвуковых колебаний в технологических процессах механической обработки заготовок Применение УЗК в технологических процессах механической обработки заготовок из различных материалов имеет несколько основных направлений: обработка заготовок из твердых хрупких материалов с целью получения отверстий различной конфигурации, пайка и лужение заготовок; сварка заготовок из различных металлов и полимерных материалов; ультразвуковая дефектоскопия; очистка заготовок и готовых деталей от загрязнений и снятие заусенцев с заготовок; интенсификация процессов обработки заготовок давлением (прокатка, волочение, протяжка и др.); повышение качества металлов и сплавов при их кристаллизации, дегазации расплавов металлов и сплавов, термической обработки заготовок, при интенсификации диспергирования порошковых материалов и прессовании порошков в порошковой металлургии и др.; интенсификация процессов размерной механической обработки заготовок (резанием, шлифованием, поверхностно-пластическим деформированием и др.). Учитывая наличие достаточно большого числа публикаций [7, 13, 23, 55, 87, 94], в данной работе основное внимание уделено новым малоэнергетическим методам интенсификации технологических процессов размерной механической обработки заготовок. На рис. 18 приведены основные схемы выполнения различных операций УЗ обработки заготовок существующими методами [13]. Анализ данных схем показывает, что все они включают наложение УЗК либо на инструмент вдоль его оси (см. рис. 18, а, б, г, и, к), либо на заготовку (см. рис. 18, е, ж), либо одновременно на инструмент вдоль его оси и заготовку (см. рис. 18, в, д, з, н). Только для схемы (рис. 18, л) предполагают наложение УЗК в радиальном направлении к оси инструмента. Очевидно, что за исключением последнего случая, во всех остальных схемах реализация УЗ размерной обработки связана либо с использованием специального технологического оборудования, оснащенного мощной УЗ аппаратурой для наложения УЗК на шпиндель станка, либо с коренной его модернизацией. Существенно меньшие энергозатраты потребуются для осуществления УЗ резьбонарезания по схемам рис. 18, л, м, что объясняется малой радиальной жесткостью инструмента. К тому же конструктивно проще выполнить наложение УЗК на метчик именно в радиальном направлении, особенно по схеме, представленной на рис. 18, л, когда инструмент не вращается.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… 37

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Рис. 18. Основные схемы выполнения технологических операций УЗ размерной обработки заготовок [13]: а – прорезание пазов; б – вырезание дисков; в – обработка заготовок сложного фасонного контура; г – точение; д – плоское шлифование торцом круга; е – внутреннее планетарное шлифование; ж – прорезание паза и разрезание вращающимся дисковым инструментом; з – разрезание многолезвийным ленточным инструментом; и – разрезание дисковым излучателем; к – нарезание наружной резьбы гребенкой; л, м – нарезание внутренней резьбы; н – обработка эллиптического отверстия

При УЗ размерной обработке по схемам на рис. 18, а, б, в, и, н разрушение хрупкого обрабатываемого материала заготовок происходит главным образом в результате ударного воздействия инструмента на частицы абразива. Колеблющийся инструмент играет роль молота, ударяющего с УЗ частотой по абразивным зернам (а.з.), находящимся между инструментом и заготовкой, и выкалывающего небольшие частицы материала заготовки. При этом, согласно гидродинамической гипотезе [5], разрушение материала заготовки наступает под влиянием резких кратковременных импульсов высокого давления, вызван-

38

Глава 2

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ных УЗК, которые возникают при взрыве мельчайших кавитационных газовых пузырьков. При этом существенно ослабевает контактная прочность кристаллов металла заготовки и самих зерен. Отрыв частиц, контактная прочность которых ослабла, достигается наличием переменных давлений в зоне эрозии от вакуума до избыточного. Импульсы давления через твердые частицы абразива, воздействуя на поверхность заготовки, облегчают ее разрушение. При изготовлении деталей из вязких материалов (основная группа конструкционных материалов) перспективным направлением использования УЗК является интенсификация обычных технологических процессов механической обработки, когда наряду с основными движениями, предусмотренными кинематической схемой процесса, формообразующему инструменту и (или) заготовке дополнительно сообщаются УЗК (см. рис. 18, г, д, е, ж, з, к, л, м). У истоков данного метода обработки был А. И. Марков [55], предложивший в 1956 году способ резания металлов с наложением на инструмент УЗК. Большой вклад в разработку теоретических основ данного метода УЗ механической обработки внесли труды В. Н. Подураева [73, 74] и М. С. Нерубая [58 – 61], а также японского исследователя Д. Кумабэ [49]. Известно, что в зонах контактного взаимодействия формообразующего инструмента с заготовкой, как правило, всегда находится СОЖ, воздействие УЗ поля на которую вызывает кавитацию. Использование кавитации, возбуждаемой ультразвуком, для гидроочистки рабочей поверхности шлифовального круга было впервые предложено в СССР А.М. Федотовым [1]. Принципиальная схема этого способа представлена на рис. 19. Интенсивная кавитация, возникающая в СОЖ Рис. 19. Принципиальная схема УЗ очистки на рабочей поверхности абразивного круга, обесшлифовального круга [1]: печивает хорошую гидроочистку и смазку его зе1 – шлифовальный круг; 2 – рен и пор. В результате при обработке уменьшамагнитострикционный излучатель; 3 – волновод ется контактная температура, высотные параметры шероховатости и увеличивается период стойкости шлифовального круга. Эта идея использована в США фирмой «Шеффилд», которая выпустила специальные УЗ установки «Ever grind» (вечное шлифование), устанавливаемые на обычных шлифовальных станках [55]. Дальнейшие исследования эффективности УЗ гидроочистки шлифовальных кругов были продолжены работами научной школы Ульяновского государственного технического университета [45, 65, 66, 90 и др.].

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… 39

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Использование кавитации СОЖ для интенсификации процессов механической обработки возможно не только при шлифовании, но и при обработке отверстий осевым инструментом (сверление, развертывание, зенкерование, резьбонарезание, протягивание), а также при обработке различных поверхностей заготовок другими методами с применением СОЖ. Учитывая, что для возбуждения кавитации в ограниченном объеме жидкости, находящемся в зоне контакта инструмента с заготовкой, требуется небольшое количество энергии УЗ поля, на наш взгляд, данный метод использования УЗК для интенсификации технологических процессов механической обработки имеет хорошие перспективы. Таким образом, учитывая вышеупомянутое, в дальнейшем основное внимание в настоящей работе будет уделено двум направлениям использования УЗК в процессах механической обработки: наложению УЗК на формообразующий инструмент или заготовку и на СОЖ, подаваемую в зону контакта инструмента с заготовкой.

2.2. Механизм воздействия ультразвуковых колебаний на режущий инструмент или заготовку при обработке резанием*) В настоящее время является общеизвестным, что даже при очень больших давлениях действительная площадь контакта составляет несколько процентов от номинальной [48]. Поэтому контакт инструмента и заготовки носит явно дискретный характер (рис. 20). М. С. Нерубаем [59] показано, что введение в зону трения УЗ колебаний сопровождается структурно-термической активацией контактных поверхностей, повышением их энергетического состояния и реакционной способности, что интенсифицирует формирование в зоне контакта прочных Рис. 20. Характер контакта режущего окисных и адсорбированных плеинструмента с заготовкой [55] нок. Последнее препятствует выходу дислокаций в зону контакта и оказывает экранирующее воздействие на адгезионные процессы. Этим, по его мнению, объясняется значительное сниже*)

При написании данного параграфа использованы результаты исследований А. И. Маркова [53 – 55]

40

Глава 2

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ние коэффициента трения. Кроме того, как ранее установлено А. И. Марковым [55], при этом возможно даже микроразмягчение единичных узлов схватывания и изменение реологических свойств контактных поверхностей, в результате чего возникает своеобразный эффект граничного трения, где роль среды играют тонкие поверхностные слои, находящиеся в состоянии пластического течения. По мнению А. И. Маркова, воздействие УЗК инструмента или заготовки на процесс резания может проявиться в следующем: – периодическом изменении величины и направления вектора действительной скорости резания; – периодическом изменении углов инструмента (переднего γк, заднего αк, угла наклона главной режущей кромки λ к); – периодическом изменении толщины срезаемого слоя ак; – изменении характера приложения нагрузки: зона стружкообразования и режущий инструмент вместо статической испытывают знакопеременную динамическую нагрузку; – изменении формирования поверхностного слоя детали в процессе обработки заготовки; – улучшении условий проникновения СОЖ в зону резания; – изменении контактных взаимодействий на рабочих поверхностях режущих инструментов, приводящем к уменьшению деформаций в зоне стружкообразования и сил резания. Все это в свою очередь приводит к повышению точности обработки, изменению динамической устойчивости технологической системы и уменьшению мощности, затрачиваемой на процесс резания. Рассмотрим некоторые из направлений воздействия УЗК поподробнее [55]. В общем случае вектор вынужденных незатухающих гармонических УЗ колебательных движений режущей кромки инструмента или заготовки А (τ ) определенным образом расположен в пространстве А (τ ) = А sin (ωτ + ϕ 0 ) , (36) где ω – циклическая частота (ω = 2πfr), Гц; ϕ0 – начальная фаза, рад. Вектор колебательной скорости dА (τ ) V (τ ) = (37) = А ω cos(ωτ + ϕ 0 ) . dt Максимальное значение колебательной скорости V (τ )max = Аω = 2πf r A , а

среднее значение в π/2 раз меньше ( V (τ )ср = 4 f r A ). При сравнительно малых

амплитудах (3 – 5 мкм) и частоте 18 кГц значения V (τ )max достигают 34 – 56 м/мин, а V (τ )ср = 21,6 – 36 м/мин.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… 41

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Раскладывая векторы A (τ ) и V (τ ) по направлениям декартовой системы Az (τ ) = A (τ )cos{A(τ ), z}; координат, получим векторы смещений

Ay (τ ) = A (τ )cos{A(τ ), y};

Ax (τ ) = A (τ )cos{A(τ ), x}

и

векторы

скоростей

V z (τ ) = V (τ )cos{V (τ ), z}; V y (τ ) = V (τ )cos{V (τ ), y} ; V x (τ ) = V (τ )cos{V (τ ), x} A(τ ) = Az2 (τ ) + Ay2 (τ ) + Ax2 (τ ) ,

(38)

V (τ ) = V z2 (τ ) + V y2 (τ ) + V x2 (τ ) .

(39)

При возбуждении УЗК инструмента или заготовки в направлении оси z Ах = Ау = 0; Az2 (τ ) = A(τ ) ; Vх = Vу = 0; Vz2 (τ ) = V (τ ) . В случае УЗК в направлении

оси у Ах = Аz = 0; Ay2 (τ ) = A(τ ) ; Vх = Vz = 0; V y2 (τ ) = V (τ ) и соответственно УЗК в

направлении оси x Аz = Аy = 0; Ax2 (τ ) = A(τ ) ; Vу = Vz = 0; Vx2 (τ ) = V (τ ) . При обычном резании без УЗК величина вектора скорости резания определяется окружной скоростью инструмента или заготовки V. При наложении УЗК вектор скорости резания Vcк будет являться

геометрической суммой двух векторов – постоянного V и переменного V (τ ) Vcк = V + V (τ ) = V + Аω cos(ωτ + ϕ 0 ) . (40)

Величина и направление вектора Vcк определяется как величиной, так и направлением обоих векторов. Поэтому при резании с наложением УЗК на формообразующий инструмент или заготовку скорость резания Vcк является переменной величиной. В связи с этим переменными (во времени) будут работа резания и выделение тепла. При возбуждении касательных УЗК (в направлении оси z) оба вектора V и V (τ ) , а следовательно и Vcк , имеют одинаковое направление (рис. 21), поэтому Vcк = V ± Аω cos(ωτ + ϕ 0 );

(41)

Vскmax = V + Аω ; Vскmin = V − Аω .

Рис. 21. Влияние УЗК на величину и направление вектора скорости Vcк [55]: а – касательные колебания; б – радиальные; в – осевые

Глава 2

42

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В течение одного полупериода Vcк > V, а второго полупериода Vcк < V. Из вышесказанного следует, что при некоторых условиях (V ≤ Aω ) действительная скорость Vcк может быть равна нулю дважды в течение одного периода колебаний. При ϕ0 = 0 Vcк = V + Аω cos(ωτ ) = 0 и Vcк = V − Аω cos(ωτ ) = 0 . Из данных выражений получены [55] значения τ, при которых Vcк = 0: 1 V  V ; τ 2 =  π − arccos . ω Aω  ω Aω Кроме того, в течение одного периода вектор скорости Vcк дважды ста-

τ1 =

1

arccos

новится равным по величине окружной скорости V при τ3 = π / 2 и τ = 3π / 2. При возбуждении колебаний в радиальном и осевом направлениях вектор скорости Vcк периодически изменяется не только по величине, но и по направлению (см. рис. 21) Vcк = V 2 + А 2ω 2 cos 2 (ωτ + ϕ 0 ) .

(42)

Максимальное значение скорости Vскmax = V 2 + А 2ω 2 . (43) Скорость резания, соответствующая средней величине колебательной скорости

Vскmax

2

= V +

4 А 2ω 2

π2

.

(44)

Минимальное значение действительной скорости Vскmin равно окружной скорости V. Для оценки влияния УЗК на процесс резания А. И. Марков [55] предложил использовать безразмерную величину νм: V (τ ) νм = , (45) V где V (τ ) = Аω cos(ωτ ) . Соответственно, для максимальных и средних значений колебательной скорости V (τ )

ν мmax

ωА

ν мср

2ν мmax

= ; . V π В табл. 5 приведены значения действительной скорости Vcк , а также ее =

максимальных Vскmax , минимальных Vскmin и средних Vскср значений при возбуждении колебаний во всех трех направлениях при обычном резании (без колебаний, А = 0):

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… 43

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ν м = ν мmax = ν мср = 0 и Vcк = Vскmax =Vскср =V. 5. Действительные значения скорости в зависимости от параметра νм и направления УЗК [55] Действительные скорости резания

Vcк

Vскmax Vскmin Vскср

Касательные (в направлении оси z) V (1 ± ν м )

( ) ) V (1 − ν max

V 1 +ν м

Направление колебаний Радиальные Осевые (в направлении оси у) (в направлении оси х) 2

V 1 +ν м V 1+

 

2

π

max 2 м

V 1+

V

max м

V 1 +

(ν )

2

V 1 +ν м

 

ν мmax 

V 1+

4

π2

(ν )

max 2 м

V

(ν )

max 2 м

V 1+

4

π2

(ν )

max 2 м

Таким образом, при возбуждении касательных УЗК эффект изменения действительной скорости резания Vcк пропорционален (1 ± ν м ) , а при радиальных и осевых колебаниях пропорционален 1 + ν м2 . Наложение УЗК на режущий инструмент может привести к изменению переднего γк и заднего αк углов, а также угла наклона главной режущей кромки λк, так как при возбуждении колебаний в радиальном и осевом направлениях периодически изменяется положение плоскости резания. Следовательно, не могут сохранять свое постоянное значение и действительные (кинематические) углы: γк = γ m ∆γ ; αк = α ± ∆α , где ∆γ и ∆α – изменение углов при изменении направления плоскости резания. Для резания без УЗК величины ∆γ и ∆α незначительны, поэтому γк ≈ γ; αк ≈ α . Учитывая, что в реальном процессе резания изменения углов γ и α могут оказать существенное влияние на характер стружкообразования и формирование поверхностного слоя детали, необходима оценка действительных значений ∆γ и ∆α при наложении УЗК. При возбуждении касательных УЗК изменение передних и задних углов возможно лишь из-за неточной установки волновода и появляющегося при этом отклонения направления векторов V и V (τ ) . При достаточно точном направлении УЗК ∆γ z = ∆α z = 0. При возбуждении радиальных колебаний (в направлении оси у) значение направляющего косинуса между векторами Vcк и V может быть определено: 1 . cos(Vск , V ) = cos ∆y = 2 1 +ν М

Глава 2

44

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Угол ∆у будет положительным, если вращение вектора V к Vcк происходит против часовой стрелки (см. рис. 21). Максимальное значение угла ∆у имеет место при максимальной величине скорости Vскmax : 1 cos ∆y max = . (46) max 2 1+ ν м

(

)

Минимальное значение угла ∆у равно нулю ( ∆y min = 0 ). Изменение направления вектора Vcк относительно V вызывает изменение углов γк и αк. Действительные задние и передние углы в этом случае равны: γк = γ m ∆γ y ; αк = α ± ∆α y ; tgα y = tg∆y cosϕ ; (47) tg∆γ y =

tg∆y ± tgλ y cosϕ cosϕ

;

(48)

«+» при λ > 0; «–» при λ < 0. Расчеты по зависимостям (47) и (48) показывают, что при возбуждении УЗК величины ∆γ и ∆α возрастают с увеличением амплитуды и частоты колебаний и уменьшением окружной скорости заготовки. В табл. 6 приведены зависимости для определения значений ∆γ и ∆α. 6. Изменение передних и задних углов резца в зависимости от направления УЗК [55] Изменение углов резца

∆α ∆γ

Направление колебаний Касательные Радиальные Осевые (в направлении оси z) (в направлении оси у) (в направлении оси х)

∆αz = 0

arctg(νм sinϕ)  ν  arctg м m tgλ   sin ϕ 

=0

arctg(ν мmax cosϕ)

arctg(ν мmax sinϕ)

=0

 ν мmax  arctg ± tgλ   cos ϕ 

 ν мmax  arctg m tgλ   sin ϕ 

∆γ z = 0 max

∆α max

∆α z

∆γ

max ∆γ z

max

arctg(νм cosϕ)  ν  arctg м ± tgλ   cos ϕ 

Изменение направления вектора действительной скорости резания при сообщении инструменту радиальных и осевых колебаний приводит к периодическому изменению кинематического угла наклона главной режущей кромки λк. При возбуждении радиальных колебаний величину λк можно найти по зависимости [53]

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… 45

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

tgλк =

ν м cos λ . 1 + ν м sin λ

(49)

Величина λср к вычисляется по формуле [55]

λср к

ν мср cos λ = arctg . 1 + ν мср sin λ

(50)

Из зависимостей (49) и (50) следует, что при наложении УЗК в радиальном и осевом направлениях имеет место резание с периодически изменяющимися в достаточно больших пределах углами λк. Между тем, общеизвестно, что увеличение угла λ сопровождается уменьшением удельной работы деформации и увеличением удельной работы трения по передней и задней поверхностям. Это объясняется тем, что при косоугольном резании пластические сдвиги в зоне стружкообразования происходят не только в нормальной плоскости, но и в боковом направлении. Отклонение вектора Vcк от направления вектора окружной скорости заготовки приводит к периодическому изменению толщины срезаемого слоя. Поэтому можно считать, что при возбуждении УЗК в радиальном и осевом направлениях в процессе резания изменяется не только значение длины и ширины, но и толщины срезаемого слоя ад = а ± ∆а . Действительная толщина срезаемого слоя определяется следующим выражением [54] Vs (sin ϕ cosη − tgλ sin η )cos ∆y , (51) ад = 2 2 (cosϕ cos ∆y − tgλ sin ∆y ) + (sin ϕ cosη − tgλ sin η ) где Vs – скорость подачи, мм/об; ϕ – главный угол в плане при вершине резца, град; η – угол, зависящий от установки инструмента относительно заготовки  2h   sin η =  , град; h – смещение вершины резца относительно оси заготовки, D з   мм; Dз – диаметр обрабатываемой поверхности, мм. С учетом ранее принятого безразмерного критерия скорости νм зависимость (51) можно упростить Vs (sin ϕ cosη − tgλ sin η )cos ∆y ад = . (52) 2 2 2 (cosϕ − ν м tgλ ) + (1 + ν м ) (sin ϕ cosη − tgλ sin η ) При использовании резца с λ = 0 по центру заготовки (η = 0) зависимость (52) примет вид Vs sin ϕ ад = . (53) 2 2 1 + ν м sin ϕ

46

Глава 2

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Если νм = 0 (обработка без УЗК), получим обычную формулу для расчета толщины срезаемого слоя: а = s sinϕ. Анализ результатов расчета по зависимостям (51) – (53) показывает, что влияние УЗК на периодическое изменение толщины срезаемого слоя растет с увеличением А и fr и уменьшением V. Выше рассмотрено влияние УЗК на периодическое изменение действительной скорости резания V, геометрии инструмента и толщины срезаемого слоя применительно к простейшему инструменту – токарному резцу. Аналогичные изменения указанных величин будут происходить при наложении синусоидальных УЗК на другие более сложные инструменты – сверла, фрезы, метчики, протяжки. Гораздо сложнее изменения указанных параметров будут при использовании в процессах механической обработки модулированных (по частоте и амплитуде) УЗК.

2.3. Формирование свойств поверхностного слоя заготовок, обработанных с применением энергии ультразвукового поля

К числу основных проблем современного машиностроения относится получение на этапе изготовления деталей машин таких характеристик качества, которые соответствовали бы требованиям к эксплуатационным свойствам. При этом в процессе обработки необходимо исключить образование причин отказов и научиться участвовать в формировании заранее заданных эксплуатационных свойств. Известно, что основной причиной выхода из строя машин является не их поломка, а износ подвижных сопряжений под действием сил трения. Износостойкость трущихся пар, особенно в начальный период их работы, в существенной степени определяется микрорельефом поверхностных слоев, полученных в результате механической обработки, микротвердостью и остаточными напряжениями. Наиболее сложно управлять процессом формирования эксплуатационных свойств деталей машин, изготовляемых из материалов, склонных к фазовым превращениям в процессах механической обработки, отличающихся высокой теплосиловой напряженностью. К числу таких процессов относят прежде всего шлифование, в зоне которого возникают мгновенные контактные температуры, достигающие 800 – 1000 °С, и давления, превышающие в 2 – 3 раза предел текучести материала. Удобным инструментом для воздействия на процесс формирования эксплуатационных характеристик при шлифовании, на наш взгляд, следует считать рациональное применение энергии УЗ поля, и прежде всего через применяющуюся в процессе обработки СОЖ. При попадании в

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… 47

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

зону обработки и реализации своих функциональных свойств СОЖ активно воздействует на процесс формирования микропрофиля поверхностного слоя. Однако, как показывают многочисленные исследования, СОЖ на всегда в полной мере реализует свои потенциальные возможности, что объясняется главным образом, нерациональным выбором способа транспортирования ее к зонам наибольшей теплосиловой напряженности. Огромные возможности в этом имеются в рациональном применении энергии УЗ поля. Рассмотрим это на примере круглого наружного шлифования заготовок из склонных к фазовым превращениям высокопрочной стали 30ХГСА (первый этап исследований) и титановых сплавов разных групп обрабатываемости: ВТ22, ВТ3-1, ОТ4-1 и ВТ1-0 (второй этап исследований). При шлифовании заготовок из стали 30ХГСА (НRC 43 – 45) обработку осуществляли кругом 24А16НС17К26 1 – 600×50×305 со съемом припуска z = 0,85 мм на станке 3Б161, модернизированном для скоростного силового шлифования и оснащенном электроприводами с бесступенчатым регулированием скорости и поперечной подачи абразивного круга. В качестве СОЖ использовали 3 %-ную эмульсию из эмульсола Укринол-1М, которую подавали к зоне шлифования тремя способами: свободно-падающей струей (поливом), одновременно поливом и через клиновые полуоткрытые насадки к торцу круга [97], а также одновременно поливом и через клиновые полуоткрытые насадки к торцу круга с наложением УЗК [33] (более подробная информация об УЗ технике подачи СОЖ при шлифовании и правке представлена в главах 4 и 5). УЗК амплитудой 5 мкм передавали на насадок через пьезоэлектрические преобразователи от УЗ генератора УЗУ-0,25 с рабочей частотой 18,6 кГц. Суммарный расход СОЖ во всех случаях оставался постоянным и равным 40 дм3/мин. В качестве критериев оценки воздействия условий обработки на эксплуатационные характеристики шлифованных деталей принимали параметры микропрофиля по ГОСТ 25142–82, средний радиус вершин выступов r, безразмерный показатель шероховатости [98], сближение поверхностей [101], интенсивность изнашивания шлифованной поверхности, оцениваемую как расчетным путем (Iр, по методике [86]), так и экспериментальным путем (Iэ, на специальном стенде, разработанном по типу машины трения Тимкен–Айшенгер, где в качестве контратела использовали пластину из твердого сплава ВК3М [37] (рис. 22)), составляющие силы и коэффициент трения, определяемые экспериментально, Рис. 22. Схема экспеусталостную прочность и остаточные напряжения риментальной установки для оценки износостойкости: 1 – в поверхностном слое деталей после шлифования обработанная деталь; 2 – по известным методикам [26, 27]. Условия подложка; 3 – твердосплавпроведения эксперимента приведены в табл. 7. ная пластина

Глава 2

48

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

7. Условия проведения экспериментальных исследований*)

3 по 0,03; 2 по 0,02; 250 1,0 5 50 50 10,0 1 без подачи *) Повторяемость каждой серии экспериментов не менее 5 раз **) Правка осуществляется после шлифования каждой заготовки

50

72

Время нагружения τн, с

Окружная скорость детали Vд, м/мин

Нагрузка на подложку Рн, Н

Элементы режима трения Длина линии контакта l, мм

Окружная скорость заготовки Vз, м/мин

Рабочая скорость круга Vк, м/с

Время выхаживания τв, с

Элементы режима шлифования

Число проходов и величина поперечной подачи tп, мм/ход Скорость рабочей подачи стола Vs, / Скорость врезной подачи стола Vt, мм/мин

Элементы режима правки**)

60

При оценке износостойкости шлифованных поверхностей экспериментальным методом деталь (кольцо), закрепленную на оправке в тензометрических центрах, приводили во вращение при одновременном нагружении на обработанную поверхность твердосплавной пластины. Так как износостойкость сплава ВК3М несравнимо больше износостойкости стали 30ХГСА, можно утверждать об износе в результате сухого трения только поверхностного слоя обработанной детали. Деталь до и после трения тщательно взвешивали на аналитических весах мод. WA21 (Польша), а затем, по результатам измерений рассчитывали интенсивность изнашивания Iэ. Силу трения записывали на светолучевом осциллографе. Шлифование заготовок из титановых сплавов осуществляли при максимально возможной скорости врезной подачи Vt, определяемой путем травления шлифованных образцов в растворах кислот*). Остальные условия были следующими: круг 1 – 600×50×305 64С25НСМ26К3; правка круга алмазным карандашом С3 (три прохода по 0,03 со скоростью продольной подачи стола 0,25 м/мин); диаметр заготовок 60 мм, ширина шлифования 15 мм, снимаемый припуск 0,2 мм, рабочая скорость круга – 35 м/с, окружная скорость заготовки – 35 м/мин; время выхаживания – 5 с. В процессе шлифования измеряли контактную температуру методом полуискусственной термопары, составляющие силы шлифования Рz и Ру с помощью тензометрических центров, усилителя и светолучевого осциллографа. «Нева МТ-1». После шлифования определяли шероховатость поверхности на профилометре-профилографе мод. 201, мик-

*)

Металлографический анализ титановых сплавов. Инструкция ВИАМ. № 1054–74

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… 49

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ротвердость – на микротвердометре ПМТ-3 по известной методике**), изменение микроструктуры поверхностного слоя с помощью металлографического микроскопа МИМ-7. Состав и способы подачи СОЖ были одинаковыми со шлифованием заготовок из стали 30ХГСА. Анализ результатов исследований, представленных в табл. 8 и на рис. 23, показывает, что наложение УЗК на клиновые полуоткрытые насадки для подачи СОЖ сквозь поровое пространство к зоне шлифования абразивным кругом на керамической связке оказывает незначительное влияние на основные параметры шероховатости. Так, относительная опорная длина профиля по средней линии tp и среднее арифметическое отклонение профиля Ra практически не зависят от УЗК. 8. Влияние техники применения СОЖ на микрогеометрию и эксплуатационные характеристики шлифованных деталей из стали 30ХГСА

2 3

1,7

0,43

520

0,27

1,66

0,43

1,6

0,45

540

0,26

1,60

0,38

1,4

0,48

560

0,19

1,20

Сближение поверхностей у, мкм

0,35

Безразмерный показатель шероховатости ∆⋅102

Свободно-падающей струей (полив) Одновременно поливом и через клиновые насадки с торцов круга Одновременно поливом и через клиновые насадки с торцов круга с наложением УЗК

Средний радиус кривизны r, мкм

1

Относительная опорная длина профиля по средней линии tp

Способ подачи СОЖ

Наибольшая высота неровностей профиля Rmax, мкм

№

Среднее арифметическое отклонение профиля Ra, мкм

Среднее значение параметров микропрофиля и эксплуатационных характеристик шлифованных деталей

Однако этого нельзя утверждать при анализе параметров микропрофиля, входящих в расчетные зависимости интенсивности изнашивания Iр [85] и сближения поверхностей [26]: Rmax, r, ∆ и у (см. табл. 8). Наибольшей износостойкостью обладают детали, прошлифованные с использованием УЗК (см. рис. 23). Использование УЗ техники позволяет более чем в 2 раза уменьшить интенсивность изнашивания по сравнению с подачей СОЖ только поливом. При этом расчетные и экспериментальные значения интенсивностей изнашивания ранжируются практически одинаково. Сила трения Рт также минимальна у деталей, шлифованных с УЗ техникой. **)

Определение величины альфированного слоя на полуфабрикатах и изделиях из титановых сплавов методом микротвердости. Инструкция ВИАМ. № 987–71

Глава 2

50

24

23 22

21

Интенсивность изнашивания Jр, ⋅105 мкм/м

Сила трения Рт, Н

25

Интенсивность изнашивания Jр, ⋅105 мкм/м

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

4 3

40

25,5 4,5 40,0 24,0 23,4

30

2

20

1

10

2,5 25,0 18,0 1,2

Рис. 23. Влияние техники подачи СОЖ в зону шлифования на износостойкость обработанных поверхностей деталей из стали 30ХГСА: 1 – подача СОЖ поливом; 2 – одновременно поливом и через клиновые насадки к торцам круга; 3 – одновременно поливом и через клиновые насадки к торцам круга с наложением УЗК

При подаче СОЖ одновременно поливом и через клиновые насадки к торцам круга с наложением УЗК значения составляющих силы шлифования Ру и Рz и контактной температуры Θк заметно меньше (на 16,5; 18 и 26 % соответственно), чем при подаче СОЖ поливом. В результате этого растягивающие остаточные напряжения на поверхности детали снижаются в 2,2 раза при одновременном уменьшении глубины их залегания (рис. 24, кривые 1 и 3). Рис. 24. Остаточные напряжения в Изменение значений поверхностном слое напряжений и глубины их заобразцов из стали легания влияет на усталост30ХГСА после шлифоную прочность шлифованных вания с подачей СОЖ различными способадеталей. Установлено, что усми. Условные обознаталостная прочность образчения см. в подписи к 23 цов, шлифованных с испольрис. 23 1 зованием УЗ техники, существенно выше, чем у образцов, шлифованных по традиРис. 25. Усционной технологии (рис. 25) талостная проч[27]. ность образцов, шлифованных с Анализ результатов исприменением техследований при шлифовании 1 2 3 ники подачи образцов из титановых сплаСОЖ различными вов показывает, что при обспособами. Условные обозначеработке заготовок из высокония см. в подписи прочного сплава ВТ22 к рис. 23

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… 51

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

[(α+β) – сплав переходного класса] его поверхностный слой приобретает повышенную (по сравнению с сердцевиной) твердость, т. е. подвергается наклепу (степень наклепа 10 – 15 %), обеспечивающему повышение прочности и однородности свойств поверхностного слоя [26]. Наклеп наблюдается на глубине до 0,2 мм (табл. 9). В микроструктуре поверхностного слоя деталей из сплава ВТ22 (рис. 26, а) заметных изменений по сравнению со структурой сердцевины не обнаружено.

ОТ4-1 (НВ 250 – 270)

ВТ3-1 (НВ 300)

ВТ22 (НВ 320 – 340)

Материал заготовки

9. Влияние УЗ поля при шлифовании с подачей СОЖ на микротвердость и технологические показатели обработки заготовок из титановых сплавов

Технологические показатели процесса шлифования и микротвердость шлифованной детали

Максимальная скорость врезной бесприжоговой подачи круга Vtm, мм/мин Среднее отклонение профиля Ra, мкм Радиальная составляющая силы шлифования Ру, Н Касательная составляющая силы шлифования Рz, Н I Микротвердость Нµ, МПа, изII меренная на глубине 50 (I), 100 (II), 200 (Ш) мкм от поверхноШ сти и в сердцевине (IV) IV Vtm, мм/мин Ra, мкм Ру, Н Рz, Н I II Нµ, МПа Ш IV Vtm, мм/мин Ra, мкм Ру, Н Рz, Н 70 II Нµ, МПа Ш IV

Полив

0,60

Способ подачи СОЖ Одновременно Одновременно поливом и чеполивом и через клиновые рез клиновые насадки с торнасадки с тор- цов круга с нацов круга [2] ложением УЗК [62] 0,75 0,95

2,0 93

1,8 59

1,9 81

81

35

50

2850 2800 2840 2600 0,70 0,85 84 70 2110 2100 2030 2120 0,60 0,85 58 48 1900 1890 1880 2080

2870 2910 2980 2600 0,85 1,60 116 100 2470 2610 2490 2120 0,70 1,75 64 38 2270 2140 2140 2080

2880 2850 2050 2600 1,10 1,40 118 88 2630 2670 2620 2120 0,85 1,70 44 28 2140 2080 2060 2080

52

Глава 2

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В отличие от сплава ВТ22 у жаропрочного β-сплава ВТ3-1 микротвердость поверхностного слоя при шлифовании не изменяется, несмотря на существенное увеличение Vtm (от 0,6 до 0,7 мм/мин, см. табл. 9). Микроструктура поверхностного слоя (рис. 26, б) и сердцевины различий также не имеют. Поверхностный слой заготовок из пластичного псевдо-α-сплава ОТ4-1 после шлифования имеет совсем иную микротвердость, чем его сердцевина. В поверхностном слое (рис. 27, а) наблюдаются вытянутые в одном направлении под углом к поверхности β-зерна с мелкой глобулярной α-фазой, а в сердцевине (рис. 27, б) – сравнительно крупные β-зерна, внутренний объем которых расчленен пластинами α-фазы [56].

а)

б)

Рис. 26. Микроструктура поверхностного слоя шлифованных деталей из сплавов ВТ22 (а) и ВТ3-1 (б) (увеличение в 70 раз)

а)

б)

Рис. 27. Микроструктура поверхностного слоя (а) и сердцевины (б) шлифованных деталей из сплава ОТ4-1 (увеличение в 70 раз)

Измельченная микроструктура поверхностного слоя толщиной 450 – 600 мкм обусловила его меньшую микротвердость по сравнению с сердцевиной (см. табл. 9). Измельчение структуры поверхностного слоя свидетельствует о деформации его в β-области при температуре выше α ↔ β перехода, которая для сплава ОТ4-1 составляет 910 – 950 °С [85], и о большей скорости последующего охлаждения. Очевидно, это имело место в процессе прокатки загото-

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… 53

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Остаточные напряжения →

вок, так как за60 Рис. 28. готовка из данОстаточные наМПа 3 пряжения в поного сплава поверхностном слое сле токарной 0 2 образцов из сплаобработки имевов ВТ22 (а) и 1 –30 ла уменьшенВТ1-0 (б) после ную микрошлифования с –60 а) использованием твердость на техники подачи глубине 2 – 2,5 30 1 2 СОЖ различныМПа мм. ми способами. 0 ИспольУсловные обо3 б) значения см. в –30 зование энергии 0 20 40 60 80 100 120 мкм 160 подписи к рис. 23 УЗ поля при подаче СОЖ в процессе шлифования заготовок позволило увеличить Vtm (см. табл. 9) при шлифовании заготовок из сплава ВТ22 на 58 %, ВТ3-1 – на 57 %, ОТ4-1 – на 42 %. При этом шероховатость и микротвердость шлифованных поверхностей не ухудшились. В некоторых случаях Ra даже уменьшается по сравнению с подачей СОЖ поливом. Несмотря на увеличение Vtm, применение энергии УЗ поля в процессе подачи СОЖ снижает Ру и Рz на 20 – 30 %, и следовательно обеспечивает более полную реализацию потенциальных возможностей жидкости. Все это способствует уменьшению температурно-силового воздействия на поверхностный слой заготовки, о чем свидетельствуют эпюры остаточных напряжений (рис. 28). В поверхностных слоях шлифованных образцов из сплава ВТ1-0 получены наибольшие сжимающие напряжения, а из сплава ВТ22 – наименьшие значения растягивающих напряжений.

2.4. Выводы

1. Наименьшие энергозатраты УЗ поля при механической обработке заготовок достигаются в случае использования кавитации СОЖ, подаваемой к зоне резания. 2. Воздействие УЗК инструмента или заготовки на процесс резания проявляется в периодическом изменении углов инструмента (γк, αк, λ к), толщины срезаемого слоя ак, изменении характера приложения нагрузки в зоне резания и формирования эксплуатационных характеристик и свойств поверхностного слоя, улучшении условий проникновения СОЖ в зону резания. 3. Применение энергии УЗ поля при шлифовании заготовок, чувствительных к структурно-фазовым превращениям в поверхностных слоях, позво-

54

Глава 2

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ляет осуществлять их бездефектное шлифование на форсированных режимах без нежелательных изменений структурно-фазового состава поверхностного слоя (вероятность возникновения дефектов снижается в 1,4 – 1,6 раза) [26].

55 –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Глава 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В КОНТАКТНЫХ ЗОНАХ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ЗАГОТОВОК С НАЛОЖЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ 3.1. Функциональные действия СОЖ при использовании в процессах механической обработки заготовок ультразвуковых колебаний Взаимодействие вновь образующихся при резании металлов новых поверхностей стружки и обрабатываемой заготовки с изнашивающимися и постоянно обновляющимися передними и задними поверхностями инструмента является сложным и многосторонним. При механической обработке заготовок развиваются процессы трения весьма твердых тел, упруго-пластического деформирования и разрушения контактирующих инструментов и заготовки в условиях высокой теплосиловой напряженности. Присутствие смазочноохлаждающих технологических средств (СОТС) в контактной зоне способно в существенной степени изменить характер физико-механических и физикохимических взаимодействий контактирующих объектов. Различают следующие способы проникновения СОТС в зону резания и проявления там своих функциональных свойств [81]: 1) внешняя среда поступает в контактную зону, не изменяя своего агрегатного состояния и химического состава; 2) СОТС изменяет агрегатное состояние или химический состав (например, сероорганическая присадка вступает в химическое взаимодействие с хлорорганической), прежде чем вступает в реакцию с трущимися поверхностями инструмента и заготовки; 3) СОТС при поступлении в контактную зону изменяет агрегатное состояние и вступает в химическую реакцию с кислородом перед началом реакции с поверхностями заготовки и инструмента или во время этой реакции; 4) поступающее извне СОТС изменяет агрегатное состояние и подвергается термическому разложению (пиролизу) с образованием новых химических продуктов, которые вступают во взаимодействие с кислородом, а затем с трущимися поверхностями. И если первый случай встречается на практике в редких случаях при механической обработке на низких скоростях, то второй и третий реализуются достаточно часто в широком диапазоне режимов резания при использовании, в основном, масляных СОТС. Четвертый – наиболее широко распространен при применении как масляных, так и водных СОЖ при обработке заготовок из различных материалов. Известно, что наложение УЗК инициирует прохождение химических реакций, а при возникновении кавитации – переход из одного агрегатного состояния в другое [88].

56

Глава 3

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В процессе резания проникновение СОЖ в зону контакта трущихся поверхностей инструмента и заготовки обусловлено рядом причин [84]. При резании с относительно невысокими скоростями разрушаются и вновь образуются наросты или налипы. Вместо нарушившегося нароста или налипа на короткий промежуток времени создается полость, куда и устремляются частицы СОТС. СОТС в жидком, газообразном или диссоциированном состоянии проникает в зоны контакта стружки с инструментом и инструмента с вновь появившимся участком поверхности резания через капилляры, сеть которых непрерывно создается, разрушается и создается вновь. При износе режущего инструмента возникает дополнительная сеть капиллярных каналов. Наложение УЗК способствует ускорению движения СОЖ по капиллярам к зонам контактного взаимодействия, что позволяет интенсифицировать и комплекс функциональных действий (эффектов): смазочного, проникающего, диспергирующего, охлаждающего и моющего. Л. В. Худобиным и его сотрудниками [96] установлено, что при шлифовании СОЖ, обладающие определенными реологическими свойствами, проявляют еще и демпфирующее действие. Учитывая тенденции развития современного машиностроения, заключающиеся в расширении областей применения высокоскоростной (V ≥ 25 м/c) механической обработки лезвийным инструментом [47], демпфирующему действию СОЖ необходимо уделять в будущем пристальное внимание при всех видах механической обработки. Рассмотрим вышеупомянутые функциональные действия при механической обработке с подачей СОЖ к зоне обработки свободно-падающей струей (поливом). Смазочное действие проявляется в понижении внешнего трения в контакте «режущий инструмент–заготовка», «режущий инструмент–стружка» и «заготовка–стружка» (уменьшается схватывание, трение, задиры, изнашивание и фрикционный нагрев). Как известно, силы сухого трения двух контактирующих объектов являются суммой всех тангенциальных сил сопротивления сдвигу при пластической деформации поверхностного слоя и пластической деформации выступов, возникающих в пятнах контакта, сил сопротивления схватыванию для материалов, склонных к хрупкому разрушению, адгезионных сил, возникающих вследствие межмолекулярных физических связей материалов заготовки и инструмента, химических связей и др. СОЖ, поступающая в зону контакта, предотвращает или ослабляет адгезионные и другие взаимодействия, в результате чего улучшаются практически все параметры обработки: – уменьшаются теплообразование и износ режущего инструмента; – увеличивается период стойкости инструмента вследствие уменьшения износа и задира (для лезвийных инструментов) или засаливания (для абразивных инструментов); – возрастает производительность обработки;

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ…

57

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

– стабилизируется процесс наростообразования, уменьшается размер нароста, прочность и силы сцепления его с инструментом. Увеличение смазочного действия СОЖ наблюдается при обработке жидкостей ультразвуком [15]. Это связано, главным образом, с уменьшением значения коэффициента трения. Не следует также забывать, что в ряде случаев увеличение смазочного действия СОТС может иметь и отрицательные последствия: – период стойкости инструмента может уменьшиться в случае коррозионномеханического изнашивания режущих кромок при ликвидации нароста, предохраняющего рабочие площадки инструмента от износа; – возрастают силы резания при обработке заготовок из металлов, граничные пленки которых имеют более высокую прочность, чем металл заготовки (обработка заготовок из алюминия, свинца, меди резцами из быстрорежущих сталей); – уменьшается производительность из-за недостаточной жесткости технологической системы при внутреннем шлифовании и суперфинишировании вследствие увеличения гидродинамической силы в клине и увеличения количества а.з., скользящих по обрабатываемой поверхности и не участвующих в процессе резания. Как известно, смачивание жидкостью поверхностей заготовки и инструмента является необходимой предпосылкой для выполнения смазочного, моющего, охлаждающего, диспергирующего и демпфирующего действий СОТС. Если жидкость плохо смачивает охлаждаемую поверхность, то возможен только пленочный режим кипения. В этом случае у поверхности твердого тела образуется паровая пленка, которая резко ухудшает теплообмен. Наложение УЗК вызывает в жидкости явление кавитации и нарушение сплошности жидкости за счет образования на контактирующих поверхностях заготовки и инструмента мельчайших пульсирующих пузырьков (каверн), которые разрушают паровую пленку, и способствует улучшению теплообмена. Смачивание жидкостью поверхностей инструмента и заготовки зависит от материала твердого тела, микрогеометрии поверхности, химического состава и строения СОЖ. Степень смачивания оценивается по поверхностному натяжению σ0 жидкости на границе раздела фаз твердое тело – жидкость; по краевому углу смачивания Θ; по работе адгезии Аа и коэффициенту растекания Sр. Хорошее смачивание обеспечивается при малых значениях поверхностного натяжения и краевых углах, высоких значениях работы адгезии и коэффициента растекания. В зависимости от химического состава материалов инструмента и заготовки и состава СОТС различают физическое (или обратимое) и химическое смачивание. В первом случае температура в контактных зонах при механиче-

58

Глава 3

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ской обработке оказывает незначительное влияние на краевой угол. Во втором – наоборот, краевой угол смачивания резко уменьшается при повышении температуры, так как при этом наблюдается ускорение почти всех возможных химических процессов. Наложение УЗК на жидкость, по данным А.Л. Глузман [15], оказывает существенное влияние на физическое смачивание, что подтверждено экспериментально резким увеличением коэффициента растекания. Как и смачивание, проникновение жидкости в зону резания является необходимой предпосылкой для оказания всех действий СОТС, и, прежде всего, смазочного. Последнее объясняется тем, что в силу стесненных условий зоны контакта, высоких удельных нагрузок, в несколько раз превышающих предел текучести материала заготовки, и экстремальных значений контактных температур, наиболее важны именно случаи проникновения СОТС непосредственно в зону резания, где другие функциональные свойства СОТС менее существенны из-за их малого объема. Особенно это важно для шлифования, хонингования, глубокого сверления, резьбонарезания, развертывания и алмазного выглаживания. По мнению ряда исследователей [79], под действием температуры, давлений, электронной эмиссии и других явлений, сопровождающих процесс резания, молекулы СОТС могут разлагаться в физико-химическую плазму. Компоненты плазмы имеют особо высокую проникающую способность, что и способствует проникновению СОТС в зону резания. Заметим, однако, что на практике образование плазмы в зоне резания маловероятно. Значительно большей верификацией обладают механизмы проникновения СОТС в зону резания в результате отрыва нароста, под воздействием вибраций, по капиллярам, под воздействием сил адсорбции, посредством диффузии и др. [84]. Все эти механизмы чрезвычайно чувствительны к наложению УЗК на все контактирующие в зоне резания объекты (инструмент, заготовка, СОТС). Охлаждающее действие СОТС заключается в отводе образовавшейся в зоне резания теплоты от нагретых участков обрабатываемой заготовки и режущего инструмента. Поскольку последние являются твердыми телами, поглощение тепла СОТС (твердый или пластичный смазочный материал, жидкость или газ) осуществляется путем конвективного теплообмена (теплопередачи). Последний зависит, главным образом, от теплофизических и скоростных характеристик среды [100]. В наибольшей степени на него оказывают влияние: теплопроводность среды, скорость обтекания охлаждаемой поверхности, теплоемкость, температуропроводность, плотность и вязкость среды, а также разность температур СОТС и контактирующих поверхностей. Если в контактной зоне при резании СОТС переходит из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газообразное, то приобретает существенное значение скрытая теплота плавления или парообразования. Обеспечение надлежащего охлаждения зоны контак-

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ…

59

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

та инструмента с заготовкой способствует снижению и стабилизации температуры технологической системы, уменьшению химической активности материалов заготовки и режущего инструмента. На основе вышеизложенного можно наметить следующие пути интенсификации теплоотвода из зоны резания: использование в качестве СОТС жидкостей, обладающих высокой теплопроводностью, теплоемкостью, плотностью и наименьшей кинематической вязкостью, хорошими смазочными свойствами; создание условий перехода СОТС в смежное агрегатное состояние; увеличение скорости относительного перемещения контактирующих объектов; целенаправленное изменение теплофизических характеристик контактирующих объектов. Рассмотрим влияние охлаждающего действия СОТС на теплообмен в зоне резания лезвийным инструментом. Источниками теплоты в данном случае являются участки главной задней и передней поверхностей инструмента, на которых происходит трение с обрабатываемой заготовкой и стружкой, а также зоны упругих и пластических деформаций. СОТС отбирает теплоту от задней и передней поверхностей инструмента, верхней и надрезцовой сторон стружки, а также поверхностей заготовки. Температура от трения задней поверхности режущего инструмента о заготовку может быть определена по следующему выражению [84]  P sin ϕ ρV  Т кз = f т  тз (54) , t λ l c з з з   где Ртз – сила трения на задней поверхности, Н; ρ – радиус скругления режущей кромки, м; lз – длина контакта по задней поверхности, м; V – скорость резания, м/мин; t – глубина резания, м; λз, cз – соответственно теплопроводность, Вт/(м⋅К), и теплоемкость, Дж/(м⋅К), заготовки; ϕ – главный угол в плане, град.; fт – коэффициент трения. Если инструмент остро заточен, то в случае обработки заготовок из материалов, не относящихся к труднообрабатываемым, и обычных условий резания температурой трения по задней поверхности для оценки тепловых условий в зоне резания обычно пренебрегают. Теплота, выделяющаяся при трении стружки о переднюю поверхность инструмента, вызывает нагрев передней поверхности. Обобщение результатов, полученных различными исследователями [50], позволило получить зависимость, отражающую влияние различных параметров на максимальную температуру Т кнmax при трении стружки о переднюю поверхность [84]

60

Глава 3

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

P ρV  max (55) Т кн = fт  , t k λ l c п з з   где Р – сила резания, Н; k – коэффициент усадки стружки; lп – длина контакта стружки с передней поверхностью, м. Учитывая, что большинство параметров зависимости (55) взаимосвязаны, max неоднозначно. Так, с увевлияние элементов режима резания на величину Т кн личением глубины резания t одновременно увеличивается сила резания Р и уменьшается усадка стружки. Все это может привести к росту максимальной температуры. Однако, при этом одновременно увеличивается длина контакта max . Аналостружки с передней поверхностью, что приводит к уменьшению Т кн max оказывает скорость подачи. гичное влияние на Т кн max пропорционально увеличивается. С увеличением скорости резания Т кн При этом в определенном диапазоне растет усадка стружки и уменьшается длина контакта стружки с передней поверхностью. При увеличении теплопроводности и теплоемкости обрабатываемого маmax , так как теплота при этом териала заготовки следует ожидать уменьшение Т кн быстрее и в большем количестве отводится в массу стружки. Для оценки влияния элементов режима резания на теплообразование и контактную температуру на передней поверхности режущего инструмента в ряде случаев используют безразмерный коэффициент RT [50], характеризующий условия резания V ⋅ Vs2 sin 2 ϕc з RT = , (56) λ з lп k

где Vs – скорость подачи, м/мин. Используя выражение (56), можно утверждать, что повышение скорости резания, толщины стружки (скорости подачи и угла в плане) и теплоемкости, а также уменьшение теплопроводности обрабатываемого материала заготовки и коэффициента усадки стружки приводят к нагреву надрезцового слоя стружки. Верхняя поверхность стружки в большинстве случаев прогревается за пределами зоны ее контакта с передней поверхностью. Для используемых на практике режимов резания обычно принимают, что температура деформации стружки Тд для всех точек стружки одинакова  bP  Тд = fт  (57) , t V c  s з где b – коэффициент, показывающий, какая доля теплоты деформации идет в стружку [50]:

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ…

61

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

V ⋅ Vs c з sin ϕ  b = fт  (58) . kλ з   Увеличение скорости Vs подачи приводит к уменьшению Тд, что связано с облегчением деформирования. С повышением скорости резания увеличивается сила резания, что должно бы приводить к увеличению количества теплоты, выделяемой при деформации стружки. Однако при этом пропорционально возрастает скорость схода стружки, поэтому количество теплоты, приходящееся на единицу объема стружки, остается неизменным. Глубина резания t не оказывает влияния на температуру Тд, так как ее увеличение прямо пропорционально связано с увеличением силы резания Р. Основным фактором, определяющим количество теплоты, уходящей в стружку, является теплоемкость материала заготовки. С увеличением сз происходит уменьшение Тд, так как в этом случае для нагрева единицы массы обрабатываемого материала заготовки требуется большее количество теплоты. Таким образом, с увеличением скорости резания, толщины среза (скорости подачи S и угла в плане ϕ) и теплоемкости сз обрабатываемого материала заготовки, а также с уменьшением коэффициента теплопроводности λз теплообмен от деформации в стружку возрастает. Снижение температуры в результате охлаждения надрезцовой стороны стружки может произойти только в точках, лежащих за пределами ее контакта с передней поверхностью режущего инструмента. Так как скорость схода стружки при существующих скоростях резания превышает скорость распространения теплоты, то охлаждение стружки за пределами ее контакта с передней поверхностью инструмента не влияет на температуру последней. Уменьшить температуру зоны контакта инструмента с заготовкой охлаждением поверхности заготовки в большинстве случаев нельзя из-за сравнительно небольшой температуры нагрева последней. Очевидную роль в уменьшении температуры резания отводится теплообмену между СОТС и режущим инструментом по передним и задним поверхностям. Для этого на изнашиваемых поверхностях инструмента необходимо обеспечить интенсивное охлаждение режущего клина, а не заготовки или стружки. Интенсивность теплообмена, а значит и интенсивность охлаждения участков зоны резания, пропорциональна величине коэффициента теплообмена αТ λ1− п с п ρ w т (59) α Т = с1 ж т −жп 1ж− т , ν Dэкв где с1 = i CT; CT – коэффициент, зависящий от критерия Рейнольдса; i – поправка:

62

Глава 3

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

0, 25

 Pr  i =  c  , (60) Pr  ж где Prc, Prж – критерий Прандтля, соответственно, при средней температуре охлаждаемой поверхности (стенка, стержень) и при средней температуре СОТС; λж – теплопроводность СОТС, Вт/(м⋅К); сж – теплоемкость СОТС, Дж/(кг⋅К); ρж – плотность СОТС, кг/м3; νж – кинематическая вязкость СОТС, м2/с; w – скорость относительного перемещения потока СОТС и охлаждаемого объекта, м/с; Dэкв – гидравлический диаметр охлаждаемого стержня инструмента, м: f (61) D=4 n , U где fп – площадь поперечного сечения стержня инструмента, м2; U – смоченный периметр стержня инструмента, омываемого СОТС, м; т и п – показатели степени для случая обтекания (охлаждения) цилиндрического стержня (обрабатываемая заготовка) п = 0,35; т = 0,6 [50]. Анализируя зависимость (59), можно отметить, что для увеличения αТ необходимо (при подаче СОТС по внешним трактам): – использовать в качестве СОТС жидкости, обладающие наиболее высокой теплопроводностью (λж), теплоемкостью (сж) и плотностью (ρж); – использовать в качестве СОТС жидкости, обладающие наименьшей кинематической вязкостью (νж); – увеличивать скорость относительного перемещения СОТС и охлаждаемого объекта (w); – уменьшать гидравлический эквивалентный диаметр охлаждаемого стержня (Dэкв). Очевидно, что для увеличения αТ наиболее эффективным путем является увеличение теплопроводности СОТС (λж); почти столь же эффективно увеличение скорости потока СОТС (w), так как показатели степени при w – 0,6, а при λж – 0,65. Существенно меньший эффект дают остальные из перечисленных выше путей увеличения теплообмена. Все это показывает, что лучшими охлаждающими свойствами обладают СОЖ на водной основе, но опосредованно лучшую охлаждающую способность обеспечивают масляные СОЖ, которые гарантируют (вследствие лучших смазочных свойств) меньшее значение силы резания, коэффициента трения, а следовательно и меньшие значения контактных температур в зоне резания. Если диапазон изменения температур при резании в контактных зонах невелик, то для приближенной оценки охлаждающих свойств можно пренебречь зависимостью теплофизических характеристик СОТС (λж, сж, ρж, νж) от температуры. В этом случае, обозначив

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ…

63

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

п λ1ж− п с ж ρж = Сα , т−п ν

с1

(62)

зависимость (59) перепишем в виде

wт , (63) −т D1экв где Сα – коэффициент, характеризующий охлаждающую среду, включает теплофизические характеристики среды и не зависит от условий резания. В связи с этим по величине Сα можно осуществлять приближенную оценку охлаждающей способности различных СОТС. В табл. 10 приведены значения коэффициента Сα для различных типов СОЖ.

α Т = Сα

10. Значения коэффициента Сα для различных типов СОЖ [12] Тип СОЖ Водные растворы электролитов Эмульсии Масляные (углеводородные) жидкости

Сα 0,0160…0,0191 0,0120…0,0147 0,0014…0,0020

Наличие УЗК в зоне резания оказывает существенное влияние на охлаждающее действие СОТС [74]. Этому есть несколько объяснений: – наложение УЗК на жидкость вызывает в ней кавитацию. Последняя сопровождается интенсивным парообразованием, на что расходуется достаточная часть образовавшейся в зоне резания теплоты (скрытая теплота парообразования) [88]; – наложение УЗК способствует уменьшению коэффициента трения, что в свою очередь уменьшает интенсивность теплового потока, возникающего при резании металла заготовки [88]; – процесс наложения УЗК сопровождается уменьшением вязкости активированной СОЖ [15]. При этом, как следует из зависимости (59), коэффициент теплообмена αТ увеличивается, что способствует отводу тепла из зоны резания. Моющее действие СОТС заключается в обеспечении непрерывной эвакуации из зоны обработки, с рабочей поверхности инструмента, с поверхностей станка, приспособления, обрабатываемой заготовки мелкой стружки, продуктов износа инструмента, карбидов, выломанных из структуры металла заготовки и инструмента, и др., которые удерживаются на поверхностях твердых тел электростатическими, ван-дер-ваальсовыми и механическими силами. Чем меньше частицы шлама, тем легче они проникают в неровности инструмента, заготовки, деталей станка и приспособления и тем прочнее удерживаются на поверхности твердого тела, ухудшая технологические показатели процесса механической обработки и увеличивая его себестоимость, так как обрабатываемые заго-

64

Глава 3

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

товки приходится подвергать дополнительной технологической операции – мойке. При плохой очистке СОЖ шлам может осаждаться на поверхностях твердых тел непосредственно из жидкости, загрязняя их и затрудняя контроль. Твердые частицы, попадая в зону контакта инструмента и детали, вызывают повышенный износ рабочих поверхностей инструмента, ухудшают микрогеометрию обработанной поверхности детали. Для правки круга и шлифования особо важное значение имеет именно моющее действие СОЖ, заключающееся, прежде всего, в удалении частиц абразива и связки с рабочей поверхности круга и правящего инструмента, в предотвращении засаливания круга и в очистке его порового пространства за счет гидромеханического воздействия струи жидкости, «выламывающей» отходы из межзеренного пространства и смывающей их с рабочей поверхности круга. Механизм моющего действия весьма сложен и пока слабо исследован. Однако ясно, что для улучшения моющего действия в состав СОТС необходимо вводить специальные моющие присадки, состоящие главным образом из поверхностноактивных веществ (ПАВ), способных образовывать вокруг твердой частицы отходов обработки адсорбционно-смачивающие пленки, обладающие низким поверхностным натяжением на поверхностях раздела или спосбных создавать двойной электрический слой или сольватную оболочку, результатом чего являлось бы отделение частиц от твердых поверхностей. Очевидными средствами усиления моющего действия СОТС являются увеличение ее расхода через зоны обработки, увеличение скорости потока и создание условий возникновения кавитации на рабочей поверхности инструмента. Все это в существенной степени зависит от технологических средств реализации потенциальных возможностей СОТС или от техники подачи их в контактные зоны. Весьма перспективным направлением для усиления моющих свойств СОТС является использование УЗ техники ее подачи, так как в этом случае, как правило, в зоне резания создаются условия для возникновения кавитации и ускорения движения жидкости сквозь сеть капиллярных каналов в удаляемых слоях металла заготовки. Диспергирующее (или режущее и пластифицирующее) действие СОТС заключается в способности технологической среды облегчать пластическое деформирование обрабатываемого материала заготовки и разрыв связей в нем при внедрении инструмента. Эти свойства позволяют повысить период стойкости режущего инструмента, облегчить процесс резания заготовок, в том числе из труднообрабатываемых материалов, интенсифицировать режим резания. Современное представление о механизме «режущего» действия СОТС базируется на работах академика П. А. Ребиндера и его сотрудников [76]. В соот-

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ…

65

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ветствии с ними «режущее» действие заключается в адсорбционном понижении прочности и пластифицировании металла. В основе проявления диспергирующего (пластифицирующего и режущего) действия СОТС лежат механистический и энергетический механизмы. Согласно механистическому механизму, СОТС, проникая за счет капиллярных сил в микротрещины, которые создаются в процессе резания металла заготовки, вызывает в них при дальнейшей деформации расклинивающее действие и образует пленки на стенках образовавшихся полостей, затрудняющие их сваривание. По энергетической трактовке диспергирующего действия СОТС, отдельные ее атомы (например, азота, водорода, кислорода) внедряются в кристаллическую решетку металла заготовки и располагаются на межатомных связях, ослабляя их. При дальнейшей деформации облегчается процесс пластифицирования металла и уменьшается удельная работа резания. Степень проявления эффекта Ребиндера зависит от следующих факторов [12]: – химического состава твердого тела и СОТС, определяющих характер и интенсивность межатомных взаимодействий; – структуры, характера и количества дефектов на поверхности; – условий деформации и разрушения (для проявления эффекта необходимо растяжение, а не сжатие); – количества поступающих в зону разрушения активных компонентов СОТС. В зависимости от совокупности этих факторов, а также элементов режима механической обработки эффект Ребиндера может проявляться в различной степени и форме – от облегчения пластического деформирования до значительного понижения прочности, приводящего к возникновению хрупкости, вплоть до самопроизвольного диспергирования на частицы коллоидных размеров. Обязательным условием существования эффекта Ребиндера является сходство химического состава и строения внешней среды и разрушаемого тела. Учитывая, что использование энергии УЗ поля связано с возникновением звукокапиллярного эффекта и релаксацией остаточных напряжений поверхностного слоя металлов, можно предположить возможность влияния УЗК на степень проявления эффекта Ребиндера в процессах механической обработки. Демпфирующее действие СОТС заключается в понижении амплитуды колебаний элементов технологической системы (прежде всего – инструмент– заготовка) в случае использования водных и особенно масляных СОЖ. Этот факт впервые отмечен И. Л. Худобиным [96] и находит практическое применение при шлифовании с выхаживанием. В последнем случае производительность шлифования существенно увеличивается за счет сокращения времени на процесс выхаживания. Понижение уровня колебаний в зоне контакта шлифоваль-

66

Глава 3

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ный круг–заготовка (а также круг–правящий инструмент), вероятно, может быть достигнуто в том случае, когда СОТС создает пленки, разделяющие трущиеся поверхности. Учитывая ударный характер взаимодействия инструмента и заготовки, при некоторых методах обработки (например, фрезерование) и современные тенденции к резкому увеличению скоростей лезвийной обработки (до 10 – 20 м/с и более [47]) данному действию СОТС и методам его реализации в ближайшем будущем, несомненно, будет уделено достаточно большое внимание. В частности следует ожидать использования в качестве демпфера в контактных зонах не только масляных СОЖ, но и пластичных смазок и твердых смазочных материалов, способных при контактных температурах зоны резания переходить из одного агрегатного состояния в другое, усиливая теплоотвод и повышая качество поверхностного слоя обрабатываемых заготовок. Наложение УЗК будет усиливать демпфирующее действие СОТС.

3.2. Ультразвуковая гидроочистка рабочих поверхностей инструментов из сверхтвердых материалов

Как упоминалось ранее (см. гл. 2), УЗ гидроочистка рабочих поверхностей абразивных инструментов известна достаточно давно. Однако ее использование в производственных условиях не нашло пока широкого применения главным образом из-за трудности в обеспечении постоянного и малого (0,1 – 0,3 мм) зазора между рабочей поверхностью быстроизнашиваемого абразивного инструмента на керамической связке и обрабатываемой заготовкой. В последние годы в различных отраслях промышленности и прежде всего в авиастроении, судостроении и автомобилестроении в конструкциях серийно выпускаемой техники находят широкое применение волокнистые (в том числе полимерные) композиционные материалы (КМ), образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. КМ характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов, взятых в отдельности. Обычно КМ состоят из основы (часто пластическая масса или сравнительно легкие металлы), называемой матрицей, служащей связующим материалом, и включений различных компонентов в виде порошков, волокон, нитевидных кристаллов, тонкой стружки и т.п. Варьируя объемным содержанием компонентов, можно получить КМ с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, жесткости, абразивной стойкости и др. эксплуатационными свойствами, которыми не обладают известные материалы. Их применение из года в год все более возрастает. Так в конструкции магистрального самолета Ту-204 КМ составляют 14 % от массы конструкции. В самолете

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ…

67

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Ил-96-300 КМ применены в большом количестве (1650 кг), что позволило существенно уменьшить его массу. Большое количество КМ (по массе и наименованиям) было использовано в орбитальном корабле многоразового использования «Буран» [9]. Механическая обработка таких материалов сводится, как правило, к алмазной отрезке и алмазному сверлению и связана с особыми сложностями. Так, при сверлении (чаще всего такая обработка осуществляется алмазными сверлами трубчатого сечения), которое выполняется, как правило, без СОЖ, особая трудность заключается в предотвращении распыления частиц КМ в механообрабатывающем цехе. При абразивной отрезке кругами из сверхтвердых материалов наблюдается интенсивное засаливание рабочих поверхностей инструмента весьма мягким материалом матрицы КМ. Подобная задача была успешно решена в процессе исследований в действующем производстве НПО «Молния» (г. Москва) при разрезке заготовок из боралюминиевых КМ использованием энергии УЗ поля для гидрокавитационнной очистки рабочих поверхностей алмазных отрезных кругов [40]. В данном КМ чрезвычайно высокая твердость включений карбидов бора (НV 4200) сочетается с высокой пластичностью и химической активностью алюминиевого сплава. Исследования выполнены на экспериментальной установке, созданной на базе алмазно-отрезного станка GS-400 (Германия). Рабочая скорость круга Vк = 14,5 м/с, скорость врезной подачи круга Vt варьировали от 20 до 100 мм/мин. Заготовку – трубу из боралюминиевого КМ диаметром 45 мм и толщиной 1 мм устанавливали в призму. Гидрокавитацию с использованием энергии УЗ поля создавали с помощью трех полуоткрытых клиновых насадков, расположенных с зазором 0,2 мм от рабочих поверхностей алмазного отрезного круга (рис. 29). В качестве базы для сравнения использовали результаты исследований по заводской технологии с подачей СОЖ Аквол-10М (5 %-й водный раствор) поливом. Во всех случаях суммарный расход СОЖ составлял 20 дм3/мин. Рис. 29. Принципиальная схема устройства для УЗ гидрокавитации для очистки алмазных кругов при отрезке заготовок из КМ: 1 – отрезной круг; 2 – клиновой полуоткрытый насадок; 3 – трубопровод; 4 – пьезоэлектрический преобразователь; цифры в скобках – номер насадка

68

Глава 3

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

УЗК частотой 18,6 кГц и амплитудой 5 мкм накладывали от УЗ генератора УЗУ-025. Для оценки эффективности процесса отрезки использовали следующие критерии: – Ру и Рz – радиальную и касательную составляющие силы резания, Н; – коэффициент резания К Т = Р z Р у . Составляющие силы резания измеряли с помощью универсального динамометра УДМ-100, усилителя 8АНЧ-7М и осциллографа Нева-МТ1. Отрезка заготовок из боралюминиевых КМ абразивным кругом из карбида кремния черного на бакелитовой связке 54С40НСТ1Б2 малоэффективна: после отрезки одной заготовки вследствие высокой скорости износа наружный диаметр круга уменьшился на 1,5 мм. Для повышения эффективности отрезки использовали алмазные отрезные круги на металлических связках: А 200/160 100 M, AOK 200/160 50 M (Германия). Анализ результатов исследований (табл. 11) показал, что использование устройства для очистки алмазных отрезных кругов позволяет существенно повысить эффективность отрезки. 11. Влияние УЗ гидроочистки рабочих поверхностей алмазного круга на эффективность отрезки заготовок из боралюминиевых КМ Скорость Составляющие силы КоэффициТехника подачи СОЖ врезной подарезания, Н ент резачи Vt, мм/мин ния, КТ Pz Py *) 6,0/6,3 1,6/1,3 Полив 50 9,3/9,0 13,4/13,1 8,0/8,0 1,7/1,6 80 20,0/19,5 10,4/10,3 1,9/1,9 100 6,6/6,4 1,4/1,4 Гидроочистка с помощью насадка 2 50 9,3/9,0 12,4/11,5 7,7/7,4 1,6/1,6 (см. рис. 29) 80 19,5/17,4 10,0/10,4 2,0/1,7 100 6,5/6,5 1,4/1,3 Гидроочистка с помощью насадков 50 9,3/8,6 10,2/11,0 7,5/7,1 1,4/1,6 2и3 80 100 18,2/17,0 10,0/10,4 1,8/1,6 Гидроочистка с помощью насадков 50 9,2/8,5 6,7/6,5 1,4/1,3 1и2 80 11,9/11,0 6,8/7,6 1,8/1,5 100 17,1/17,0 9,6/10,7 1,8/1,6 Гидроочистка с помощью насадков 50 9,0/8,0 6,7/5,9 1,3/1,4 1, 2 и 3 80 11,2/10,0 7,3/7,0 1,5/1,4 100 16,5/15,2 9,2/10,1 1,8/1,5 *) В числителе приведены результаты при шлифовании кругом А 200/160 100 M, в знаменателе – кругом AOK 200/160 50 M

Подача СОЖ с наложением УЗК через 3 насадка по сравнению с подачей СОЖ поливом позволяет уменьшить составляющую силы резания Рz на 3,0; 16,0 и 17,5 % при скорости врезной подачи Vt = 50; 80 и 100 мм/мин соответственно при отрезке кругом А 200/160 100 M и на 11,0; 24,0 и 22,0 %

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ…

69

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

венно при отрезке кругом А 200/160 100 M и на 11,0; 24,0 и 22,0 % при отрезке кругом AOK 200/160 50 M. Составляющая силы резания Ру при этом уменьшилась на 6,0 – 11,0 %. Уменьшение силы резания при отрезке объясняется интенсивной гидроочисткой рабочей поверхности круга от частиц металла и отходов вследствие возникающей гидрокавитации в УЗ поле. Следует отметить, что эффективность гидроочистки по сравнению с подачей СОЖ поливом повышается с интенсификацией режима отрезки. Таким образом, УЗ гидроочистка алмазных инструментов позволяет существенно повысить эффективность обработки заготовок из таких труднообрабатываемых материалов, как боралюминиевые КМ. При этом эффективность тем выше, чем больше теплосиловая напряженность обработки заготовок.

3.3. Использование акустического распыления СОЖ для интенсификации ее действий при механической обработке заготовок

Известно, что проникновение СОЖ в контактные зоны при механической обработке заготовок облегчается с уменьшением диаметра капель жидкости. При этом интенсифицируются функциональные действия СОЖ в зоне обработки за счет увеличения удельной поверхности капель, и появляется возможность сокращения ее непроизводительного расхода путем направления жидкости к контактным зонам сквозь капиллярные каналы, существующие между поверхностями инструмента и заготовки, в стружке. Учитывая, что современные СОЖ изготавливаются из дорогостоящих и дефицитных компонентов, предпочтение следует отдавать технологии и технике их применения, обеспечивающим при максимальной технологической эффективности минимальный расход СОЖ. Малый расход СОЖ достигается при подаче их в виде воздушножидкостной смеси (аэрозоли). Аэрозоли СОЖ представляют собой полидисперсную систему, в которой дисперсной фазой являются сферические движущиеся капли жидкости. Свойства воздушно-жидкостного аэрозоля (тумана) коренным образом отличаются от свойств как воздуха, так и жидкости в объеме. Например, триэтиленгликоль в объеме не обладает бактерицидными и дезинфицирующими свойствами, а аэрозоль триэтиленгликоля – сильнейший дезинфектант. Специфические свойства аэрозолей обусловлены в основном их полидисперсностью, поэтому распределение частиц по размерам (кривая распределения) является самой полной характеристикой аэрозоля. Однако в связи с трудностью ее построения на практике пользуются частотными характеристиками дисперсности – средним объемно-поверхностным и медианным диаметрами.

70

Глава 3

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Дисперсность аэрозолей сложным образом зависит от физико-технических свойств распыляемой жидкости, конструкции сопла (насадка), способа и режима распыления. Серийно выпускались установки для подачи воздушножидкостных СОТС к зоне резания типа УР-3, УР-3А, УР-3М, УРС-75 (размер капель 12 – 15 мкм) Моссальским опытным заводом СКБ металлорежущих станков, однако, широкого распространения в условиях действующего производства не получили из-за сложности в эксплуатации и больших габаритных размеров. Преимущества – малый расход дефицитных СОТС (не более не более 400 – 500 г/ч распыленной СОЖ на водной основе и 0,5 – 3,0 г/ч – масляных). Такие установки использовали в составе станков с ЧПУ и на автоматических линиях. В Ульяновском государственном техническом университете разработано принципиально новое устройство [64], обеспечивающее образование мелкодисперсных аэрозолей, капли жидкости которых соизмеримы с размерами капиллярных каналов, существующих между поверхностями стружки и инструмента при лезвийной обработке, в зонах контакта а.з. – обрабатываемый материал при шлифовании и а.з. – алмазное зерно при правке абразивных кругов. Мелкодисперсная воздушно-жидкостная смесь в предлагаемом устройстве образуется путем подвода к зоне распыления акустической энергии высокой частоты через слой распыленной жидкости. Распыление происходит в верхней части образующегося при этом фонтана. Выбор диапазона частот УЗК обусловлен необходимостью получения частиц жидкости определенного размера. Известно [87], что диаметр d капель (частиц) и частота колебаний fr связаны зависимостью 8πσ 0 , (64) d =3 ρ ж f r2

где σ 0 – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м. Расчеты по зависимости (64) показали, что для жидкостей на водной основе (τ0 = 7⋅10-3 Н/м; ρж = 1000 кг/м3) диаметр частиц равен размеру сечений капилляров в зоне механической обработки, который по данным работ [46, 52, 79] составляет 2⋅10-7 – 4⋅10-6 м при частоте колебаний 1 – 77 МГц. Устройство для подачи СОТС в виде мелкодисперсной аэрозоли (рис. 30) содержит промежуточный 1 и верхний 2 сосуды, образующие камеру распыления, в которой располагается сосуд 5 для распыляемой жидкости. На дне промежуточного сосуда 1 крепится фокусирующий пьезоэлемент (пьезопреобразователь) 7. С верхним сосудом 2 соединены трубки 3 и 4 для подачи в камеру сжатого воздуха и нагнетания аэрозоля в зону обработки. После заполнения сосуда 5 жидкостью до уровня, расположенного несколько выше фокусного расстояния пьезопреобразователя, на последний подается электрический сигнал от

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ…

71

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

УЗ генератора. Жидкость распыляется благодаря эффекту кавитации. При наложении УЗК на поверхность струи, возникающей вследствие фонтанирования СОЖ, возбуждаются капиллярные волны, а капли аэрозоля образуются в результате их отрыва от гребней волн. Через трубку 3 подается воздух, а образовавшаяся воздушно-жидкостная смесь через трубку 4 направляется в зону обработки. Эффективность устройства выявляли при сверлении пакета из алюминиевых сплаРис. 30. Устройство для подачи СОТС в виде мелкодисвов, при правке абразивных кругов алмазныперсной аэрозоли [64]: 1 − промеми инструментами и шлифовании заготовок жуточный сосуд камеры распылеиз труднообрабатываемых материалов. Базой ния; 2 − верхний сосуд; 3 − трубка для сравнения во всех случаях являлась эфдля подачи воздуха; 4 − трубка для подачи аэрозоли; 5 − сосуд фективность предусмотренных технологиядля распыляемой СОЖ; 6 − конми, действующими на предприятии, устцентрат водной СОЖ или масло; ройств для подачи СОЖ. Так, на операциях 7 − пьезопреобразователь сверления пакетов заготовок из алюминиевых сплавов по действующему технологическому процессу предусмотрена подача поливом жидкого быстроиспаряющегося фреона, объемы производства и применения которого сокращаются из-за негативных экологических последствий. Имеются технические предложения по замене фреона подачей ионизированного воздуха [72]. На операциях шлифования и при правке кругов используют подачу СОЖ поливом. Отверстия в заготовках из алюминиевых сплавов 1163Т7 сверлили на стенде, смонтированном на базе станка мод. 6Д10 сверлами диаметром 10 мм из стали Р6М5 с углом в плане 2ϕ = 118°. В качестве критериев оценки эффективности процесса использовали крутящий момент Мкр и осевую силу Р, возникающие при сверлении, параметр Ra шероховатости обработанной поверхности, износ сверла по задней поверхности. Элементы режима резания выбирали, ориентируясь на базовое предприятие (Воронежское авиационнопроизводственное объединение): частота вращения шпинделя п = 1600 об/мин, скорость подачи Vx = 71 мм/мин. Исследования отличались способом подачи СОТС: 1 – без подачи СОТС; 2 – подача ионизированного воздуха через специальное устройство [72] при выходном токе Iвых = 300 мкА; 3 – подача мелкодисперсной аэрозоли спирта, распыляемого путем наложения УЗК частотой 2,64 МГц и выходной мощностью 50 Вт с расходом спирта 40 г/ч с помощью устройства по рис. 30; 4 – по-

Глава 3

72

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

дача аэрозоля спирта, распыляемого за счет энергии струи движущегося воздуха с помощью установки типа УРС-75 с расходом спирта 400 г/ч; 5 – подача фреона поливом с расходом 4,65 г/мин. Результаты исследований (табл. 12) показали, что процесс сверления с подачей мелкодисперсной аэрозоли спирта характеризуется низкой силовой напряженностью, при этом обеспечивается минимальный крутящий момент (Мкр = 5,7 Н⋅м) и малая осевая сила Рх = 250 Н. Подача аэрозоли, получаемой за счет энергии сжатого воздуха, несмотря на одинаковый расход спирта, обеспечивает большие силовые показатели процесса: сила Рх выше на 12 %, крутящий момент Мкр – на 37 % по сравнению по сравнению с подачей мелкодисперсной аэрозоли, полученной с помощью УЗК от устройства по рис. 30, что можно объяснить большими размерами частиц капель распыляемой жидкости в аэрозоли. 12. Эффективность акустического распыления СОТС с помощью УЗК при сверлении алюминиевых пакетов [42] (условия эксперимента см. выше) №

Способ подачи СОТС

1 2 3 4

Без подачи СОТС Подача ионизированного воздуха Подача аэрозоли, распыляемой с помощью УЗК Подача аэрозоли, распыляемой за счет энергии сжатого воздуха Подача фреона поливом

5

Показатели процесса сверления Рх, Н Мкр, Н⋅м Ra, мкм 370 8,5 3,0 265 6,5 1,8 250 5,7 1,7 280 7,8 2,6 310

8,0

1,7

Максимальная осевая сила Рх зарегистрирована при сверлении всухую и с подачей в зону обработки жидкого фреона; в этих случаях получен и наибольший крутящий момент Мкр. Подача в зону резания мелкодисперсной аэрозоли и жидкого фреона позволяет получить обработанную поверхность с минимальным параметром шероховатости Ra = 1,7 мкм. Максимальное значение Ra = 3 мкм зафиксировано при сверлении без применения СОТС. Таким образом, эффективность сверления с подачей мелкодисперсной аэрозоли выше, чем с подачей жидкого фреона, а также аэрозоли, образующейся за счет использования энергии сжатого воздуха при одинаковом расходе спирта, что можно объяснить тем обстоятельством, что в последнем случае образуются капли жидкости относительно большего размера (12 – 15 мкм). По сравнению с предлагаемым вариантом решения технологических затруднений сверления алюминиевых пакетов использование в качестве СОТС ионизированного охлажденного воздуха [72] отличается меньшей эффективностью и надежностью. Исследование эффективности устройства для подачи СОЖ в виде мелкодисперсных аэрозолей, распыляемых в зону правки путем наложения УЗК час-

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ…

73

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

тотой 2,64 МГц на концентрат СОЖ, проводили на экспериментальной установке, созданной на базе круглошлифовального станка 3М151. Для оценки эффективности процесса правки использовали показатели, связанные с эффективностью шлифования заготовок кругом, правка которого осуществлялась при различных способах подачи СОТС: – составляющие силы шлифования Рz и Ру, Н; – коэффициент шлифования по объему К ш = Q м Qа , где Qм – объем сошлифованного материала заготовки, мм3; Qа – расход круга, мм3; – коэффициент режущей способности абразивного круга К р = Q р Р у , где Qм – режущая способность круга (объем сошлифованного материала заготовки в единицу времени), мм3/мин; – удельная мощность шлифования К N = N ш Q р , Вт⋅мин/мм3, где Nш – мощность шлифования, Вт. После правки абразивного круга 24А16НСМ16К6 шлифовали образцы из коррозионностойкой стали 14Х17Н2 и жаропрочного сплава ВЖЛ-12 с рабочей скоростью круга Vк = 35 м/с и окружной скоростью заготовки Vз = 35 м/мин. Скорость врезной подачи составляла 0,1 мм/мин при шлифовании образцов из сплава ВЖЛ-12 и 1,2 мм/мин – из стали 14Х17Н2. Периодическую правку абразивного круга осуществляли после обработки 4 – 8 заготовок алмазным карандашом СФ в три прохода с поперечной подачей 0,03 мм/дв. ход и продольной подачей 0,3 мм/мин. Эффективность устройства для подачи СОТС в виде мелкодисперсной аэрозоли концентрата СОЖ (см. рис. 30) оценивали в сравнении с подачей той же СОЖ (5 %-й водный раствор Аквол-15) поливом, одновременно поливом и гидроаэродинамическим способом [35], а также одновременно гидроаэродинамическим способом и поливом с наложением УЗК частотой 18,6 кГц (от генератора УЗУ-025) на правящий карандаш и гидродинамическое сопло (рис. 31) [42]. После правки Рис. 31. Устройство для подачи СОЖ в зону круга заготовки шлифоваправки гидроаэродинамическим способом с наложели с подачей СОЖ полинием УЗК: 1 − шпилька; 2 − гайка; 3 − пьезокерамиче3 ские кольца; 4 − волновод-насадок для подачи СОЖ; вом с расходом 40 дм /мин. 5 − штуцер; 6 − круг; 7 − алмазный карандаш

74

Глава 3

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В устройстве для подачи СОЖ гидроаэродинамическим способом с наложением УЗК на волновод-насадок 4, расположенный с зазором 0,1 – 0,3 мм по отношению к поверхности абразивного круга 6. На выходе из полости насадка 4 жидкость омывает рифления, выполненные на торце насадка, благодаря чему улучшается моющее действие по отношению к рабочей поверхности абразивного круга, а затем поступает в зону правки. При подаче электрического сигнала от генератора на пьезокерамические преобразователи 3, закрепленные на шпильке 1 гайкой 2, УЗК накладываются на волновод-насадок 4 и алмазный карандаш 7. Из табл. 13 [34, 42] следует, что подача СОТС в виде мелкодисперсной аэрозоли способствует формированию микрорельефа круга, обеспечивающего по сравнению с подачей СОЖ поливом, несмотря на существенно меньший (в 103 – 105 раз) расход жидкости, несколько меньшие значения показателей силовой напряженности процесса, износа круга и параметров шероховатости шлифованной поверхности. 13. Эффективность акустического распыления СОЖ в зону правки абразивных кругов с помощью УЗК при шлифовании заготовок из труднообрабатываемых материалов [42] Показатели процесса шлифования Силы шли- Коэффици- Удельная Параметры шероКоэффиц фования, Н ент режу- мощность ховатости, мкм Способ подачи СОЖ иент щей спо- шлифовашлифособности Кр, ния КN, Ру Рz Ra Rmax S вания Кш 3 мм /мин Вт ⋅ мин/мм3 Свободно падающей 32,5* 27,5 2,3 6,0 4,2 0,25 0,11 0,090 струей (поливом) 41,0 35,0 15,0 24,0 5,5 0,80 5,0 0,085 Одновременно гидро31,0 26,0 2,5 5,0 4,1 0,20 0,09 0,085 аэродинамическим 35,0 32,5 16,0 25,0 5,0 0,70 4,5 0,090 способом и поливом Одновременно гидроаэродинамическим способом и поливом с 29,0 24,0 2,7 4,0 4,5 0,10 0,08 0,065 наложением УЗК на 25,0 25,5 22,0 21,0 5,3 0,30 3,2 0,060 правящий инструмент и гидроаэродинамическое сопло В виде мелкодисперс- 30,0 25,0 2,4 5,0 4,3 0,18 0,09 0,08 ной аэрозоли 29,5 28,0 18,0 21,5 5,3 0,45 4,0 0,07 *) В числителе – результаты при шлифовании заготовок из сплава ВЖЛ-12, в знаменателе – из стали 14Х17Н2

При шлифовании образцов из жаропрочного сплава ВЖЛ-12 и стали 14Х17Н2 коэффициент режущей способности круга Кр увеличивается соответственно на 5 и 20 %, коэффициент шлифования Кш увеличивается на 10 % (при шлифовании заготовок из сплава ВЖЛ-12); уменьшаются параметры шероховатости Ra – на 30 и 45 %, Rmax – на 18 и 20 %, S – на 12 и 21 %. Подача СОЖ в

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ…

75

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

зону правки в виде мелкодисперсной воздушно-жидкостной смеси оказывает большее влияние на процесс шлифования заготовок из стали 14Х17Н2, имеющих по сравнению с заготовками из сплава ВЖЛ-12 лучшую обрабатываемость шлифованием. Однако наибольшую эффективность шлифования обеспечивает правка с подачей СОЖ одновременно гидроаэродинамическим способом и поливом с наложением УЗК на волновод-насадок и карандаш. По сравнению с подачей СОЖ поливом коэффициент Кр увеличивается на 15 и 40 % при шлифовании заготовок из сплава ВЖЛ-12 и стали 14Х17Н2 соответственно; КN уменьшается на 17 и 30 %; Кш увеличивается на 18 % (при шлифовании заготовок из сплава ВЖЛ-12); параметр шероховатости Ra уменьшается на 60 и 63 %, Rmax – на 30 и 35 %. Шлифование заготовок из коррозионностойкой стали и жаропрочного сплава с подачей СОЖ в зону обработки в виде мелкодисперсной аэрозоли, как и ожидалось, малоэффективно [34, 42]. В отличие от зоны правки круга, контакт в зоне шлифования отличается гораздо большей сплошностью. Поэтому расход подаваемой жидкости и энергия ее струи недостаточны для удовлетворительной реализации ее функциональных свойств [34, 42].

3.4. Выводы

1. Функциональные действия СОТС при использовании в процессах механической обработки УЗК, как правило, усиливаются и оказывают существенное влияние на производительность и качество поверхностного слоя обработанных деталей из металлов, сплавов и КМ. 2. Из всех явлений, сопровождающих введение УЗК в зону резания заготовок инструментами при наличии в последней даже небольших количеств СОЖ, особое внимание следует уделять кавитации, способной коренным образом изменить условия формообразования новых поверхностей. 3. Наложение УЗК способствует ускорению движения СОЖ сквозь сеть капиллярных каналов к зонам контактного взаимодействия инструмента с материалом заготовки. 4. Акустическое распыление СОЖ с помощью энергии УЗ поля позволяет создать воздушно-жидкостные аэрозоли, размеры капель жидкости в которых соизмеримы с размерами поперечных сечений образующихся при резании капилляров. 5. Использование мелкодисперсных аэрозолей, образованных энергией высокочастотного УЗ поля при механической обработке резанием позволяет при расходе СОЖ в 103 – 105 раз меньшем, чем при подаче ее поливом, обеспечить высокие технологические показатели при сверлении алюминиевых пакетов взамен экологически вредных быстро испаряемых фреоновых смесей и при правке абразивных кругов алмазными инструментами.

76 –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Глава 4. ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ К КОНТАКТНЫМ ЗОНАМ ПРАВКИ АБРАЗИВНЫХ КРУГОВ И ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК 4.1. Ультразвуковая техника подачи СОЖ сквозь поровое пространство абразивного круга Эффективность операций шлифования и правки абразивных кругов в существенной степени зависит от состава и способа (техники) подачи в зону обработки СОЖ. Проблема рационального применения СОЖ особенно актуальна при совмещенном (торцекруглом или многокруговом) и фасонном шлифовании заготовок типа вала-шестерни, ступенчатых и коленчатых валов, елочных замков лопаток турбин, которые из-за большой площади контакта абразивного круга (или кругов) с поверхностями заготовки и особенностей кинематики процесса характеризуются интенсивным затуплением и засаливанием рабочих поверхностей круга, высокой тепловой и силовой напряженностью и, как следствие, большой вероятностью появления дефектов на обработанных поверхностях деталей. Традиционные способы подачи СОЖ свободно-падающей струей (поливом) или напорной струей к зоне обработки под давлением не более 2 МПа не обеспечивают проникновения ее в контактные зоны шлифования и правки в достаточном количестве из-за мощных воздушных потоков, генерируемых вращающимся абразивным кругом, вследствие чего потенциальные возможности как самих СОЖ, так и абразивных кругов и правящих инструментов реализуются не в полной мере. К наиболее эффективным разработкам, используемым в нашей стране и за рубежом, относятся устройства для гидроочистки рабочей поверхности с наложением УЗК [1, 13, 49, 53, 65, 66, 95], а также техника подачи СОЖ струйнонапорным внезонным способом (СНВС) [100]. В первом случае возникают трудности, обусловленные обеспечением необходимого зазора между волноводом и рабочей поверхностью круга, который изменяется по мере износа последнего и при правке. Эксплуатация техники подачи СОЖ СНВС предполагает использование насосов высокого давления, дорогих и ненадежных при подаче водных (наиболее распространенных) жидкостей. УЗ техника подачи СОЖ [63], разработанная в Ульяновском государственном техническом университете, свободна от большей части недостатков в сравнении с имеющимися разработками при обеспечении равной или большей технологической эффективности. Ее применение существенно изменяет меха-

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

77

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

низм проникновения СОЖ в зоны шлифования и правки: жидкость выбрасывается из пор круга непосредственно в зону его контакта с заготовкой. При этом СОЖ поступает в полость клинового насадка 3 (рис. 32), сужающуюся в направлении подачи жидкости, совпадающем с направлением вращения абразивного круга 2, что обеспечивает в зазоре между насадком и кругом режим гидродинамической смазки и способствует замене интенсивных торцовых воздушных потоков, генерируемых вращающимся кругом, жидкостными. Последнее облегчает транспортирование СОЖ в контактные зоны при подаче ее поливом через сопло 7. Остальная часть СОЖ проникает в поровое пространство абразивного круга, затем под действием центробежных сил выбрасывается на его рабочую поверхность и поступает непосредственно в зону шлифования заготовки 6. УЗК, накладываемые на насадок от УЗ генератора препятствуют возникновению паровоздушной закупорки пор [106] и способствуют интенсификации пропитки жидкостью порового пространства абразивного круга.

7

3

2

4

5

3

Рис. 32. Устройство для подачи СОЖ к торцу круга через полуоткрытый клиновой насадок с наложением УЗК [63]: 1 − защитный кожух; 2 − шлифовальный круг; 3 − полуоткрытый клиновой насадок; 4 − патрубок для подвода СОЖ; 5 − волновод; 6 − обрабатываемая заготовка; 7 – сопло для подачи СОЖ поливом

Применение УЗ техники подачи СОЖ позволяет при использовании обычных низконапорных (давление до 0,05 МПа) систем подачи СОЖ и относительно малом (до 40 дм3/мин) расходе жидкости существенно увеличить ее расход через зону шлифования, причем в большей степени через зону контакта круга с торцовой или фасонной поверхностью заготовки, что особенно важно при совмещенном торцекруглом и фасонном шлифовании. К настоящему времени разработаны и испытаны устройства для реализации УЗ техники подачи СОЖ разных габаритных размеров и новые малогаба-

78

Глава 4

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ритные УЗ генераторы [36], отличающиеся современной элементной базой, малыми потребляемой мощностью и массой. Стендо-станочные лабораторные и опытно-промышленные испытания показали, что УЗ техника подачи СОЖ к торцам абразивного круга по сравнению с подачей СОЖ поливом при обработке заготовок из материалов, широко используемых в разных отраслях промышленности, обеспечивает снижение на 20 – 45 % составляющих силы шлифования и контактных температур; в 2 – 10 раз увеличивает период стойкости и сокращает расход дорогостоящих абразивных кругов и правящих инструментов; кроме того, существенно улучшаются эксплуатационные характеристики шлифованных деталей. Рассмотрим возможные пути повышения эффективности УЗ техники подачи СОЖ к торцам шлифовального круга через клиновые полуоткрытые насадки.

4.2. Аналитическое исследование поглощения ультразвуковых волн при движении сквозь поровое пространство абразивного круга В основе теоретических предпосылок для разработки УЗ техники подачи жидкости при шлифовании через полуоткрытые клиновые насадки [36, 63] лежит стремление использовать энергию УЗ поля для ликвидации эффекта паровоздушного закупоривания порового пространства круга при фильтрации сквозь него СОЖ [106]. При этом для расчета УЗ устройств использовали приближенные уравнения, полученные линеаризацией уравнений гидродинамики и уравнений состояния [44], как обычно поступают при исследовании УЗ волн небольшой амплитуды, при которых возмущения равновесного состояния среды, вызванные этими волнами, оказываются малыми. Между тем эти приближения являются недостаточными в случае УЗ волн большей интенсивности, что имеет место на самом деле при использовании УЗ генераторов серии УЗУ и УЗГ для возбуждения колебаний в насадках для подачи СОЖ [88]. Распространение УЗ волн большей интенсивности сопровождается рядом эффектов, зависимых от амплитуды волны. Для описания этих эффектов необходимо учитывать нелинейные члены уравнений гидродинамики, наличие которых существенным образом меняет картину распространения интенсивной УЗ волны, в частности характер ее поглощения [88]. Это особенно важно при использовании УЗ техники подачи СОЖ для шлифования кругами диаметром свыше 600 мм, когда УЗ насадки размещаются по торцам вблизи его планшайбы, так как в этом случае жидкость по внутренним трактам до зоны обработки проходит расстояние, большее длины одной УЗ волны.

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

79

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Энергия УЗ волны при ее распространении вследствие необратимых процессов, обусловленных теплопроводностью и вязкостью среды, переходит в энергию скрытого теплового движения. В результате этого происходит постепенное поглощение энергии волны, а следовательно, с удалением по радиусу от окружности расположения клинового полуоткрытого насадка уменьшается вероятность ликвидации эффекта паровоздушного закупоривания порового пространства круга при фильтрации СОЖ (см. рис. 32). Процесс поглощения ультразвука в жидкостях описывается уравнениями гидродинамики с учетом теплопроводности и вязкости. Если искать решение линеаризованных уравнений гидродинамики для одномерного случая в виде плоской гармонической волны типа exp(ky − 2πf r t ) , то волновое число k оказывается комплексным: вещественная его часть k1 определяет длину волны, а мнимая – коэффициент поглощения an [51]: k = k1 + ia n ; (65)

e ky − 2πf r ⋅t = e an ⋅ ei (k1 y − 2πf r ⋅t ). (66) При этом коэффициент поглощения an, обусловленный релаксационными процессами, выражается следующей зависимостью [20]:

(C =

2 ∞

)

2 2 − C02 2π f r τ p

(4π

)

. (67) f r2 + 1 Вещественная часть волнового числа k1 в этом случае [20] 2 2 2 C∞2 − C02 2π f r τ p  2πf r  1− , (68) k1 = 2 2 2 2  C0  + C π f τ 4 1 r p 0   где τ р – время релаксации, с; C∞ и Со – скорости звука на высоких an

C03

(

)

(

2

)

( 2πf r τ p >> 1) и низких ( 2πf r τ p << 1 ) частотах соответственно, м/с. Из соотношений (67) и (68) видно, что релаксационные процессы приводят к дисперсии скорости звука или к зависимости фазовой скорости C ′ = 2πf r k1 от частоты и к своеобразной частотной зависимости коэффициента поглощения, рассчитанного на одну длину волны. Следует отметить, что при поглощении синусоидальной волны форма ее, согласно уравнений (65) и (66), не изменяется и остается гармонической при уменьшении ее амплитуды. В отличие от этого, форма УЗ сигнала произвольной формы (например – прямоугольной, выдаваемой УЗ генераторами серии УЗУ) изменяется и со временем постепенно сглаживается. Это объясняется тем, что различные спектральные компоненты сигнала затухают по-разному из-за частотной зависимости коэффициента поглощения, возрастающего пропорционально квадрату частоты. При этом точки профиля, соответствующие большему сжатию, движутся быстрее, чем точки, соответствующие меньшей плотно-

Глава 4

80

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

сти. В результате крутизна волновых фронтов увеличивается, что может привести к возникновению разрыва на каждом периоде волны и образованию волны пилообразной формы. С другой стороны, вязкость и теплопроводность среды осуществляют сглаживание профиля волны и некоторое уменьшение градиентов скорости и температуры. Применение УЗ устройств подачи СОЖ при шлифовании характеризуется использованием УЗ волн высокой интенсивности. В этом случае доминируют нелинейные эффекты и форма волны сильно изменяется. Рост поглощения энергии УЗ волн обусловлен увеличением крутизны волновых фронтов благодаря более сильной диссипации при нарастании градиентов скорости и температуры. Поэтому поглощение УЗ волн оказывается зависящим от расстояния до излучателя (клинового полуоткрытого насадка). Оно мало вблизи излучателя, максимально в области, где волна имеет пилообразную форму, а затем вновь уменьшается. В практике эксплуатации УЗ устройств подачи СОЖ вышеописанные процессы усугубляются и тем, что в силу стесненности условий УЗ насадок достаточно часто приходится размещать под углом β к торцу круга, отличным от 90° (рис. 33). В результате Рис. 33. Расположение насадка для подачи фронт распространения СОЖ с торца круга при стесненных условиях: 1 – УЗК ни только не совпадает круг; 2 – УЗ насадок для подачи СОЖ с направлением движения жидкости, но часто и противоположен последнему, что увеличивает степень поглощения энергии УЗ волн и уменьшает эффективность их действия. Распространение волн конечной амплитуды описывается системой гидродинамических уравнений: уравнением Эйлера (уравнением движения жидкости)  ∂Vгc  µ  + Vгc ∇Vгc  = −∇P + µ∆Vгc′ +  + µ 0 ∇divVгc ; 3   ∂t  уравнением непрерывности потока ∂P + div( ρVгc ) = 0; ∂t уравнением переноса тепла

ρ

(69)

(70)

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

81

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

2

 ∂S  µ  ∂ϑ ∂ϑ 2 ∂ϑ  ρT =  + (Vгc ∇S ) =  i + i − дiк l  + µ 0 (divϑ )2 + λ ж div∇T ; (71) ∂y l   ∂t  2  ∂y к ∂y i 3 уравнением состояния P = P( ρ , S ), (72) где Vгс – гидродинамическая скорость среды, м/с; ρ – плотность cреды, кг/м3; δ – коэффициент пропорциональности; Т – температура среды, К; i, k, l – компоненты единичного вектора (орта); S – удельная энтропия, Дж/(кг K); ∇ – оператор Гамильтона (набла-оператор); ∆ – оператор Лапласа; µ – динамическая вязкость жидкости, Па⋅с; µ 0 – динамическая (вторая) объемная вязкость, Па⋅с. Ограничимся рассмотрением УЗ сигнала не очень большой интенсивности, когда характеризующие движение числа Маха* M = ϑ0 C0 << 1 (ϑ0 – амплитуда колебательной скорости волны). В этом случае можно, без исключения случаев, когда нелинейные эффекты являются весьма значительными, внести существенные упрощения, позволяющие облегчить решения уравнений (69) – (70). Последнее объясняется тем, что нелинейные поправки к решениям линейной акустики, наряду с членами порядка M = ϑ0 C 0 , содержат также и члены, описывающие накапливающиеся эффекты, пропорциональные (например, в случае бегущей вдоль оси r плоской волны) величине Mkr. Поэтому нелинейные эффекты заметно проявляются не только при больших амплитудах волны, когда M ≥ 1 , но и в гораздо более часто встречающемся в практике применения УЗ техники подачи СОЖ случае, когда М<< 1, но накапливающиеся эффекты велики (для бегущей плоской волны, когда Mkr ≈ 1). Уравнение состояния (72) можно записать в следующем виде: 1  ∂с 2  2 ∂P 2 ( ) (S − S 0 ) + ... ρ ρ − + (73) P − P0 = C0 ( ρ − ρ 0 ) +  0 ∂S 2  ∂P  S Учитывая использование линейного источника УЗК (насадок для подачи СОЖ в виде цилиндрического стержня) и кольцевых пьезокерамических преобразователей, ограничимся одномерным случаем распространения УЗК. Тогда уравнение (69) можно преобразовать, если, использовав уравнение (71), учесть неадиабатичность процесса путем объединения члена с вязкостью в этом уравнении с последним членом уравнения состояния (73):  ∂V  ρ  гc + (Vгc ∇ )Vгc  = −∇Ps + b∆Vгc , (74)  ∂t  *

Ниже приведены значения числа Маха для случая использования УЗ техники подачи СОЖ (М = 7,33 ⋅ 10-5).

Глава 4

82

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

где b =

 1 4 1  µ + µ 0 + λ у  − ;  3 C C p   v PS − P0 =

C02

1  ∂с 2  (ρ − ρ 0 ) +   (ρ − ρ 0 )2 . 2  ∂P  S

(75)

Выражение (75) можно записать в другой форме [108]: 2

ρ − ρ0 B  ρ − ρ0   , +  PS − P0 = A ρ0 2  ρ 0   ∂с 2   . где A = ρ 0 C02 ; B = ρ 02   ∂ P  S Найдем отношение B/A:  ∂с B ρ 0  ∂с 2   = = ρ C 2 0 0 A C0  ∂P  P S  ∂P ,

 2ℵC0T  ∂с  +    ∂T C ρ T 

(76)

  ,  P

(77)

где ℵ – характеристика степени нелинейности уравнения состояния cреды (75) или сжимаемость [108]. Вместо B/A часто используют величину ℘ : B  ∂с 2  ρ 0 ℘ = +1 =   ⋅ 2 + 1. A  ∂ρ  S C 0

(78)

Величина ℘ в эмпирическом уравнении состояния для конденсированных веществ (жидкостей) равна показателю степени n [20] : Р = A( ρ / ρ 0 )n − B. (79) Cp Для газов (паров СОЖ) ℘ = [20]. Cv В работе [108] приведены значения ℘ для некоторых жидкостей, рассчитанные по формуле (76) на основе экспериментально определенных зависимостей скорости звука от плотности и температуры (табл. 14). 14. Значения ℘ для некоторых жидкостей в зависимости от температуры [108] Жидкость

Вода (Н2О)

Т, К 273 293 313 333 353 373

℘ 5,2 6,1 6,4 6,7 7,0 7,1

Жидкость Спирт (С2Н5ОН) Трансформаторное масло

Т, К 273 293 313 333 293

℘ 10,5 11,3 11,8 11,9 7,5

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

83

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В предположении, что b 2 ρc 3 k ≈ M , систему уравнений (70), (74) и (75) можно свести к одному уравнению. Для этого, введя функцию ω = ∫ dPS ρ и потенциал скорости ϕ , перепишем уравнение непрерывности (70) в следующем виде:

∂ω ∂ϕ ∂ω 2 ∂ 2ϕ + ⋅ с = 0. ∂t ∂ r ∂r ∂r 2

(80)

Из уравнения Эйлера (74) 2

∂ϕ 1  ∂ϕ  b ∂ 2ϕ ω =− −   + . ∂t 2  ∂ t  ρ 0 ∂r 2

(81)

Из уравнения (75)

с 2 = C0 + (℘ − 1)ω . (82) Подставив (81) и (82) в (80), найдем с точностью до квадратичных по малому параметру М: b с 2ϕ ′′ − ϕ&& + ϕ& ′′ + C 0 (℘ + 1)ϕ ′ϕ ′′ = 0. (83)

ρ0

Перейдя в этом уравнении от переменных r, t к переменным y = t – (r/C0),

∂ϕ , получим ∂r ∂ϑ ε y ∂ϑ ∂ 2ϑ ϑ − =a 2 , ∂r C02 ∂y ∂y

r и возвратившись от потенциала к скорости ϑ =

(84)

b . 2 ρc 3 Уравнение (84), несмотря на приближенный характер, достаточно точно описывает нелинейные и диссипативные процессы. Введем безразмерные переменные u = ϑ ϑ0 и σ = r Lδ , где где ε y = (℘ + 1) 2 , a =

C02 = . Lδ = kε y M 2πf rϑ0ε y 1

(85)

Основное уравнение нелинейной теории распространения ультразвука (84) можно переписать в следующем виде

∂u ∂u ∂ 2u -1 −u =Г , ∂σ ∂ (2πf r y ) ∂ 2πf r y 2

(86)

ε yϑ0 λ у P′ = εy 0 ; πb ρ 0 bπf r

(87)

(

где

Г = 2ε y Re =

)

P0′ – амплитуда давления волны, Па; λ у – длина волны, м.

Глава 4

84

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Рассмотрим распространение плоской УЗ волны достаточно большой интенсивности (Г >> 1). Предположим, что первоначально волна имеет синусоидальную форму: ϑ = ϑ0 sin 2πf r t при r = 0. (88) При больших значениях параметра Г правой частью уравнения (86) можно пренебречь, что позволит проинтегрировать оставшуюся часть, если рассмотреть Y как функцию ϑ и σ . Решение, полученное впервые таким образом в работе [79], имеет вид ϑ  ϑ 2πf r y = −σ (89) + f  , ϑ0  ϑ0  ϑ  где f   – произвольная функция.  ϑ0  Определив эту функцию из граничного условия (88), получим решение, описывающее плоскую волну первоначально синусоидальной формы: 2πf r y = arcsin

ϑ ϑ −σ . ϑ0 ϑ0

(90)

Представим зависимость (90) в виде суммы двух функций: arcsin

ϑ и функции ϑ0

ϑ , тангенс угла которой растет с расϑ0 стоянием σ , пройденным волной (рис. 34). −σ

Изобразим графически решение зависимости (90) для различных значений σ (рис. 35). Из анализа графиков, показанных на рис. 35, Рис. 34. Графическое изоследует, что вблизи источника колебаний бражение зависимости ( σ << 1) искажения синусоидальной формы υ υ 2π f ⋅ y = arcsin − σ профиля волны невелики (см. рис. 35, а). По υ υ мере распространения волны они постепенно увеличиваются и на расстоянии σ = 1 профиль волны в окрестности точки ϑ = 0 становится отвесным (см. рис. 35, б), а затем – многозначным (см. рис. 35, в), что физически бессмысленно и обозначает образование разрыва или ударной волны. Попытаемся определить расстояние до образования разрыва в условных размерных единицах из формулы (85). При σ = 1 (момент образования разрыва) r = Lδ , т. е. выбранная в качестве единицы длины величина Lδ = 1 kε y M и есть r

0

0

то расстояние, превышение которого приводит к образованию ударной волны (разрыва).

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

85

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Рис. 35. Изменение профиля УЗ волны конечной амплитуды при ее распространении в жидкой среде (2π fr τ << 1)

Так, при использовании в качестве жидкости низкоконцентрированных эмульсий или водных растворов концентратов синтетических или полусинтетических продуктов, а в качестве излучателя – УЗ технику подачи СОЖ с торцев круга через полуоткрытые клиновые насадки [63] с интенсивностью излучения J = 1,0 Вт/см2 имеем: ϑ0 = 0,11 м/с; С0 = 1,5 ⋅ 103 м/с; ε y = 3,55; М = 7,33 ⋅ 10 −5 ; Lδ = 19,0 ⋅ 10 −2 м = 190 мм. После образования разрыва картина движения волн усложняется: волна перестает быть бегущей в одном направлении вследствие отражения при поверхностях разрыва, но при М << 1 эти эффекты достаточно малы. Это подтверждается постоянством (с точностью до членов второго порядка) соотношений, связывающих изменение скорости, давления и плотности в ударной волне, полученных в результате расчета (при σ > 1). Поэтому для выполнения условия приближенного сохранения непрерывного волнового движения необходимо, чтобы площади, ограниченные пунктирной кривой на рис. 35, г, слева и справа от разрыва были равны, что возможно, если разрыв происходит в точке 2πf r y = 0. Тогда зависимость (90) примет вид

ϑp ϑp −σ =0 ϑ0 ϑ0 ϑp  ϑp  . = sin  σ ϑ0 ϑ 0  

arcsin

или

(91) (92)

Глава 4

86

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Как следует из рис. 35, соотношение (92) есть условие, что точка профиля волны, соответствующая скорости ϑ p , вышла на фронт разрыва, расположенный на оси 2πf r y = 0; поэтому после возникновения разрыва при σ = 1 (см. рис. 35, б) его величина растет, пока при σ = π 2 на разрыве не будет максимальное значение колебательной скорости. После этого величина разрыва будет уменьшаться, а волна примет пилообразную форму (рис. 35, г). Это подтверждается и при непосредственной подстановке ϑ p = ϑ0 при σ = π 2 в выражение (92). Полагая σ

ϑp ≈ π − δ , где δ << π , имеем ϑ0 ϑp ϑp sin σ = sin (π − δ ) = sin δ ≈ δ = π − σ . ϑ0 ϑ0

(93)

Подставим результаты расчета в (92):

ϑp π = . ϑ0 1 + σ

(94)

Из выражения (94) следует, что пилообразная волна конечной амплитуды затухает не экспоненциально, причем степень затухания растет с увеличением амплитуды волны в связи с тем, что σ пропорционально последней. С увеличением начальной амплитуды волны ϑ0 пиковое значение колебательной скорости пилообразной волны, совпадающее с величиной ϑ p в фиксированной точке порового пространства, растет все медленнее, асимптотически приближаясь к предельному состоянию ϑ pm , не зависящему от начальной амплитуды ϑ0 [92]:

ϑ pm =

πC 0 . ε y ky

(95)

При дальнейшем распространении пилообразной волны относительная роль нелинейных эффектов вследствие затухания уменьшается, что приводит к постепенному размыванию образовавшихся разрывов. При использовании УЗ сигнала прямоугольной формы, выдаваемого, например, УЗ генераторами серии УЗУ (УЗУ-01, УЗУ-0,25, УЗУ-0,25М и др.), затухание волн конечной амплитуды происходит также, как и при распространении пилообразной волны, неэкспоненциально и на достаточно коротком от излучателя расстояния. Естественно предположить, что при использовании УЗ сигнала синусоидальной формы технологическая эффективность УЗ техники подачи СОЖ будет существенно выше. Сильное поглощение происходит при отражении УЗ волны от твердых стенок пор абразивного круга. Оно обусловлено тем, что вблизи стенки градиенты температуры и касательной к стенке составляющей скорости частиц жидкости или газа (при наклонном падении звуковой волны) значительны по величине.

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

87

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Доля энергии, поглощаемой при отражении УЗ волны от твердой стенки, равна [104]   C ∆W 2 2πf r  ν sin 2 α к  p − 1 a ж . (96) =  W C ′ cosα к  C   v  При распространении УЗК в жидкостях Cp = Cv; тогда выражение (96) можно переписать в следующем виде: ∆W 2 2πf rν sin 2 α к , = (97) W C ′ cos α к где α к – угол падения, град; аж – температуропроводность среды Вт/(м⋅К). Зависимость (96) справедлива, если α к ≤

π

, акустическое сопротивление 2 стенки пор круга много больше акустического сопротивления СОЖ и температура стенки постоянна. Величина угла α к при использовании УЗ устройств подачи СОЖ сквозь поры круга [63] зависит от большого числа факторов, определяемых, главным образом, характеристикой и технологией изготовления шлифовального круга. Точные значения его величины определению не подлежат, однако, используя данные по определению канальной пористости кругов, приведенные в работе [106], можно определить математическое ожидание величины α к . Как известно, канальная пористость является самостоятельной характеристикой структуры шлифовального круга, определяемой не только величиной, но и направлением. Установлено, что объем канальных пор круга в радиальном направлении меньше объема всех пор крупнее 5 мкм и составляет в среднем 0,6 – 0,8 от активной пористости [106]. В то же время в направлении от торца к торцу канальная пористость кругов несколько выше и составляет 0,75 – 0,9 от активной пористости, что объясняется направлением прессования кругов. Поэтому [97] 0,6 − 0,8 M (tgα к ) = = 0,8485; 0,75 − 0,9 M (α к ) ≈ 40 o 30′ (рис. 36). Воспользуемся полученными значениями угла α к и приближенно определим по зависимости (97) долю энергии, поглощаемой при отражении УЗ волны от твердой стенки порового канала (условно примем один сквозной канал, расположенный под углом 40°30′ к направлению распространения УЗ волн). Для 3 %-й эмульсии Укринол-1: С = 1430 м/с, ν = 1,405 ⋅ 10 −6 м2/с; при использовании УЗ генератора УЗУ-0,25 fr = 19600 Гц; при этих данных [97] ∆W =0,0032 или 0,32 %. W

88

Глава 4

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Рис. 36. Взаимодействие абразивного круга с СОЖ при наложении УЗК: 1 – планшайба; 2 – УЗ насадок для подачи СОЖ; 3 – круг; 4 – связка; 5 – канальные поры; 6 – абразивные зерна; i – орт направленности радиальных каналов; j – орт направленности осевых каналов

Учитывая, что протяженность большинства прямых участков каналов в круге составляет не более 15 – 20 мкм [106], в процессе движения сквозь поровое пространство УЗ волны отражаются от твердых стенок каналов (пор) до 103 – 104 раз (в зависимости от высоты круга), что может привести к полному поглощению энергии УЗ волн. Именно этим вызывается целесообразность использования двух УЗ насадков при высоте круга свыше 50 мм. С целью компенсации потерь энергии УЗ волн из-за поглощения, а также для концентрации энергии в необходимой зоне и изменения ее направления, целесообразно использовать фокусирующие системы (акустические усилители), созданные непосредственно в теле излучателя УЗК (УЗ насадка) [38]. Величина коэффициента усиления интенсивности УЗК при использовании сферических акустических усилителей определяется по формуле [88] (98) K I = K py ⋅ Kϑ , где Kpy – коэффициент усиления звукового давления. Для акустического усилителя сферического типа (рис. 37) с равномерным распределением амплитуды Р: (99) K Cpy = S B f ф лy = f ф Щm лy = kв hг ; где kв – коэффициент пропорциональности (kв ≈ Sв/Sф); Sв – площадь сходящегося волнового фронта, м2 (см. рис. 37); Sф – площадь фокального пятна, м2. Величины Kpу и KI максимальны, когда амплитуда колебательной скорости распределена по сходящемуся волновому фронту равномерно (см. рис. 37, а); Kϑ – максимален, если амплитуда максимальна в центре и убывает к краям

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

89

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

по косинусоидальному закону (см. рис. 37, б). Выражение KϑC при косинусоидальном распределении амплитуды ϑ имеет вид (100) KϑC = ( f ф λ y ) 2 sin θ ф − π 4 1 − cos 3 θ ф 3 ,

(

)(

)

где fф – расстояние от фокуса F до поверхности фокусирующей системы в направлении акустической оси фронта, м; Ω m = 2π (1 − cos θ ф ) – телесный угол раскрытия волнового фронта; θ ф – плоскостной угол раскрытия волнового фронта, град. Рис. 37. Параметры акустического усилителя (см. рис. 37); hг – глубина сферического типа: а – расчетная схема: fф – фокусное фокусирующей системы расстояние; hг – глубина; D – диаметр; Θф – угол рас(акустического усилителя), крытия; б – равномерное распределение амплитуды; в – косинусоидальное распределение амплитуды м. Если поглощение УЗ волн происходит по экспоненциальному закону, то интенсивность УЗК при использовании сферических акустических усилителей [77] πW −2a f (101) I = 2 sin 2 θ ф e n ф . 4λ y Из зависимости (101) следует, что существует значение оптимальной длины волны λопт , а следовательно, и соответствующая ей частота УЗК fr, при которых имеется максимум интенсивности при постоянной величине фокусного расстояния fф. Найдем максимум функции (101) в зависимости от длины волны λ y : I max =

где

π W , e λопт

λопт = 2bc ⋅ f ф ;

(102) (103)

bс – постоянная величина, определяемая свойствами среды [77]. Существование волн оптимальной длины λопт и соответствующей ей частоты fr определяется тем, что, с одной стороны, с увеличением частоты увеличивается концентрация энергии вследствие роста коэффициента усиления, с другой стороны – возрастает поглощение энергии УЗ волн. Таким образом, поглощение УЗ волн при движении СОЖ сквозь поровое пространство шлифовального круга в существенной степени определяется следующими основными факторами:

90

Глава 4

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

– направленностью УЗК в поровом пространстве круга; – формой УЗ сигнала; – наличием фокусирующей системы; – амплитудой и частотой УЗК; – расстоянием от излучателя УЗК (насадок для подачи СОЖ, расположенный у торца круга) до зоны шлифования заготовки или правки круга. И если влияние расстояния от излучателя УЗК на эффективность шлифования достаточно хорошо изучено [43, 89, 101], то для оценки влияния остальных факторов необходимы дополнительные исследования. 4.3. Исследование эффективности ультразвуковой техники подачи СОЖ при изменении параметров акустического поля 4.3.1. Влияние направленности ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования заготовок и правки круга

Для оценки влияния направленности УЗК на эффективность шлифования заготовок и правки кругов проведены две серии экспериментов, одна из которых включала в себя модельные исследования, а вторая – исследования непосредственно на шлифовальном станке. При проведении модельных исследований УЗК накладывали на СОЖ, в которой с зазором 0,1 мм от излучателя располагался стеклянный капилляр (трубка) с диаметром отверстия 0,2 мм, что соответствует среднему диаметру пор (от 0,17 до 0,23 мм) в абразивном круге на керамической связке средней структуры (5 – 7), зернистости (25) и твердости (СМ2 – С1). В качестве СОЖ использовали воду, 5 %-й водный раствор Аквол-15 и 5 %-ю эмульсию НГЛ-205. Учитывая, что высота подъема СОЖ в капилляре определяется краевым углом смачивания [106], предварительно определяли последний расчетным путем для всех жидкостей на стеклянных пластинах ( θ °= 7°, 11° и 12° соответственно для воды, 5 %-го раствора Аквол-15 и эмульсии НГЛ-205) и на отполированных плоских поверхностях электрокорунда 24А ( θ ° = 7°, 7°30′ и 9° соответственно), ориентируясь на диаметр пятна растекания dp нормируемой капли жидкости по поверхности образца: 16V θ ° = arctg 3 , (104) πd 2 рhк  2  d p   hк + 3   ; hк – высота капли, м. где V – объем сферической капли, V = 6  2     В качестве преграды, при прохождении которой возможно поглощение энергии УЗ волн, использовали стекло, для чего стеклянный капилляр наклоняли под углом α к относительно вектора направленности УЗК (рис. 38, 39). Из-

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

91

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

вестно, что поры в круге образованы не только абразивными зернами, но и керамической связкой, основу которой составляют огнеупорная глина, кварц, борное стекло. После обжига свойства связки по показателям растекаемости близки к стеклу. Учитывая незначительную разницу в краевых углах смачивания для стекла, керамической связки и электрокорунда, полученные результаты можно распространить на движение СОЖ по капиллярам в круге. Для возбуждения УЗК использовали генераторы УЗУ-0,25 (fr = 18,6 кГц, выходная мощность и амплитуда колебаний А = 5 мкм постоянны) и Вулкан-1 (fr = 2,64 МГц, выходная мощность изменяется в пределах от 10 до 50 Вт). К генератору УЗУ-0,25 подключали излучатели УЗК, выполненные в виде УЗ насадков для подачи СОЖ с пьезокерамическими кольцами ЦТС-19 диаметром 50 и 22 мм (рис. 40) [43], что при постоянной выходной мощности во втором случае обеспечивало в 1,25 раза большую интенсивность УЗК. Результаты исследований подвергли регрессионному анализу с целью получения математических зависимостей [10] высоты подъема СОЖ, принятой в качестве критерия оценки влияния направленности УЗК на процесс поглощения энергии, от угла наклона капилляра α к [53]. Анализ результатов исследований, представленных на рис. 41 и в табл. 15, показывает, что высота подъема СОЖ в капилляре при постоянных значениях fr и мощности (или амплитуды колебаний) излучения существенно зависит от угла наклона капилляра (см. рис. 38) для всех видов СОЖ: в большей степени для воды и в меньшей – для эмульсии. 15. Влияние угла α к между направлением распространения колебаний и осью капилляра на высоту подъема жидкости в капилляре (частота УЗК fr = 18,6 кГц, диаметр колец по рис. 40 dпк = 22 мм) Исследуемая жидкость

αк

Вода

0 15 30 45 60 75 0 15 30 45 60 75

Высота подъема жидкости h, мм 204 173 151 105 79 65 192 179 160 108 78 62

0 15 30 45 60 75

180 154 117 84 56 50

5 %-й раствор продукта Аквол-15

5 %-я эмульсия НГЛ-205

92

Глава 4

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Рис. 38. Схема экспериментальной установки на базе генератора Вулкан-1: 1 – капилляр; 2 – штатив со шкалой; 3 – стакан; 4 – рабочая (исследуемая) жидкость; 5 – дистиллированная вода; 6 – излучатель; 7 – мембрана

Рис. 39. Схема экспериментальной установки на базе генератора УЗУ025: 1 – капилляр; 2 – штатив со шкалой; 3 – стакан; 4 – рабочая (исследуемая) жидкость; 5 – излучатель (УЗ насадок ) УЗК; 6 – ось; 7 – основание

Рис. 40. УЗ насадки для подачи СОЖ к шлифовальным станкам: а – с кругами ∅ > 400 мм; б – с кругами ∅ ≤ 400 мм; 1 – шлифовальный круг; 2 – насадок для подачи СОЖ; 3 – пьезокерамические кольца; 4 – алмазная пластина; 5 – планшайба

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

93

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Исследования свидетельствуют, что с увеличением угла α к высота подъема СОЖ в капилляре уменьшается. При увеличении угла α к с 0 до 45° высота подъема жидкости уменьшается в два раза, а при α к = 75° – более чем в три раза. Увеличение угла α к до 30° значительно сказывается на изменении высоты подъема, h уменьшается на 15 – 20 %. Практически при всех условиях экспериментов наибольшая высота подъема зафиксирована для водопроводной воды, наименьшая – для 5 %-й эмульсии НГЛ-205. Полученные результаты можно объяснить различными значениями коэффициентов поверхностного натяжения и краевых углов смачивания для этих жидкостей. Известно, что скорость и высота подъема жидкости в капилляре пропорциональны капиллярноРис. 41. Влияние угла αк между направлением распространения колебаний и му давлению, величину которого осью капилляра на высоту подъема жидкости можно определить по формуле [16] в капилляре: fr = 18,6 кГц, диаметр пьезоэлек2σ 0 cosθ o трического кольца 50 мм; 1 – вода водопро, (105) P= водная; 2 – 5 %-й раствор Аквол-15; 3 – rк 5 %-я эмульсия НГЛ-205 где rк – радиус капилляра. Из зависимости (105) видно, что с уменьшением σ 0 и увеличением угла θ o высота подъема жидкости уменьшается, что хорошо коррелируется с полученными результатами. Несколько большие абсолютные значения высоты подъема СОЖ в капилляре при использовании пьзокерамических колец диаметром 22 мм объясняются тем, что во втором случае интенсивность воздействия на жидкость УЗК в 1,25 раза больше. Почти все уравнения регрессии, полученные в результате обработки экспериментальных данных, имеют неявно выраженный параболический характер (табл. 16). Проверка адекватности полученных моделей по общепринятым критериям показала значимость коэффициентов уравнения регрессии при квадратичных членах (кроме одного). Это подтверждает нелинейный характер уравнения гидродинамики и уравнения состояния и недопустимость их линеаризации [44]. С увеличением выходной мощности излучателя УЗК зависимость высоты подъема СОЖ в капилляре от угла его наклона приобретает четко выраженный параболический характер для всех СОЖ (см. рис. 42, табл. 17, 18). С увеличением угла наклона коэффициенты уравнения регрессии при квадратичных чле-

Глава 4

94

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

нах в зависимостях, связывающих параметры h и N, уменьшаются (см. табл. 18), а с увеличением мощности N в зависимостях, связывающих h и α к , увеличиваются (см. табл. 17), но во всех случаях остаются значимыми. Любопытно, что с увеличением мощности излучателя УЗК зависимость высоты подъема СОЖ в капилляре от угла наклона α к усиливается. 16. Регрессионные зависимости h = f ( α к ) для различных жидкостей и диаметров пьезокерамических колец (частота УЗК fr = 18,6 кГц) Исследуемая жидкость Вода 5 %-й раствор продукта Аквол-15 5%-я эмульсия НГЛ-205

Диаметр пьезокерамического кольца по рис. 40, мм 50

Предпочтительная математическая модель, связывающая параметры h и α к

22 50

2

Номер кривой на рис. 41 1

h = 197 − 2,1α к + 0,0024α к

2

–

h = 184 − 1,9α к + 0,0004α к

2

2

22

h = 204 − 2α к

–

50

h = 160 − 1,7α к + 0,0014α к

2

3

22

h = 188 − 3,9α к + 0,025α к

2

–

h = 207 − 2,4α к + 0,0055α к

17. Регрессионные зависимости h = f ( α к ) для различных жидкостей и мощности излучения УЗК (частота УЗК fr = 2,64 МГц) Исследуемая жидкость

Вода

5 %-й водный раствор Аквол-15

5%-я эмульсия НГЛ-205

Мощность излучения N, Вт 10

Предпочтительная математическая модель, связывающая параметры h и α к

25

h = 131 − 1,4α к + 0,08α к

2

2

35

h = 174 − 1,6α к + 0,01α к

2

3

50

h = 233 + 1,1α к − 0,08α к

2

4

10

h = 65 − 1,2α к + 0,013α к

2

1

25

h = 84 − 1,6α к + 0,016α к

2

2

35

h = 109 − 1,3α к + 0,066α к

2

3

50

h = 187 − 4,0α к + 0,04α к

2

4

10

h = 55 − 1,0α к + 0,015α к

2

1

25

h = 65 − 1,3α к + 0,017α к

2

2

35

h = 92 − 0,6α к − 0,004α к

2

3

50

h = 147 − 1,7α к + 0,009α к

4

2

h = 88 − 1,5α к + 0,01α к

2

Номер кривой на рис. 41, а, б, в 1

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

95

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

18. Регрессионные зависимости h = f (N) для различных жидкостей и углов между направлением распространения колебаний и осью капилляра по рис. 27 (частота УЗК fr = 2,64 МГц) Исследуемая жидкость

Вода

5 %-й раствор продукта Аквол-15 5 %-я эмульсия НГЛ-205

Угол α к , град. 0

Предпочтительная математическая модель, связывающая параметры h и N

30

h = 30 + 2,4 ⋅ N + 0,008 ⋅ N

45

h = 41 + 0,91 ⋅ N + 0,006 ⋅ N

0

h = 74 − 1,8 ⋅ N + 0,08 ⋅ N

30

h = 33 + 0,1 ⋅ N + 0,027 ⋅ N

2

45

h = 35 − 0,1 ⋅ N + 0,024 ⋅ N

2

0

h = 63 − 1,3 ⋅ N + 0,06 ⋅ N

30

h = 44 − 1,0 ⋅ N + 10,04 ⋅ N

2

45

h = 49 − 1,3 ⋅ N + 0,035 ⋅ N

2

h = 61 + 2,5 ⋅ N + 0,02 ⋅ N

2 2 2

2

2

Рис. 42. Влияние угла αк и мощности излучателя N на высоту подъема жидкости в капилляре: fг = 2,64 МГц; а – вода водопроводная; б – 5 %-й раствор Аквол15; в – 5 %-я эмульсия НГЛ-205; 1, 2, 3, 4 – соответственно N = 2, 10, 25, 35 и 50 Вт

Полученные результаты хорошо согласуются с уравнениями регрессии, описывающими зависимость составляющих силы шлифования при обработке заготовок из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т (табл. 19) на плоскошлифовальном станке 3Е710В от угла наклона клинового полуоткрытого насадка к торцу круга β (от 0 до π 2 , рис. 43):

Глава 4

96

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Py = 51,9 − 0,09 β + 0,00028β 2 ;

(106)

Pz = 32,2 − 0,01β + 0,00027 β 2 .

(107)

19. Влияние угла наклона β УЗ насадка для подачи СОЖ к торцу круга на эффективность плоского шлифования заготовок из стали 12Х18Н10Т (см. рис. 33). Круг 92АМ20НСМ2К20 1 – 250×25×32, Vк = 38 м/с; Vs = 10 м/мин; СОЖ – Аквол-15 (5 %) Показатели процесса шлифования Техника подачи СОЖ Подача СОЖ поливом Подача СОЖ поливом и к торцу шлифовального круга с наложением УЗК β = 90° β = 60° β = 30° β = 0°

Составляющие силы шлифования, Н Py 54

Pz 37

46 48 49 52

27 29 31 32

Параметр шероховатости Ra, мкм 0,26

0,25 0,26 0,26 0,26

Рис. 43. Сравнительная эффективность правки круга алмазным роликом при различных углах наклона УЗ насадка для подачи СОЖ с торцев круга: касательная Рzп (1, 2, 3) и радиальная Руп (1′, 2′, 3′) составляющие силы правки при подаче СОЖ поливом и через клиновой полуоткрытый насадок с наложением УЗК (1, 1′); поливом и через клиновой полуоткрытый насадок (2, 2′) и поливом (3, 3′); а, б, в – соответственно, круг 92АМ16СМ16К3, 92АМ25СМ16К3, 92АМ40СМ16К3

Плоское шлифование осуществляли кругом 92АМ20НСМ2К20 1 – 250×25×32 при рабочей скорости Vк = 38 м/с с продольной подачей стола Vs = 10 м/мин и поперечной подачей – 1 мм/дв. ход при глубине шлифования 0,05 мм. СОЖ (5 %-й водный раствор Аквол-15) подавали поливом, а также од-

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

97

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

новременно поливом и к торцу шлифовального круга через клиновой полуоткрытый насадок с наложением УЗК [43]. При изменении угла β от 90° до 60° радиальная Py и касательная Pz составляющие силы шлифования, а следовательно, и мощность, расходуемая на шлифование, практически не изменились. Полученные данные хорошо коррелируются с результатами исследований движения жидкости через капилляры, которые свидетельствуют, что увеличение угла β до 30° оказывает незначительное влияние на высоту подъема жидкости. Дальнейшее изменение угла β приводит к существенному увеличению обеих составляющих силы шлифования: уменьшение β от 60° до 0° приводит к увеличению Py на 13 % и Pz на 11 %. Однако даже при наименее благоприятных условиях для интенсификации пропитки круга жидкостью с помощью УЗК, соответствующих углу β = 0°, эффективность шлифования была выше, чем при подаче СОЖ поливом, о чем свидетельствуют меньшие соответственно на 4 и 13 % составляющие Py и Pz силы шлифования. По-видимому, это объясняется тем, что при подаче СОЖ через клиновые полуоткрытые насадки торцовые воздушные потоки заменяются жидкостными и тем самым облегчается реализация потенциальных свойств СОЖ, подаваемой поливом [99]. Аналогичные исследования проведены при правке кругов различной зернистости алмазным правящим роликом АРСЧ 1000/800. Рабочая скорость круга при правке составляла Vк = 43 м/с, ролика Vp = 10 м/с, скорость продольной подачи стола плоскошлифовального станка 3Е710В-1 при правке Vsп = 1 м/мин, глубина резания – 0,03 мм, число проходов – 3. Элементы режима правки и шлифования приняты в соответствии с рекомендациями [25]. Установлено, что, как и при шлифовании, эффективность УЗ техники подачи СОЖ в существенной степени зависит от угла наклона УЗ насадка (рис. 43). Однако эта зависимость носит явно линейный характер и с уменьшением угла наклона насадка β составляющие силы правки монотонно увеличиваются, оставаясь меньшим, чем при подаче СОЖ через клиновой насадок без наложения УЗК и подаче СОЖ поливом. Полученные результаты, по-видимому, объясняются тем, что, в отличие от шлифования, зона контакта абразивных зерен круга с алмазными зернами правящего инструмента является более доступной для СОЖ, что сглаживает нелинейный характер зависимости составляющих силы правки от угла наклона УЗ насадка. Таким образом, экспериментально подтверждена зависимость эффективности шлифования заготовок и правки кругов от направленности распространения УЗК в поровом пространстве круга при подаче СОЖ через клиновые полуоткрытые торцевые насадки [43], что подтверждает справедливость сделанных ранее выводов (см. параграф 4.2) о связи степени поглощения УЗ волн с направленностью УЗК [97].

98

Глава 4

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

4.3.2. Влияние формы ультразвукового сигнала на эффективность шлифования заготовок и правки круга

В качестве основных источников УЗК, накладываемых на полуоткрытые клиновые насадки, до настоящего времени использовали генераторы серии УЗУ (УЗУ-0,1, УЗУ-0,25, УЗУ-0,25М). Однако форма электрического сигнала УЗ частоты, вырабатываемого этими генераторами, как упоминалось ранее (см. гл. 1), близка к прямоугольной или к пилообразной. Форма таких сигналов не позволяет в полной мере использовать эффективность УЗ поля для интенсификации движения СОЖ сквозь поровое пространство абразивного круга. Гораздо более перспективной является серия новых генераторов ТЕХМА, разработанных и изготовляемых Ульяновским государственным техническим университетом. Сравнительные исследования эффективности УЗ генераторов УЗУ-0,25 и ТЕХМА-01 проводили при круглом наружном врезном шлифовании модельных заготовок из коррозионностойкой стали 95Х18 и жаропрочного сплава ВЖЛ-12 и при правке круга на экспериментальной установке, смонтированной на базе круглошлифовального станка ЗМ151 с подачей 3 %-й эмульсии Укринол-1М (Qс = 40 дм3/мин). Рабочая скорость круга 24А25НС17К26 1 – 600×25×305 составляла 50 м/с, скорость врезной подачи 0,5 мм/мин при шлифовании заготовок из сплава ВЖЛ-12 и 1 мм/мин – при шлифовании заготовок из стали 95Х18. С шейки заготовок шириной 15 мм из сплава ВЖЛ-12 и стали 95Х18 снимали, соответственно, припуск 0,2 и 0,85 мм. Окружная скорость заготовок Vз = 50 м/мин. Круг правили перед обработкой партии заготовок (после потери стойкости) алмазным роликом АРСЧ 1000/800 с продольной подачей 0,25 м/мин в три прохода при поперечной подаче 0,03 мм за каждый проход. Все элементы режима шлифования и правки соответствовали производственным условиям НПО «Молния» (г. Москва), а также рекомендациям [25]. Как следует из табл. 20, изменение формы УЗ сигнала с прямоугольной на синусоидальную позволяет на 10 – 20 % уменьшить силу Py, однако, сила Pz, а следовательно, и мощность, затрачиваемая при шлифовании KN, почти не изменились. Отмечено значительное (на 80 %) увеличение коэффициента шлифования по объему при обработке заготовок из стали 95Х18 и сплава ВЖЛ-12. Период стойкости круга при УЗ сигнале синусоидальной формы увеличивается почти в 2 раза, параметр шероховатости Ra при шлифовании заготовок из сплава ВЖЛ-12 уменьшился на 44 %. Положительные результаты использования УЗ сигнала синусоидальной формы зафиксированы и при правке круга (рис. 44): силы правки Pzп и Pуп оказались в этом случае на 2 – 14 % меньше, чем при использовании УЗ сигнала прямоугольной формы, следовательно уменьшалась теплосиловая напряженность процесса правки, что благотворно сказалось на сроке службы правящих инструментов.

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

99

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

20. Эффективность УЗ техники подачи СОЖ с использованием УЗ сигналов различной формы при шлифовании. Круг 24А25НС17К26; 1 – 600х25х305 Vк = 50 м/с; Vз = 50 м/мин; 3 %-я эмульсия Укринол-1М Показатели процесса шлифования* Среднее Составляющие сиУдельная Способ Форма лы шлифования, Н Коэффици- мощность арифмети- Период подачи УЗ сигент шлифоческое от- стойкошлифовасти СОЖ нала вания по клонение ния КN, Pz Py объему Кш профиля Ra, τ c , мин Вт⋅мин/мм3 мкм Поливом – 12,9/52,1 24,2/96,6 14/5 0,18/1,73 1,47/1,12 3,4/0,8 Одновременно поПрямо12,3/51,4 22,4/90,4 21/10 0,17/1,70 1,00/0,96 6,0/1,4 ливом и к угольная торцу круга через полуоткрытый Синусоинасадок с 10,1/51,0 20,0/75,0 38/12 0,17/1,70 1,00/0,54 11,0/2,4 дальная наложением УЗК * В числителе приведены результаты шлифования заготовок из стали 95Х18, в знаменателе – из сплава ВЖЛ-12

Рис. 44. Эффективность УЗ техники подачи СОЖ с использованием УЗ сигналов различной формы при правке шлифовального круга: 1 – подача СОЖ поливом; 2, 3 – подача СОЖ одновременно поливом и к торцу круга через полуоткрытый клиновой насадок с наложением УЗК; 2, 3 – соответственно УЗ сигнал прямоугольной и синусоидальной формы

Таким образом, использование УЗ сигнала синусоидальной формы взамен сигнала прямоугольной формы является, как было показано в параграфе 4.2, действенным средством повышения эффективности правки кругов и шлифования заготовок с подачей СОЖ по внутренним трактам.

100

Глава 4

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

4.3.3. Влияние формы акустических излучателей (фокусирующих систем) ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования заготовок

Возможности создания сходящихся волновых фронтов сферической формы при использовании рассмотренной ранее УЗ техники подачи СОЖ [27, 62, 98] с конструктивной точки зрения существенно ограничены. Наличие клиновой полуоткрытой полости (см. рис. 32) вызвано необходимостью создания в зазоре между торцами насадка и вращающегося круга режима гидродинамической смазки, чтобы пропитать поровое пространство жидкостью [35]. Всякое изменение формы внутренней полости приводит к понижению гидродинамического давления в зазоре и к ухудшению пропитки, а вследствие этого – и к уменьшению количества СОЖ, поступающей в зону контакта круга с заготовкой или правящим инструментом. Форму внутренней полости насадков (радиус и сочетание поверхностей) выбирали таким образом, чтобы установить возможности придания УЗ насадку функции акустического усилителя. Поэтому, после тщательного анализа возможностей конструктивного использования акустического усилителя сферического типа остановились на пяти видах насадков. Насадок с кумулятивной симметричной формой полости (рис. 45, а) обеспечивает максимум энергии акустического излучателя СОЖ на торце шлифовального круга. Однако такая форма практически не учитывает гидродинамику СОЖ, подаваемой на торец круга. Насадок с клиновой формой полости (рис. 45, б) максимально учитывает возможности гидродинамического клина для улучшения пропитки порового пространства круга и транспортирования СОЖ в зону шлифования. УЗК, накладываемые на насадок, способствуют разрушению паровоздушных пузырьков [98] и обеспечивают тем самым интенсификацию движения СОЖ в порах круга. Однако мощность передаваемых УЗК из-за конструктивного исполнения насадка не в полной мере используется для активизации движения СОЖ. Клиновой полуоткрытый насадок с турбулизирующей поверхностью (рифлениями) (рис. 45, в) имеет в 1,25 раза большую площадь контакта с СОЖ, чем насадок только с клиновой полостью. Рис. 45. Конструктивное исполнение полости акустического усилителя (насадка): а – кумулятивная симметричная; б – клиновая; в – турбулизирующая клиновая; г – кумулятивная асимметричная; д – турбулизирующая кумулятивная асимметричная

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

101

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Турбулизация динамически активного потока жидкости, выходящего из насадка, способствует гидроочистке торцев круга от шлифовального шлама и усиливает кавитацию. Насадок, показанный на рис. 45, г, обладает преимуществами насадков по рис. 45, а и б и имеет кумулятивную асимметричную форму. Кумулятивный асимметричный насадок по рис. 45, д имеет дополнительно турбулизирующую поверхность и обладает теми же преимуществами, что и насадок по рис. 45, в. При проведении исследований модельные заготовки близкие по форме к кулаку шарнира автомобиля ГАЗ-66 из стали 40Х HRC 28...32 обрабатывали кругом 24А40НС17К26, заправленным алмазным роликом для совмещенного (торцекруглого) шлифования (рис. 46). Совмещенное шлифование выбрано в связи с тем, что в этом случае из-за трудностей попадания СОЖ в контактные зоны параметры качества шлифованных поверхностей (прижоги, микротрещины и др.) наиболее чувствительны к изменениям теплосиловой напряженности процесса обработки. Элементы режима шлифования выбирали по нормативам АО «ГАЗ» (Н. Новгород): рабочая скоРис. 46. Схема торцекруглого рость шлифовального круга Vк= 50 м/с, окшлифования ружная скорость заготовки Vз = 50 м/мин, скорость врезной подачи Vt = 0,35 мм/мин (подача на цилиндр заготовки Vtц = 0,345, на торец – Vtт = 0,055 мм/мин); снимаемый с цилиндрической части припуск Zц = 0,8 мм, с торца – Zт = 0,05 мм. В качестве СОЖ использовали 3 %-ю эмульсию Укринол-1М, которую подавали через полуоткрытый насадок и поливом одновременно с общим расходом Qс = 40 дм3/мин (соответственно 10 и 30 дм3/мин). УЗК создавал УЗ генератор УЗУ-0,25. В качестве базы для сравнения использовали подачу СОЖ одновременно поливом и гидроаэродинамическим способом [35]. Установлено, что эффективность совмещенного шлифования существенно зависит от конструктивных параметров насадков для подачи СОЖ [38]. Наибольший период стойкости круга обеспечивают насадки, выполненные по рис. 45, в и д. Использование таких насадков позволяет по сравнению с подачей СОЖ одновременно гидроаэродинамическим способом и поливом [35] повысить период стойкости круга с 5,5 до 29,4 мин (рис. 47). Наименьшая мощность необходима на шлифование с насадками с кумулятивной асимметричной внутренней полостью (рис. 48). Через 5,5 мин после начала шлифования значение KN при использовании этих насадков были ниже, чем при подаче СОЖ одновременно поливом и гидроаэродинамическим способом на 40 – 42 %.

Глава 4

102

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Рис. 47. Период стойкости шлифовального круга τс при совмещенном шлифовании заготовок из стали 40Х, HRC 28...32 с подачей СОЖ: 1 – поливом и гидроаэродинамическим способом одновременно; через клиновой торцовый насадок без наложения УЗК (2), кумулятивный (3), клиновой (4), клиновой с рифлениями (5), кумулятивный асимметричный (6), кумулятивный асимметричный с рифлениями (7) с наложением УЗК. Круг 24А40НС17К26 1 – 600×305×63; Vк = 50 м/с, Vз = 50 м/мин; Vt = 0,35 мм/мин; Zц = 0,8 мм; Zт = 0,05 мм; 3 %-я эмульсия Укринол-1М (суммарный расход 40 дм3/мин) Рис. 48. Влияние формы насадка для подачи СОЖ на удельную мощность шлифования КN: условия экспериментов и обозначения см. в подписи к рис. 47

τс

Клиновой и кумулятивный симметричный насадки обеспечивают меньшую технологическую эффективность СОЖ по сравнению с насадками по рис. 45, в, г и д, однако и в этом случае KN меньше, чем при подаче СОЖ гидроаэродинамическим способом и поливом, а также через клиновой полуоткрытый насадок без наложения УЗК. Использование кумулятивных асимметричных насадков способствует снижению темпа засаливания и затупления рабочей поверхности круга, обрабатывающей торец заготовки. Более развитый рельеф круга на этом участке приводит к формированию относительно больших значений высотных параметров шероховатости (рис. 49). Сохранение высокой режущей способности шлифовального круга и менее интенсивное искажение его исходного профиля в процессе шлифования заготовки при подаче СОЖ через клиновые насадки с рифлениями, кумулятивный асимметричный и кумулятивный асимметричный с рифлениями обеспечивают более стабильные значения параметров шероховатости поверхности (по Ra) цилиндрической шейки (см. рис. 49). При шлифовании с использованием насадков по рис. 45, д разброс значений Ra в партии обработанных заготовок составляет около 5 %, в то время как при шлифовании с кумулятивным симметричным и клиновым – соответственно 20 и 25 %.

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

103

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Таким образом, наибольшую эффективность совмещенного шлифования обеспечивают насадки по рис. 45, в, г и д, способствующие образованию гидродиRa намического клина с избыточным давлением и рациональному использованию энергии УЗ поля, что обесτс печивает интенсивРис. 49. Влияние формы насадка для подачи СОЖ ную пропитку порона среднее арифметическое отклонение профиля шлифованной поверхности заготовки: 1–7 – цилиндрические пового пространства верхности; 1′–7′ – торцовые поверхности; 1–1′ – подача круга, а следовательСОЖ поливом и гидроаэродинамическим способом одноно, увеличение расховременно; подача СОЖ через: 2–2′ – клиновой торцевой да СОЖ через коннасадок без наложения УЗК; 3–3′ – кумулятивный насадок; 4–4′ – клиновой с наложением УЗК; 5–5′ – клиновой с рифтактные зоны шлифолениями и с наложением УЗК; 7–7′ – кумулятивный асимвания и правки. Турметричный с рифлениями и с наложением УЗК. Условия булизация потока экспериментов см. в подписи к рис. 47 СОЖ в зазоре между торцом круга и насадком и увеличение площади контакта УЗ насадка с СОЖ, как следует из результатов исследований, приводит к увеличению расхода жидкости сквозь поры круга, о чем свидетельствует большая эффективность клинового и кумулятивного асимметричного насадков с рифлениями по сравнению с насадками без рифлений. Выполненные исследования позволили выявить возможности фокусирующих систем для повышения эффективности УЗ техники подачи СОЖ при шлифовании, что было предсказано аналитическими исследованиями параграфа 4.2.

4.3.4. Влияние амплитуды и частоты ультразвукового сигнала на эффективность шлифования заготовок

Известны утверждения, что причиной увеличения скорости движения и высоты подъема жидкости по вертикальным капиллярным каналам при наложении УЗК является кавитация [88]. Так как поровое пространство шлифоваль-

104

Глава 4

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ного круга имеет весьма развитую сеть капиллярных каналов различных размеров и направлений, с учетом результатов наших исследований можно предположить что, несмотря на отличие вектора направленности УЗК и направления движения жидкости по каналам, увеличение скорости пропитки и расхода СОЖ сквозь поровое пространство круга к контактным зонам, а вследствие этого и повышение эффективности правки и шлифования, вызвано и кавитационным действием. Количественно момент возникновения кавитации и степень ее развития характеризуются числом кавитации [88] P − Pн Кк = 0 , (108) Pa где Р0 и Рн – соответственно гидростатическое давление и давление насыщенного пара, Па; Ра – амплитуда звукового давления, Па. Учитывая взаимосвязь между амплитудой механических колебаний торца УЗ насадка Ап и давлением Ра [77], можно предположить, что эффективность правки и шлифования также зависит от величины Ап. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты. Так известно, что с ростом частоты УЗК увеличивается роль микропотоков, но уменьшается кавитационная эрозия [77]. Какой из этих эффектов оказывает влияние на пропитку круга, а следовательно, на эффективность правки и шлифования, можно установить лишь экспериментально. Для проверки влияния амплитуды и частоты УЗК на эффективность шлифования были проведены специальные исследования [29, 41]. С подачей Vt = 0,35 мм/мин шлифовали заготовки деталей типа «кулак поворотный» (см. рис. 46) из стали 40Х, HRC 28...32. Цикл шлифования завершался выхаживанием в течение 5 с. Шлифовальный круг 24А16НС17К26 1 – 600×63×305 правили с продольной подачей Vs = 0,25 м/мин по двум поверхностям алмазным карандашом С3 за 3 прохода глубиной 0,03 мм. Условия шлифования и правки выбирали в соответствии с рекомендациями [25]. В качестве СОЖ использовали 3 %-ю эмульсию Укринол-1 и подавали ее с суммарным расходом (поливом и через полуоткрытый клиновой насадок с торца круга) 40 дм3/мин. Источником УЗК служил УЗ генератор УЗГ-10 с магнитострикционным преобразователем ПМС-15, позволяющий плавно изменять частоту и амплитуду колебаний. Параметры УЗК (частоту fr и амплитуду Ап) контролировали с помощью виброизмерительного прибора голландской фирмы «Брюль и Кьер» с пьезоэлектрическим датчиком 4339. Результаты исследований, представленные на рис. 50, 51, показывают, что из числа исследованных параметров УЗК наибольшее влияние на период стойкости круга и шероховатость шлифованных поверхностей оказывает ам-

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

105

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

плитуда колебаний. Наибольшее значение τ c по критерию появления видимых следов дробления на прошлифованных цилиндрических поверхностях зафиксировано при Ап = (9 – 12,5) мкм, по появлению прижогов на торце – при Ап = 12,5 мкм (см. рис. 50). Таким образом, увеличение Ап свыше 9 мкм не дает существенного прироста периода стойкости по видимым следам дробления, однако способствует увеличению числа деталей, прошлифованных без прижогов. Полученные результаты объясняются тем, что а.з. круга, контактирующие с торцовой поверхностью загоRa товки, работают в крайне стесненных условиях по сравнению с зернами, контактирующими с цилиндрической поверхностью. В Рис. 50. Зависимость периода стойкости шлифовальпервом случае проного круга τс (1, 2) и среднего арифметического отклонения цесс обработки хапрофиля Ra (3, 4) от амплитуды колебаний УЗ насадка при рактеризуется совмещенном шлифовании: 1 – период стойкости по видибольшей теплосимым следам дроблений на цилиндрической части заготовки; ловой напряженно2 – период стойкости по прижогам на торце; 3, 4 – соответстстью, и увеличение венно цилиндрическая и торцовая поверхности заготовки. периода стойкости Условия шлифования см. в подписи к рис. 47 напрямую связано с увеличением расхода СОЖ, транспортируемой в зону обработки.

Рис. 51. Зависимость периода стойкости шлифовального круга τc (1, 2) и среднего арифметического отклонения профиля Ra (3, 4) от частоты УЗК: 1 – 4 см. подпись к рис. 50. Условия шлифования см. в подписи к рис. 47

Ra

106

Глава 4

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Увеличение амплитуды колебаний УЗ насадка интенсифицирует процесс прохождения СОЖ сквозь поры круга и приводит к увеличению расхода ее через зону шлифования, что, в свою очередь обуславливает увеличение периода стойкости круга, определяемого по прижогам на торцовой поверхности заготовки. Во втором случае увеличение амплитуды УЗК и связанное с этим увеличение расхода СОЖ через зону шлифования имеют для условий проведения экспериментов оптимум при Ап = 9 мкм и дальнейшее увеличение Ап не приводит к увеличению периода стойкости. Параметр Ra шероховатости цилиндрической шейки шлифованной детали имеет наименьшее значение при УЗК с амплитудой Ап = 5 мкм и пропорционально увеличивается с дальнейшим увеличением амплитуды до 12,5 мкм. На торцовой поверхности, шлифованной с использованием УЗК малых амплитуд (Ап = 5 – 6 мкм), значения параметра Rа в 1,4 раза больше, чем при Ап = (9 –12,5) мкм. По-видимому, объяснение этих фактов связано прежде всего с существенно различными условиями работы а.з. при шлифовании цилиндрических и торцовых поверхностей заготовки не только из-за различного количества попадающей в контакт СОЖ, но и с разницей в абсолютных значениях скоростей врезной подачи, а следовательно, и в глубинах внедрения отдельных а.з. при шлифовании. В систему кинематики совмещенного шлифования (см. рис. 46), с торцовой поверхности с подачей Vtт = 0,055 мм/мин снимали припуск Zт = 0,05 мм. За это же время с цилиндрической поверхности заготовки с подачей Vtц = 0,345 мм/мин снимали припуск Zц = 0,8 мм. Увеличение амплитуды УЗК при шлифовании цилиндрической поверхности приводит не только к увеличению расхода СОЖ через зону шлифования, но и к увеличению режущей способности круга вследствие увеличения развитости микропрофиля а.з. благодаря усилению кавитационных эффектов. Можно предположить, что при шлифовании торцовых поверхностей это не происходит, так как с увеличением Ап и пропорциональном увеличении расхода СОЖ из-за малых удельных нагрузок на а.з. процесс формирования их микропрофиля протекает менее интенсивно, чем при шлифовании цилиндрических поверхностей. При этом а.з. работают в условиях частичного затупления, что приводит к уменьшению значений высотных параметров шероховатости шлифованных поверхностей. Эти результаты находят подтверждение и в работах других исследователей [105, 107]. Изменение частоты УЗК fr (см. рис. 51) в диапазоне 18,6 – 32,5 кГц практически не оказывает влияния на период стойкости круга и шероховатости шлифованных цилиндрических и торцовых поверхностей заготовок. Полученные результаты подтверждают правильность сделанных предположений: повышение эффективности шлифования с увеличением амплитуды УЗК, вероятно, связано с интенсификацией движения СОЖ сквозь поровое пространство круга за счет кавитационных явлений. Известно, что наиболее ин-

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ…

107

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

тенсивная кавитация при малых значениях амплитуды колебаний (до 10 мкм) происходит при частотах колебаний от 18 до 19 кГц [16]. Возрастание частоты УЗК сверх этих значений не только не приводит к увеличению, но, по некоторым данным, наоборот, уменьшает кавитацию [88]. Однако, при этом, как упоминалось выше, увеличивается роль микропотоков в жидкости. По-видимому, их действия при фильтрации СОЖ сквозь поры шлифовального круга взаимно противоположны, но примерно одинаковы по эффективности. Вследствие этого, с увеличением fr эффективность шлифования не уменьшается. Этот вывод важен для проектирования новых УЗ генераторов, ввиду того, что имеются рекомендации о целесообразности перехода на УЗ частоты минимального диапазона fr = 42 – 50 кГц при разработке новой бытовой техники [62]. Хотя эти рекомендации и не распространяются на УЗ технику, используемую в промышленности, однако, с целью повышения безопасности труда выполнение рекомендаций желательно.

4.4. Выводы

1. Аналитически установлено и подтверждено экспериментально, что распространение интенсивных УЗ волн в поровом пространстве шлифовального круга сопровождается рядом эффектов, интенсивность которых зависит от амплитуды волны. Из-за поглощения энергии акустического поля твердыми стенками поровых каналов круга уменьшается эффективность действия УЗК с увеличением расстояния от источника колебаний и угла между векторами направленности УЗ волн и продольной осью капиллярных каналов в круге. Показана недопустимость линеаризации уравнений гидродинамики и уравнений состояния при рассмотрении процессов фильтрации СОЖ сквозь поровое пространство круга в УЗ поле. 2. Получены регрессионные зависимости высоты подъема СОЖ различных составов в капиллярах от мощности выходного УЗ сигнала и угла между векторами направленности колебаний и осью капиллярных каналов, зависимости составляющих сил шлифования от угла наклона клинового полуоткрытого насадка к торцу круга, подтверждающие нелинейный характер взаимосвязи УЗК и эффективности процесса шлифования. 3. Аналитически обоснована и подтверждена экспериментально целесообразность использования в УЗ технике подачи СОЖ выходного сигнала синусоидальной формы. Показано, что эффективность действия УЗК может быть существенно увеличена с помощью фокусирующей системы, а также путем оптимизации формы внутренней полости торцевого насадка. 4. Аналитически и экспериментально доказано влияние амплитуды УЗК на технологическую эффективность УЗ техники подачи СОЖ при правке круга и шлифовании заготовок.

108 –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Глава 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ ПРИ ШЛИФОВАНИИ И ПРАВКЕ АБРАЗИВНЫХ КРУГОВ 5.1. Исследование влияния модуляции ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования с гидроочисткой рабочих поверхностей кругов из сверхтвердых материалов Эффективность процесса шлифования определяется, главным образом, состоянием режущего контура абразивного круга. Одной из основных причин потери режущей способности абразивных кругов является засаливание их рабочих поверхностей. Общеизвестно, что радикальным средством предотвращения засаливания является гидроочистка межзеренного пространства СОЖ, подаваемой под высоким давлением и с большим расходом к зоне шлифования и вне ее на рабочую поверхность круга [79, 100]. Однако, наметившаяся в последнее время тенденция к сокращению объема потребления СОЖ на операциях механической обработки [33], заставляет искать новые средства воздействия на круг с целью сохранения его режущей способности. К числу таких средств, на наш взгляд, следует отнести новую малоэнергоемкую УЗ очистку рабочих поверхностей круга модулированными акустическими полями [65, 66]. Известно, что акустическая кавитация возникает при достаточно широком спектре частот колебаний [7, 13, 95], но исследования, посвященные изучению влияния частоты и амплитуды УЗК на эффективность гидроочистки рабочих поверхностей абразивных кругов, носят фрагментарный характер: частота и амплитуда варьировались в узком диапазоне или не варьировались совсем [1, 45]. Какиелибо работы, направленные на оптимизацию формы колебаний, проведены не были. В большинстве проведенных экспериментов использовались УЗК синусоидальной формы. Рассмотрим процесс изменения в СОЖ размеров кавитационного пузырька, заполненного газом, предполагая, что: жидкость несжимаема, УЗ поле имеет синусоидальное распределение звукового давления в непосредственной близости от поверхности пузырька, а максимальный диаметр пузырька меньше длины волны. В работе [19] получены уравнения, описывающие изменение размеров пузырька: 3 2   2σ 0  R0   ∂R  ∂ 2 R   2     = 4σ ж + 3ρ ж R  + 2 ρ ж R 2 R  p sin ω р t − p0 +  p0 +  ∂t 2  ;(109) R0  R    ∂t     

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ…

109

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

(

)

(

)

2σ   R  2  2 R03  p + 0  ln  − 2 R 2 − R02 σ 0 + R 3 − R03 × 3 R   R0   2

(110)

 ∂R  × p sin ω р t − p0 = ρ ж R 3   .  ∂t  где р0 – гидростатическое давление жидкости, Па; R0, R – соответственно начальный и текущий радиус пузырька, м; р – амплитуда звукового давления, Па; σ 0 – поверхностное натяжение жидкости, Н/м; ρж – плотность СОЖ, кг/м3; ω – резонансная частота, рад/с. Собственная (резонансная) частота колебаний пузырька может быть определена по формуле [19] 1 3γ ( p0 + 2σ 0 R0 ) ωр = , (111) R0 ρж

(

)

где γ – постоянная, характеризующая свойства среды (для газов γ = Сp/Cv – отношение теплоемкостей при постоянном давлении и объеме, см. также табл. 14). Таким образом, если начальный размер пузырька R0 меньше резонансного, пузырек под действием отрицательного давления сначала растет, затем, при положительном давлении начинает захлопываться. Пузырьки, размер которых P, больше резонансного, под действием звуатм ковой волны совершают колебательные движения, не захлопываясь (рис. 52). Из этого следуют выводы: 1. При определении значения фиксиR, 1 2 мкм рованной частоты УЗК существует верхнее 1,5 предельное значение начального размера пузырьков, способных расширяться, т. е. 1,0 кавитировать. 0,5 2. Способны кавитировать лишь те пузырьки, размер которых меньше резо0 0,1 0,2 0,3 τ, мкс нансных. Рис. 52. Изменение размеров Необходимо отметить, что при искавитационных пузырьков в СОЖ пользовании УЗ техники подачи жидкость при модуляции УЗК: 1 – начальный размер пузырька меньше резонанснеизбежно насыщается воздухом из-за раного; 2 – начальный размер больше боты насоса. Это позволяет предположить, резонансного. ω1 = 3⋅107 Гц; что в озвучиваемой СОЖ существуют пуω2 = 9⋅107 Гц; р0 = 105 Н/см2 [19] зырьки радиусом до 1 мм. Следовательно,

110

Глава 5

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

если амплитуда звукового давления незначительно превышает порог кавитации, не все газовые пузырьки, размер которых меньше резонансных, способны кавитировать. Минимальный размер R0min пузырька, способного кавитировать при заданной амплитуде звукового давления, может быть определен из условия разрыва жидкости, при котором [19]

2 8σ 03 Р − Р0 > . 3 3R0 min (Р0 + 2σ 0 R0 min )

(112)

Максимальный размер R0max пузырька, способного кавитировать, может быть определен из условия резонанса:

ρ ж (ω р R0 max )2 = 3γ (Р0 + 2σ 0 R0 max ) .

(113)

Таким образом, в кавитацию вовлекаются пузырьки, размеры которых удовлетворяют условию R0 max > R > R0 min , (114) где R0min определяется амплитудой звукового давления, а R0max – частотой колебаний. Из условия (114) следует, что при некоторых соотношениях частоты и амплитуды звукового давления может оказаться, что R0 max ≤ R0 min и тогда кавитация не возникает при любых значениях R0 и амплитуд звукового давления. С другой стороны, при больших амплитудах звукового давления скорость роста и максимальный радиус пузырьков могут оказаться такими, что в фазе положительного давления они не успевают захлопнуться. Очевидно, для того, чтобы обеспечить кавитацию пузырьков, имеющих различные начальные размеры R0, следует расширить как спектр частот колебаний насадка, так и диапазон амплитуд звукового давления. На практике это можно осуществить, накладывая на насадок модулированные по частоте, амплитуде или фазе колебания. Модулированные колебания – это колебания с относительно медленным изменением амплитуды, частоты или фазы, таким чтобы за период колебаний модулируемый параметр изменялся незначительно. При модуляции амплитуды синусоидальным сигналом уравнение, описывающее модулированное колебание имеет вид X = A0 (1 + m sin Ωτ ) ⋅ sin(ωτ + ϕ ) , (115) где A0 – амплитуда исходного колебания параметра, м; ω = 2πf r , Гц; ϕ – начальная фаза исходного колебания, рад; Ω – частота модулирующих колебаний, рад/с; m – глубина модуляции, характеризующая степень изменения амплитуды: A − Amin m = max , (116) Amax + Amin где Amax и Amin – максимальное и минимальное значения амплитуды, м.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ…

111

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Амплитудно-модулированА Ω ное колебание с синусоидальной Аmax модуляцией представляет собой сумму трех гармонических колеАmin баний с частотами ω, (ω + Ω) и τ (ω − Ω) (рис. 53). Колебание часω тотой ω называется несущим; его амплитуда равна амплитуде A0 Рис. 53. Осциллограмма амплитудно-модуисходного колебания. Две другие лированного сигнала частоты называются боковыми, амплитуда каждого из этих колебаний равна mA0 / 2. Присутствие в спектре амплитудно-модулированного сигнала гармонических колебаний с частотой (ω − Ω) способствует вовлечению в процесс кавитации более крупных пузырьков, чем в случае использования немодулированного сигнала частотой ω. Учитывая, что отношение ω Ω должно быть не менее 10 %, применение амплитудно-модулированных колебаний приводит к кавитации пузырьков, размеры которых незначительно превышают максимальный размер, соответствующий частоте несущих колебаний. Если в качестве несущих выступают колебания частотой 18,6 кГц, в качестве модулирующего – сигнал с частотой 1 кГц, то меньшая боковая частота составляет 17,6 кГц, т. е. отличается от частоты несущих колебаний всего на 5 %. Поскольку амплитудная модуляция связана с постоянным изменением амплитуды звукового давления и наличием трех гармонических колебаний с разными частотами, вероятность того, что R0 max ≤ R0 min может быть значительно уменьшена. При частотной модуляции модулирующий сигнал вызывает изменения мгновенных значений частоты, не влияя на амплитуду колебаний. При модуляции синусоидальным сигналом частота колебаний меняется по закону ω = ω н + ∆ω cos(Ωτ ), (117) где ωн – несущая частота, рад/с; cos (Ω τ) – определяет форму модулирующего сигнала; ∆ω – девиация частоты, представляющая собой амплитуду отклонения частоты ω от несущей частоты. Полоса частот частотно-модулированного колебания зависит от величины β = ∆ω Ω , которая называется индексом частотной модуляции. При

β << 1 справедливо приближенное соотношение X = A0 [sin(ωτ ) + β sin(Ωτ ) ⋅ cos(ωτ )].

(118)

112

Глава 5

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В этом случае частотно-модулированные колебания, так же, как и амплитудно-модулированные, состоят из нескольких гармонических составляющих: несущего колебания с частотой ω и двух спутников с частотами (ω + Ω) и (ω – Ω). Таким образом, при малых β полосы частот, занимаемые амплитудномодулированными и частотно-модулированными колебаниями одинаковы. При больших β спектр боковых частот значительно расширяется. Кроме колебаний частоты (ω ± Ω), появляются и другие колебания, частоты которых равны (ω ± 2Ω) и т. д. Полную ширину полосы частот, занимаемую частотно-модулированным колебанием с девиацией ∆ω и частотной модуляцией Ω, можно считать равной (2∆ω + 2Ω). Эта полоса шире, чем при амплитудной модуляции колебаний. Широкий спектр частот, занимаемый частотно-модулированным колебанием, очевидно, может способствовать и значительному расширению диапазона размеров пузырьков, способных кавитировать. Так, присутствие в этом спектре колебаний с минимальной частотой, как было показано выше, может вызвать кавитацию пузырьков, имеющих достаточно большие размеры. В то же время звуковое давление пропорционально колебательной скорости частиц, а та, в свою очередь, – частоте колебаний и амплитуде колебательного смещения частиц. Поэтому наличие в спектре колебаний с максимальной частотой должно способствовать вовлечению в процесс кавитации пузырьков, имеющих весьма малые размеры. Таким образом, применение модулированных колебаний должно привести к значительному увеличению диапазона размеров пузырьков, способных кавитировать. Максимальная эффективность от использования частотно-модулированных колебаний может быть достигнута, если основная резонансная частота преобразователя будет совпадать с максимальной (верхней) боковой частотой. Это означает увеличение амплитуды звукового давления с максимальными частотами, что, в свою очередь, должно привести к вовлечению в процесс кавитации еще более мелких пузырьков. Устройство для УЗ очистки рабочей поверхности абразивных кругов из сверхтвердых материалов представлено на рис. 54. Устройство состоит из пьезоэлектрического преобразователя 1, УЗ генератора ТЕХМА-3М, волновода-насадка 3 для подачи СОЖ. Жидкость подается от электронасоса ПА-22, производительностью не более 22 дм3/мин, в трубопровод 4 и выбрасывается на рабочую поверхность абразивного круга, где под действием УЗК вовлекается в интенсивную кавитацию, очищая а.з. от налипов и отходов шлифования и предотвращая засаливание и износ режущих кромок. Учитывая, что линейный износ абразивных кругов характеризуется очень малыми величинами, зазор между насадком 3 и кругом 5 сохраняется в течение всего периода эксплуатации абразивного инструмента постоянным в пределах 0,1 – 0,2 мм.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ…

113

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

СОЖ Рис. 54. Устройство для гидроочистки рабочей поверхности круга из сверхтвердых материалов: 1 – пьезоэлектрический преобразователь; 2 – УЗ генератор; 3 – волновод-насадок для подачи СОЖ; 4 – трубопровод; 5 – абразивный круг; 6 – кожух

4 6

1

2 3 5

С целью определения области рационального применения УЗ очистки абразивных кругов из сверхтвердых материалов и оптимизации режимов обработки были проведены экспериментальные исследования при плоском маятниковом шлифовании заготовок из высокопрочного титанового сплава ВТ22, коррозионностойкой стали 14Х16Н6 и жаропрочного сплава ЖС-6. На первом этапе эффективность УЗ очистки оценивали по составляющим силы шлифования Рz и Ру. Рабочая скорость круга 1А – 1 200×20×32×5 ЛО1251100СТ1К составляла 35 м/с, скорость продольной подачи стола – 8 м/мин, скорость врезной подачи – 0,01мм/дв. ход. СОЖ Синхо-6 (3 %) подавали поливом, либо одновременно поливом и на рабочую поверхность круга через клиновой полуоткрытый насадок с наложением на него УЗК (в том числе амплитудно-модулированных) с общим расходом не более 15 дм3/мин. Для полной оценки эффективности процесса шлифования, кроме составляющих силы резания, контролировали параметр шероховатости обработанной поверхности заготовки Ra, мкм, и износ абразивного круга. При проведении исследований использовали многофакторное планирование. При шлифовании заготовок из сплава ВТ22 с подачей СОЖ поливом через 16 минут составляющие силы шлифования Ру и Рz увеличивались на 40 – 60 %, при гидроочистке рабочей поверхности круга (без УЗК) – на 30 и 40 % соответственно (рис. 55). Гидроочистка с наложением на насадок УЗК частотой 18,6 кГц (глубина модуляции – нуль) способствует не только стабилизации составляющих Ру и Рz силы шлифования по мере увеличения наработки круга (силы Ру и Рz увеличились в меньшей степени – на 20 и 25 %), но и снижению их непосредственно после правки круга, когда он не засален. Это объясняется созданием более прочных смазочных пленок на рабочей поверхности круга, уменьшающих интенсивность адгезионного взаимодействия с заготовкой, в результате чего снижается коэффициент трения и интенсивность засаливания круга, а также более эффективной очисткой его рабочей поверхности от налипов металла и отходов шлифования.

Глава 5

114

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

105

80

Н 95

Н70

1

Ру 85 75

Рz

2

0

4

8

12

60

2

50

3

65

1

3

40 мин 16

τc

20

0

4

8

12

мин 16

20

τc

а)

б)

Рис. 55. Зависимость радиальной Ру (а) и касательной Рz (б) составляющих силы шлифования от метода воздействия на рабочую поверхность круга: 1 – подача СОЖ поливом; 2 – гидроочистка рабочей поверхности круга; 3 – то же с использованием УЗК частотой 18,6 кГц

Изменение глубины модуляции т от 0 (кривая 1, рис. 56) до 90 % (кривая 4) существенным образом влияет на изменение составляющих силы шлифования Ру и Рz. Как следует из анализа полученных результатов, оптимальным значением глубины модуляции для шлифования заготовок с УЗ гидроочисткой эльборового круга следует считать 60 % (рис. 56). По видимому, при этом значении т достигается наибольшая степень очистки рабочей поверхности круга от налипов и отходов шлифования. 110 Н 90 Ру

50

5 2

1

Рz

70

0

3

6

9

τ

4 3

10 мин 12

2

1

30 20

4

3

50

5

Н 40

15 а)

0

3

6

9

τ

мин 12

15 б)

Рис. 56. Зависимость радиальной Ру (а) и касательной Рz (б) составляющих силы шлифования от времени шлифования τ и способа подачи СОЖ: 1, …, 4 – подача СОЖ поливом и гидроочистка рабочей поверхности круга с УЗК с глубиной модуляции т = 0, 30, 60, 90 %; 5 – подача СОЖ поливом. Материал заготовок ВТ22

Аналогичные результаты получены при эльборовом шлифовании заготовок из коррозионностойкой стали 14Х16Н6. На втором этапе исследований сравнительную эффективность различных методов УЗ очистки определяли по контактной температуре в зоне шлифования, оцениваемой методом полуискусственной термопары при обработке заготовок из сплавов ВТ22, ЖС6 и коррозионностойкой стали 14Х16Н6 с использо-

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ…

115

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

123

123

123 ЖС6

ЖС6

0

14Х16Н6

200

123

14Х16Н6

123 123

ВТ22

Т 400

а)

123

123

123 ЖС6

К 600

1000 К 800 600 Т 400 200 0

14Х16Н6

800

ВТ22

1000 К 800 600 Т 400 200 0

ВТ22

ванием эльборовых кругов трех различных характеристик. Кроме того, состояние режущего профиля абразивных кругов оценивали косвенным методом – по среднему арифметическому отклонению профиля Ra шлифованных поверхностей заготовок. Некоторые результаты данных исследований представлены на рис. 57 – 59.

б)

в)

Рис. 57. Влияние различной техники гидроочистки рабочей поверхности круга ЛС125/100%СТ1К (а), ЛО5 125/100%Б1В1 (б) и ЛКП 125/100%С1К (в) на контактную температуру Т: 1, 2, 3 – соответственно полив и гидроочистка без УЗК, то же с УЗК, то же с амплитудно-модулированными УЗК

750

5

К 700 650

1

Т 600

2 4

550 3

500 0

3

6

9

мин 12

15

Рис. 58. Зависимость контактной температуры Т в зоне шлифования от времени шлифования τ и способа подачи СОЖ: 1, …, 4 – подача СОЖ поливом и гидроочистка рабочей поверхности круга с УЗК с глубиной модуляции т = 0, 30, 60, 90 %; 5 – подача СОЖ поливом. Материал заготовок ВТ22

1,0 мкм 0,8 0,6

123

123

123

ВТ22

ЖС6

а)

0,2 0,0

ЖС6

123

14Х16Н6

123

ВТ22

123

14Х16Н6

0,2 0,0

Ra 0,4

ВТ22

Ra 0,4

1,2 1,0 мкм 0,8 Ra 0,6 0,4 0,2 123 0,0

б)

123

123 ЖС6

1,0 мкм 0,8 0,6

14Х16Н6

τс

в)

Рис. 59. Влияние различной техники гидроочистки рабочей поверхности круга ЛС125/100%СТ1К (а), ЛО5 125/100%Б1В1 (б) и ЛКП 125/100%С1К (в) на среднее арифметическое отклонение профиля шлифованных поверхностей Ra: 1, 2, 3 – соответственно полив и гидроочистка без УЗК, то же с УЗК, то же с амплитудно-модулированными УЗК

116

Глава 5

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Анализ результатов исследований (см. рис. 57) показывает, что введение в зону кавитации УЗК способствует уменьшению контактной температуры в зоне шлифования от 70 до 200 К (в зависимости от теплофизических свойств шлифуемых материалов и характеристик абразивных кругов). Учитывая, что изменения контактных температур в указанных диапазонах происходят в зоне температур структурно-фазовых превращений данных материалов, можно не сомневаться в их существенном влиянии на качество поверхностного слоя шлифованных деталей. Как и при анализе результатов исследований с замером составляющих силы шлифования, изменение глубины амплитудной модуляции оказывает существенное влияние на контактную температуру в зоне шлифования. Оптимальным значением т является 60 %. В сравнении с т = 0 использование УЗ очистки с 60 %-й модуляцией позволяет на 15 – 20 % уменьшить контактную температуру в течение всего времени шлифования. Дальнейшее увеличение т до 90 % приводит к увеличению Т (см. рис. 58). Уменьшение контактной температуры и сил резания при использовании УЗ гидроочистки рабочих поверхностей абразивных кругов из сверхтвердых материалов является одновременно косвенным свидетельством повышения их режущей способности. Более очевидно это следует из анализа результатов исследований, представленных на рис. 59: с увеличением интенсивности кавитации СОЖ в зоне шлифования режущая способность абразивных кругов сохраняется в течение большего времени, о чем свидетельствуют большие значения параметра Ra, характеризующего микропрофиль шлифованной поверхности. Предпочтительной областью использования УЗ техники подачи СОЖ для гидроочистки с амплитудной модуляцией сигнала являются операции чистового шлифования, когда на первый план (в отличие от отделочного шлифования) выступает обеспечение высокой режущей способности абразивного круга. Гидроочистка обеспечивает возможность использования при чистовом шлифовании мелкозернистых алмазных и эльборовых кругов, себестоимость которых в 1,5 – 5 раз меньше, чем у кругов, которые традиционно работают на данных операциях.

5.2. Исследование гидродинамики СОЖ при фильтрации сквозь поры абразивного круга с наложением модулированных ультразвуковых колебаний

Одним из путей проникновения СОЖ в контактные зоны при шлифовании и правке является ее движение сквозь поровое пространство кругов на керамической или вулканитовой связке, полученной методом прессования [22,

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ…

117

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

106]. Подача СОЖ сквозь поры круга через центральное отверстие или через клиновые полуоткрытые насадки, расположенные у его торцев [30, 34, 36, 38, 39, 43, 63], приводит к заполнению порового пространства жидкостью. В результате замены воздуха жидкостью изменяются теплофизические характеристики круга в целом и тепловой баланс процессов правки и шлифования. Абразивный круг вместе с жидкостью представляет собой сложную гетерогенную термодинамическую систему. На фильтрацию сквозь пористые абразивные круги оказывают влияние силы взаимодействия жидкости и развитых поверхностей порового пространства абразивного инструмента, силы взаимодействия между жидкостью и воздухом с ее парами и силы воздействия внешних полей (сила гравитации, центробежная сила, давление СОЖ во внутренней полости круга и др.). Возникновение первых двух сил проявляется в результате различных молекулярных связей. Так, ван-дер-ваальсовы силы проявляются во всех агрегатных состояниях контактирующих объектов. Силы межмолекулярного взаимодействия имеют электрическое происхождение. Различают силы когезии, соответствующие явлению сцепления однородных молекул, и силы адгезии, соответствующие явлению сцепления между разнородными молекулами. Силы адгезии могут как превосходить, так и уступать силам когезии. Последнее зависит от состояния ПАВ и его химического состава из пары взаимодействующих объектов. Чем меньше работа когезии жидкости и ее поверхностное натяжение, а также чем больше работа адгезии жидкости к твердому телу, тем лучше жидкость смачивает поверхность твердого тела и наоборот. Степень смачиваемости твердого абразивного круга жидкостью, или степень гидрофильности поверхности его порового пространства, зависит от полярности молекул твердого тела (а.з., связки). На поверхности раздела жидкости и твердого тела могут происходить процессы адсорбции и десорбции. Различают физическую (ван-дер-ваальсову) адсорбцию и химическую – хемосорбцию. Физическая адсорбция является обратимой и вызывается силами, имеющими электрическую природу (взаимодействие молекул с индуцированными и постоянными диполями, между неполярными молекулами). Хемосорбция необратима и вызывается химическими силами (ионные, ковалентные и координационные связи). Природа внешних сил может быть разнообразной, однако при фильтрации СОЖ сквозь поровое пространство вращающегося абразивного круга, в основном, центробежная. Таким образом, СОЖ, заполняющая поры абразивного круга, находится в сложном взаимодействии с внутренними и внешними силовыми полями различной природы (гравитационными, электромагнитными, температурными, центробежными и др.). Степень подвижности и фильтрация СОЖ зависят от характера сил, действующих на круг с жидкостью, количества СОЖ, подводи-

118

Глава 5

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

мой в поровое пространство круга, и физико-химических свойств СОЖ, а.з. и связки. В процессе шлифования в зонах контактного взаимодействия происходит интенсивное испарение СОЖ. При традиционных способах ее подачи образуется паровая заслонка, которая препятствует быстрому переходу избыточного тепла в основную массу жидкости. Пары СОЖ, как при ее подаче поливом, так и при транспортировании к контактным зонам сквозь поровое пространство, способны проникать во внутренние полости (каверны) круга и перемещаться от более нагретых участков к менее нагретым. Перемещение паров СОЖ в поровом пространстве, в силу действия эффекта Томпсона, осуществляется от выпуклых поверхностей внутренних полостей круга к вогнутым или плоским поверхностям. При этом происходит полная или частичная их конденсация, благодаря чему движение жидкости переходит в свою другую категорию, например, капиллярную. В равной степени возможен и обратный процесс. Конденсация паров СОЖ, происходящая с изменением температуры, называется термической. При фильтрации СОЖ сквозь поры круга может быть и молекулярное взаимодействие паров СОЖ, когда молекулы пара адсорбируются в поровом пространстве на стенках внутренних полостей круга с образованием адсорбированной СОЖ [106]. Адсорбция паров СОЖ определяется их относительной упругостью и зависит от удельной поверхности порового пространства круга, химического состава связки и а.з., размеров пор и теплового режима в зоне резания. В результате электростатического притяжения между ионами твердого тела круга (а.з., связка) и дипольными молекулами СОЖ образуется однослойная сорбция молекул [106]. Ван-дер-ваальсовы силы поверхности твердого тела круга и электростатическое притяжение от дипольного строения самих молекул СОЖ являются основой процесса многослойной сорбции. Дальнейшее увеличение слоев адсорбированной СОЖ идет за счет капиллярной конденсации. Благодаря конденсации, СОЖ может полностью заполнить отдельные поры и находиться в состоянии связанной СОЖ. Это оказывает существенное влияние на теплофизические свойства круга. Связанная СОЖ по своим свойствам существенно отличается от СОЖ, находящейся в объемном состоянии. Ее плотность на 20 – 40 % выше плотности обычной жидкости [106]. В результате действия на молекулы СОЖ поверхностных электрических зарядов а.з. и связки круга и ионов на поверхности раздела твердой и жидкой фаз подвижность молекул связанной СОЖ уменьшается, что приводит к изменению физических свойств самой жидкости. Слой молекул СОЖ, находящийся в непосредственной близости с поверхностями а.з. и связки, как правило, характеризуется особо прочными связями с твердым телом, которые носят характер химического взаимодействия. Такую категорию СОЖ называют химически связанной. Слой различен по

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ…

119

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

толщине и зависит от формы шероховатых поверхностей а.з. и связки круга. На выпуклых участках этих поверхностей электромолекулярные силы значительно сильнее, поэтому здесь толщина слоя химически связанной СОЖ больше. Учитывая, что в соответствии с эффектом Томпсона, молекулы жидкости должны перемещаться от выпуклых к вогнутым участкам шероховатых поверхностей а.з. и связки, то с учетом электромолекулярных сил вокруг каждого а.з. и по всей поверхности порового пространства круга устанавливается определенная толщина химически связанной СОЖ. Ее первый слой испытывает давление в несколько сотен мегапаскаль от действия электромолекулярных сил, что существенно изменяет свойства химически связанной СОЖ: увеличивается вдвое плотность и температура кипения, в 1,3 – 1,5 раза увеличивается теплоемкость, в ней не действуют законы гидростатики [8, 21]. Удалить такую СОЖ с поверхностей а.з. и связки можно только нагреванием. За счет молекулярных сил сцепления между молекулами жидкости и а.з. и связки и за счет ориентации дипольных молекул СОЖ, вокруг химически связанной жидкости образуется слой физически связанной СОЖ. Физически связанная жидкость удерживается у стенок а.з. и связки с существенно меньшей силой, чем химически связанная. Однако эта сила в несколько тысяч раз больше силы тяжести. Поэтому физически связанная СОЖ способна перемещаться под действием молекулярных сил независимо от действия силы тяжести, но это перемещение происходит с меньшей скоростью по сравнению с передвижением жидкости при ее капиллярном поднятии. Вследствие этого происходит увеличение сопротивления фильтрации ее сквозь поровое пространство круга. Физически связанная СОЖ имеет несколько повышенную вязкость по сравнению с обычной жидкостью. В процессе насыщения порового пространства абразивного круга жидкость стягивается в местах контакта а.з. и заполняет углы пор. СОЖ в углах пор ограничена их стенками и поверхностью мениска, образующегося на определенном расстоянии от вершины угла поры. Такие капельки СОЖ находятся в разобщенном состоянии, и перемещение жидкости между ними отсутствует. При дальнейшем увеличении насыщения СОЖ поры круга заполняются жидкостью с образованием системы поровых каналов, по которым под действием капиллярного давления происходит перемещение СОЖ. Высота поднятия жидкости по капиллярам шлифовального круга зависит от величины поверхностного натяжения СОЖ, ее плотности, смачиваемости, структурного строения круга, размеров его пор и др. [16, 46]. Если СОЖ полностью заполняет поровое пространство, то в крупных порах не действуют капиллярные силы. Жидкость находится в свободном состоянии и способна перемещаться под действием гравитационного поля (силы тяжести).

120

Глава 5

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Таким образом, в поровом пространстве абразивного круга СОЖ находится в виде пара, адсорбированной физически и химически связанной, в капиллярном и гравитационном состоянии. При подаче СОЖ сквозь поры вращающегося шлифовального круга она может перемещаться по поровым каналам под действием гравитационных и капиллярных сил. При определенном значении центробежной силы часть физически связанной СОЖ под действием вибраций также может перемещаться по поровым каналам, однако ее большая часть, а также вся химически связанная СОЖ в виде адсорбционных пленок, проникает в точки непосредственного контакта а.з. с заготовкой и правящим инструментом. Проводимость круга по отношению к СОЖ характеризуется его проницаемостью, которая определяется по закону Дарси и для абразивных кругов выражается следующей зависимостью [106]: qµ R К= ln , (119) ∆p 2πH Rн где q – объемный расход СОЖ, м3/с; ∆P – перепад давления СОЖ, создаваемый насосом (Рн) и центробежным полем, Па; Н – высота круга, м; R – наружный радиус круга, м; Rн – радиус расположения насадка для подачи СОЖ сквозь поры круга, м. Удельное сопротивление круга характеризуется величиной, обратной его проницаемости. Экспериментально показано [106], что гидравлическое сопротивление кругов при движении через поровое пространство СОЖ непостоянно. По мере фильтрации даже чистой СОЖ гидравлическое сопротивление круга непрерывно возрастает. После прекращения подачи СОЖ и возобновления ее через некоторое время сопротивление оказывалось близким к исходному. Это явление, называемое фильтрационным эффектом, обусловлено образованием в поровых каналах абразивных кругов паровоздушных пузырьков, которые или выносятся СОЖ из поровых каналов, или закупоривают их, увеличивая гидравлическое сопротивление круга, что на практике встречается чаще. Для исключения фильтрационного эффекта необходимо либо увеличить давление подаваемой СОЖ не менее, чем на 3 – 5 Па, либо подавать ее с наложением УЗК. Последнее вызывает в поровом пространстве круга кавитацию и способствует, с одной стороны, интенсивному захлопыванию паровоздушных пузырьков, с другой стороны – интенсификации капиллярного подъема СОЖ по микроканалам порового пространства и уносу паровоздушных пузырьков при одновременном увеличении расхода жидкости из-за уменьшения гидравлического сопротивления в порах круга. Математическая модель движения СОЖ в контактные зоны по порам круга при подаче ее к его торцам была рассмотрена В. В. Ефимовым в работах [17, 18]. Ему удалось получить аналитическим путем и проверить эксперимен-

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ…

121

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

тально уравнение траектории движения СОЖ сквозь поры круга. Исследования [17, 18, 30, 34, 45] позволяют однозначно утверждать, что, варьируя конструктивными параметрами клинового полуоткрытого насадка (см. рис. 22) и величиной начальной скорости пропитки кругов высотой до 120 мм, поровое пространство круга, примыкающее к его периферии, можно всегда заполнить СОЖ. Однако при рассмотрении фильтрации жидкости сквозь поровое пространство круга в уравнении (119), а также в работах [17, 18, 45] не учтены вязкостный αв и инерционный βи коэффициенты гидравлического сопротивления [6], что недопустимо при наличии динамической колебательной системы (вращающиеся абразивный круг и заготовка, периодически перемещающийся или вращающийся правящий инструмент). Значения коэффициентов αв (характеризует сопротивление движению жидкости в порах круга за счет вязкого трения) и βи (учитывает потери давления, обусловленные формой поровых каналов) изменяются, по имеющимся в литературе сведениям, в широких пределах, что не позволяет проводить точный количественный анализ фильтрации СОЖ в поровом пространстве вращающегося абразивного круга под действием УЗК с различными параметрами. Согласно [6]

α в = АП а [м −2 ]; β и = ВП b [м −1 ],

(120)

где А = (0,064…10,4)⋅1010; В = (1,15…72,0)⋅109; а = –(4,4…5,0); b = –(5,6 … 5,9); Па – активная пористость круга [106]: П а = VпаV −1 , где Vпа – объем активных пор абразивного круга, м3; V – объем абразивного круга, м3. Далее (параграф 5.3) будет показано, как можно определить величины αв и βи для условий фильтрации СОЖ сквозь поры вращающегося абразивного круга. Опираясь на аналитические исследования В. В. Ефимова [17, 18], попытаемся получить уравнение движения жидкости по поровому пространству круга, воспользовавшись схемой, показанной на рис. 60.

Рис. 60. Расчетная схема для вывода уравнения движения жидкости внутри круга: Vr, Vϕ − соответственно радиальная и касательная скорости фильтрации

122

Глава 5

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

На выделенный элемент жидкости в пористом круге действуют внешние поверхностные силы или градиент давления, обусловленный избыточным давлением СОЖ в зоне ее подвода к торцу круга (область S), центробежные или внутренние массовые силы, силы сопротивления и капиллярный напор. Учитывая, что скорость фильтрации мала по сравнению с окружной скоростью шлифовального круга, можно допустить, что подаваемый через неподвижный насадок площадью S расход жидкости распределяется равномерно по площади Fr = 2πr1 H к1 , где H к1 – единица высоты круга. В этом случае скорость фильтрации будет определяться массовой плотностью тока g 1 = G ж Fr на радиусе r1, одинаковой по углу ϕ. Таким образом, процесс фильтрации в квазиустановившемся режиме можно считать осесимметричным (в подвижной системе координат), а касательную скорость фильтрации можно принять равной нулю. Весь круг можно разделить на две области: область I – r1 ≤ r ≤ Rк , жидкость поступает через поверхность F длиной L1 = 2πr1 и шириной H к1 и выхо-

дит через поверхность F длиной L2 = 2πRк и шириной H к1 ; область II – r0 ≤ r ≤ r1 , поверхность Fr = 2πr0 H к1 непроницаема для жидкости, поэтому в области II после заполнения пор жидкостью устанавливается равновесие всех сил при радиальной скорости фильтрации v r = 0 . После заполнения области I (при установившемся режиме) влиянием капиллярного напора можно пренебречь [17]. С учетом схематизации процесса и сделанных допущений для выделенного элементарного объема круга можно записать: С учетом схематизации процесса и сделанных допущений для выделенного элементарного объема круга можно записать (121) R1 − R2 + R3 − R4 = 0, где R1 − сила, действующая на площадку АВ, Н; R2 − сила, действующая на площадку СD, Н; R3 − центробежная сила, действующая на жидкость в объеме ABCD, Н; R4 − сила сопротивления движению в объеме ABCD, Н. (122) R1 = prdϕ, R2 = (p + dp)⋅(r + dr)dϕ = prdϕ + pdrdϕ + rdpdϕ + dpdrdϕ. Учитывая, что dpdrdϕ → 0, (123) R2 = prdϕ + pdrdϕ + rdpdϕ. Опуская промежуточные вычисления для R3, можно записать (124) R3 = 2ρжПω2r2drdϕ. Из закона Дарси [14, 103, 109] и с учетом (120) R4 = (αвµυr + βиυr2ρж) rdrdϕ, (125) где радиальная скорость фильтрации

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ…

123

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

υr =

Gж , м/с . 2 рrс ж H к′

(126)

Подставив полученные соотношения (122) − (125) в (121), и разделив обе части уравнения на dϕ, получим: pr − pr − p⋅dr − rdp + 2ρжПω2 r2dr − (αвµυr + βиυr2ρж) rdr = 0; d ( pr ) − = ( б в мхr + в и х r2 с ж )r − 2 с ж Пщ 2 r 2 = dr (127) 2 б в мGж в и Gж 2 2 = + − 2 с ж Пщ r . 2 2рс ж H к′ 4р 2 rс ж Н к2

б в мGж в и Gж2 ; Вж = Обозначив Аж = ; Сж = 2ρжПω2, получим 2 2 2 2 рс ж Н к 4 р сж Н к уравнение движения СОЖ в следующем виде: −d(pr) = Аж dr + Вж d (ln r) − Сжr2dr. (128) Отсюда: p1 r1 − p2 Rк = Аж (Rк − r1) + Вж ln Rк (r1)-1Cж3-1(Rк3 − r13)-1 (129) Для серединного сечения круга G H′  Gж  , p1 = ps − ж к  б в м + в и (130) 8 рr1rs с ж  4 рr1rs  где рs − давление СОЖ на выходе из торцевого насадка, Па. Для сечения на торцевой поверхности круга р1 = рs. Решив системы уравнений (129) и (130) при заданных давлениях рs и р2 и размерах r1, r2, rs методом последовательных приближений, определяют Gж, а затем, используя выражение (126), − радиальную скорость фильтрации υr.

5.3. Определение коэффициентов вязкостного и инерционного гидравлического сопротивления фильтрации СОЖ сквозь поры абразивного круга под действием модулированных ультразвуковых сигналов

Для практического использования уравнения движения СОЖ (128) необходимы численные значения вязкостного αв и инерционного βи коэффициентов гидравлического сопротивления. Эти коэффициенты фактически являются характеристиками проницаемости пористых материалов, без знания которых неправомерно использование закона Дарси [109] для фильтрации СОЖ сквозь вращающиеся абразивные круги. Аналитической оценке значения этих коэффициентов не поддаются, поэтому были предприняты дополнительные теоре-

124

Глава 5

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

тико-экспериментальные исследования. Значения αв и βи определяли для абразивных кругов 1 – 600×305×63 (Rк = 0,3 м) следующих характеристик: 14А40НС26К20 (Па = 0,323), 64А25ПС16К3 (Па = 0,329), 92А25ПС27К5 (Па = 0,381) и 14А25ПС18К16 (Па = 0,416). В качестве фильтрующейся жидкости использовали 3 %-ю водомасляную эмульсию Укринол-1М (ТУ 38.101878–83), которую подавали с торца круга (2Rн = 0,356 м) через клиновой полуоткрытый насадок без наложения и с наложением УЗК от УЗ генератора ТЕХМА-1 выходной мощностью 50 Вт и частотой 18,6 кГц. Исследования проводили при «холостом» вращении круга на экспериментальной установке, созданной на базе круглошлифовального станка 3Б161, оснащенного электрическим приводом бесступенчатого регулирования окружной скорости абразивного круга и станцией подачи СОЖ под высоким (до 5 МПа) давлением. В процессе исследований угловую скорость ω круга изменяли от 100 до 200 с-1 (через каждые 10 с-1). При этом рабочая скорость Vк шлифования и правки составляла от 30 до 60 м/с. Избыточное давление СОЖ на входе в поровое пространство шлифовального круга варьировали в диапазоне (1,3–3,3)⋅105 Па (через каждые 0,4⋅105 Па). Расход фильтрующейся СОЖ определялся массовым методом после сбора ее с помощью специальной четырехсекционной ловушки, пришлифованной к периферии круга [41, 101] (рис. 61).

Рис. 61. Схема установки для измерения расхода СОЖ, проходящей сквозь поры круга: 1 – шлифовальный круг; 2 – клиновой полуоткрытый насадок; 3 – ловушка для СОЖ; 4 – мерная колба

Введем новые обозначения: α µ (Rк − Rн ) β ln(R R ) 2 А′ = в ; В′ = и 2 к 2н ; С ′ = ρ ж Пω 2 Rк3 − Rн3 ; 2πρ ж Н к 3 4π ρ ж Н к

(

)

(131)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ…

125

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

D′ = p11 Rн − p12 Rк , где p11 , p 21 – давление СОЖ соответственно на входе и выходе из круга, Па.

Тогда уравнения (126) и (128) можно видоизменить: 2 А′Gж + B ′Gж (132) = С ′ + D′ . Действительный корень алгебраического уравнения (132) определяется соотношением − А′ + А′ 2 + 4 В ′(С ′ + D ′) . (133) Gж = 2В′ Соотношение (133) отражает в явном виде (через С′) влияние угловой скорости ω на расход фильтрующейся СОЖ. Если на жидкость наложить УЗК, то изменение расхода СОЖ сквозь поры круга проявится через изменение численных значений коэффициентов αв и βи, входящих в (131). Представим выражение (132) в следующем виде С ′ − D′ (134) = А′ + В ′Gж . Gж Тогда для определения числовых значений коэффициентов αв и βи необС ′ − D′ от Gж . В соответствии с (134) эта зависиходимо найти зависимость Gж мость является линейной, что позволяет, используя метод наименьших квадратов, вычислить коэффициенты А′ и В′, а затем значения αв и βи (рис. 62). Как следует из результатов экспериментальных исследований, значения коэффициентов А′ и В′ при подаче СОЖ без наложения и с наложением УЗК группируются около разных прямых, пересекающихся в точке с ординатой Рис. 62. Схема графического определения значеС ′ − D′ 6 –1 = 1,68⋅10 с . ний коэффициентов А′ и В′ Gж Анализ результатов исследований (рис. 63) позволяет сделать важный практический вывод: УЗК давления, накладываемые на СОЖ, приводят к интенсификации фильтрации жидкости (увеличению ее расхода Gж ) при С ′ − D′ С ′ − D′ ≤ 1,68 ⋅ 10 6 . При > 1,68 ⋅ 10 6 наложение УЗК нецелесообразно. Эти Gж Gж

Глава 5

126

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

результаты объясняются следующими причинами. Известно, что фильтрации СОЖ сквозь поровое пространство абразивного круга препятствует образование паровоздушных пузырьков в его порах. Предотвратить этот процесс можно путем увеличения жидкостного давления [106] или возбуждением кавитации при наложении на жидкость УЗК [88]. Однако увеличение жидкостного давления в свою очередь препятствует образованию кавитации. При одновременном увеличении жидкостного давления и возбуждении кавитации в СОЖ, что было осуществлено в наших экспериментах, эффект от наложения УЗК на фильтрующуюся жидкость проявляется лишь в области относительно невысокого давления подаваемой СОЖ (избыточное давление до 0,3 МПа). Использование высоконапорных систем подачи СОЖ на практике (например, на станках для глубинного шлифования) связано с необходимостью резкого увеличения производственных площадей и энергозатрат. Использование УЗ техники и низконапорных систем подачи СОЖ, также обеспечивающее повышение эффективности процессов шлифования и правки [30, 34], свободно от указанных недостатков. 2,5 2,0

С ′ + D ′ −61,5 10 Gж 1,0 0,5 30 40 50

60 Gж

70

80 г/c 100

Рис. 63. Результаты обобщения опытных данных по фильтрации СОЖ в порах абразивных кругов 14А40С26К20; 64С25ПС16К3; 92А25ПС27К5; 14А25ПС18К6 (Па = 0,323 ÷ 0,416): 1, 2 – аппроксимирующие зависимости соответственно без наложения (…) и с наложением (U) УЗК

Обработка результатов исследований, выполненных с использованием кругов средней структуры 5 – 8, зернистостью 16 – 40 и твердостью от М3 до С2, наиболее распространенных в промышленности и имеющих значение пористости от 0,323 до 0,416, позволила получить обобщенные значения коэффициентов αв и βи (табл. 21). 21. Коэффициенты гидравлического сопротивления [34] Условия фильтрации СОЖ Без наложения УЗК С наложением УЗК

αв, м-2

βи, м-1

1,2⋅1012 3,42⋅1011

2,05⋅1010 2,81⋅1011

Для уточнения значений коэффициентов αв и βи в условиях наложения УЗ колебаний с различными параметрами, в том числе амплитудно-модулирован-

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ…

127

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ных, были проведены СОЖ дополнительные исслеУЗК дования на экспериментальной установке, схе1 ма которой показана на избыток рис. 64. СОЖ Численные значе0,1 – 0,2 мм ния коэффициентов αв и βи получали из уравне2 ния движения СОЖ в пористом элементе 2 экспериментальной ус3 тановки, измеряя массовый расход жидкости через этот элемент при различных параметрах УЗ сигнала (варьироваРис. 64. Схема экспериментальной установки для исслели амплитудой механи- дования фильтрации СОЖ в порах абразивного бруска под ческих колебаний торца действием УЗ колебаний: 1 – УЗ насадок для подачи СОЖ; 2 – насадка и глубиной ам- абразивный брусок (пористый элемент); 3 – мерный цилиндр плитудной модуляции). Пренебрегая капиллярным напором и линейным ускорением (замедлением) фильтрующегося потока и считая фильтрацию одномерной [106], уравнение движения СОЖ в пористом элементе 2 экспериментальной установки получим из условия равновесия жидкости внутри выделенного элементарного объема ABCD (рис. 65): F1 − F2 + F3 − F4 = 0 , (135) где F1, F2 – силы давления на ∅D площадки CD и AB соответстР венно, Н; F3 – сила тяжести, dx A B действующая на жидкость в Н D C объеме ABCD, Н; F4 – сила сопротивления движению жидu кости в объеме ABCD, Н. x Величины F1,…, F4 опРис. 65. Схема фильтрации СОЖ в пористом элементе установки ределяются зависимостями: F1 = pdS ; F2 = ( p + dp )dS ; (136)

F3 = Пρ ж gdSdx;

(137)

Глава 5

128

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

(

)

F4 = α в µ жu + β и ρ жu 2 dxdS , (138) где p, u – соответственно давление жидкости (Па) и скорость ее фильтрации (м/с); dS – площадь сечения элементарного объема (площадь поверхности АВ или CD), м2; g – ускорение свободного падения, м/c2. После подстановки выражений (136) – (138) в уравнение (135) и некоторых преобразований получим уравнение движения жидкости в дифференциальной форме dp = − α в µ ж u + β и ρ ж u 2 − Пρ ж g . (139) dx Средняя скорость фильтрации и определяется из уравнения неразрывности 4Gж и= , (140) πρ ж D 2 где D – диаметр пористого элемента, м. Проинтегрировав уравнение (139) с учетом (140) при постоянных значениях величин αв, βи, ρж, µж, получим уравнение движения жидкости в интегральной форме 2   4Gжα в µ ж 16Gж βи  П ρ g (141) − Р =  + − ж Н , 2 2 4 πρ D π ρ D ж ж   где P = ρ ж gh – гидростатическое давление столба жидкости на входе в пористый элемент, Па; h – высота столба жидкости, м; Н – толщина пористого элемента, м. Измеряя массовый расход жидкости G1 и G2 через пористые элементы разной толщины (Н 1 и Н 2) при фиксированных значениях Р и D и подставляя измеренные значения в уравнение (141), получим систему двух уравнений относительно двух неизвестных αв и βи: 2  ρ gh  4G α µ  G βи 16 ж в ж 1 1  П g = + − ρ − ж  2 2 4  Н D D πρ π ρ 1  ж ж   . (142)  2   ρ ж gh  4G2α в µ ж 16G2 β и  П g − = + − ρ ж  Н 2 2 4   π ρж D 2  πρ ж D   Решив систему уравнений (141), получим искомые значения коэффициентов αв и βи. Результаты экспериментального определения массового расхода СОЖ через пористые элементы разной толщины под действием УЗ сигналов различных характеристик приведены на рис. 66 и 67. В качестве пористого элемента использовали бруски, вырезанные из шлифовального круга 25А25НС17К5. Активная пористость этого круга Па = 0,323 и, как следует из результатов работы [34], полученные для этого круга коэффициенты гидравлического сопротивле-

(

)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ…

129

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ния, будут достоверно характеризовать и другие круги средней проницаемости (Па = 0,31 – 0,41). 4,5

29

4,0 мин

г 24 мин

3,5 3,0 τп 2,5 2,0 1,5 1,0

2

1

Gж 19

3

14 5

4

9 0

30

60

%

4

1 2

0

90

5

3

30

60

%

90

а) б) т т Рис. 66. Влияние глубины модуляции УЗ сигнала на величину массового расхода СОЖ Gж (а) и времени пропитки абразивных брусков 24А25НС17К5 (б) различной толщины:: 1, …, 5 – толщина бруска соответственно 10, 15, 20, 25, 30 мм. Амплитуда колебаний волновода-насадка 3 мкм 24 г мин 18

24 г мин 18

4 3

4 3

2 1

G ж 12

2 1

G ж 12

6

6

0

0 0

3

6 А→

18 г мин

9 мкм 12

12 3 1

6

3

6 А→

12 г мин 9

4

Gж

0

а)

Gж

9 мкм 12

б)

4 3 1

6 2 3

2

0

0 0

3

6 А→

9 мкм 12

0

3

6

9 мкм 12

А→ в) г) Рис. 67. Влияние амплитуды механических колебаний насадка А, глубины амплитудной модуляции задающего УЗ сигнала и толщины пористого элемента, вырезанного из круга 25А25НС17К5, на массовый расход СОЖ: а, б, в, г – толщина пористого элемента соответственно 10, 20, 30, 40 мм; 1, 2, 3, 4 – глубина модуляции соответственно 0, 30, 60, 99 %

Глава 5

130

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Как следует из анализа результатов, представленных на рис. 66, амплитудная модуляция УЗ сигнала даже малой основной (максимальной) амплитуды волновода-насадка А = 3 мкм оказывает существенное влияние как на величину массового расхода Gж, так и на время пропитки (скорость фильтрации) пористых элементов. Еще большая эффективность амплитудной модуляции наблюдается с увеличением максимальной амплитуды до 9 – 12 мкм (см. рис. 67). Как видно из рис. 67, наложение на насадок УЗ колебаний до 10 раз увеличивает массовый расход фильтрующейся жидкости. При амплитуде механических колебаний торца насадка менее 2 – 3 мкм, интенсификации фильтрации жидкости не наблюдается. Дальнейшее увеличение амплитуды колебаний торца насадка способствует интенсификации фильтрации жидкости через поры бруска. Амплитудная модуляция УЗ сигнала позволяет дополнительно увеличить массовый расход жидкости до 1,6 раз. Максимальный эффект наблюдается при глубине амплитудной модуляции 99 %. Значения вязкостного αв и инерционного βи коэффициентов гидравлического сопротивления в условиях наложения амплитудно-модулированных УЗ колебаний различной амплитуды, рассчитанные из уравнений (142) с использованием данных для минимальной (10 мм) и максимальной (40 мм) толщин пористого элемента, сведены в табл. 22. 22. Коэффициенты гидравлического сопротивления * Глубина амплитудной модуляции, % 0

Амплитуда механических колебаний торца насадка, мкм 0 (без УЗК) 12 1,69 ⋅ 10 1,96 ⋅ 10

10

3

6

9

12

5,38 ⋅1011 7,14 ⋅1010

3,48 ⋅1011 2,25 ⋅10 9

1,99 ⋅1011 1,78 ⋅10 9

1,51 ⋅1011 1,55 ⋅10 9

3,33 ⋅1011 2,41 ⋅10 9

1,76 ⋅1011 1,66 ⋅10 9

1,48 ⋅1011 1,04 ⋅10 9

2,80 ⋅1011 2,22 ⋅10 9

1,92 ⋅1011 6,52 ⋅108

1,40 ⋅1011 5,56 ⋅10 8

2,85 ⋅1011 1,66 ⋅10 9

1,66 ⋅1011 7,05 ⋅108

1,22 ⋅1011 3,89 ⋅108

30

–

5,05 ⋅ 1011 7,38 ⋅ 1010

60

–

4,99 ⋅1011 7,21 ⋅10 9

5,30 ⋅1011 6,88 ⋅1010 * в числителе αв (м-2), в знаменателе – βи (м-1)

99

–

Полученные значения коэффициентов гидравлического сопротивления удовлетворительно согласуются с результатами (см. табл. 21), полученными для вращающегося шлифовального круга.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ…

131

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Анализ результатов исследования показывает, что применение амплитудно-модулированного сигнала в устройствах подачи СОЖ способствует снижению гидравлического сопротивления фильтрации жидкости в поровом пространстве шлифовального круга и увеличению ее массового расхода через поры, а значит, и через зоны шлифования и непрерывной правки. Это, в свою очередь, способствует наиболее полной реализации СОЖ своих функциональных свойств. Таким образом, применение в УЗ устройствах подачи СОЖ амплитудномодулированного сигнала можно рекомендовать как средство повышения эффективности операций шлифования.

5.4. Исследование влияния модуляции ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования заготовок и правки кругов с транспортированием СОЖ сквозь поры абразивного круга*)

Оценку степени влияния модуляции УЗК на эффективность обработки заготовок абразивным кругом выявим на примере торцекруглого шлифования заготовок типа «ступенчатый вал» с непрерывной правкой круга алмазным правящим роликом. Данный процесс характеризуется весьма высокой теплосиловой напряженностью из-за участия в шлифовании а.з., осуществляющих контакт с заготовкой и алмазным роликом как по линии, так и по плоскости. При этом УЗ модуляции подвергается СОЖ, подаваемая с торца круга через клиновой полуоткрытый насадок (рис. 68). Рис. 68. Схеrр ма торцекруглого 5 шлифования заготовки типа «ступенωк чатый вал» с непрехк rк рывной правкой круга: 1 – заготовка; 2 – шлифовальный круг; 3 – алмазный правящий ролик; 4 – ωз хз сопло для подачи rз СОЖ поливом; 5 – А насадок для подачи СОЖ к торцу шлифовального круга; 6 – УЗ волновод 0,2 – 0,3 *)

ωр

А

А–А

rр

хр

3

ϕр

ωк

4

СОЖ

В ωр

СОЖ

ωз

В

rк

2

1

ϕк

rз

В–В увеличено

1

2 6 5

2

В написании данного параграфа принимали участие канд. техн. наук, доцент А. Н. Унянин и канд. техн. наук В. Н. Ковальногов

132

Глава 5

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

При проведении исследований источником амплитудно-модулированных ультразвуковых колебаний служил генератор ТЕХМА-03. Волноводы для подачи СОЖ были укомплектованы пьезоэлектрическими преобразователями ЦТС19. Рабочая частота генерируемого сигнала – 18,6 кГц, модулирующая частота – 1 кГц (рис. 53). Мощность УЗК, излучаемых преобразователем, – 100 Вт. Амплитуду колебаний торца насадка регулировали, изменяя напряжение на выходном каскаде усилителя устройства. В процессе исследований СОЖ (3 %-ю водомасляную эмульсию из эмульсола Укринол-1) подавали к зоне шлифования поливом (способ 1), поливом и к торцу круга через клиновой полуоткрытый насадок с наложением на него УЗ синусоидальных колебаний частотой 18,6 кГц (способ 2), а также поливом и к торцу круга с наложением на насадок модулированных по амплитуде УЗК с несущей частотой 18,6 кГц, модулирующей частотой 1 кГц и глубиной модуляции 99 % (способ 3). Во всех случаях общий расход СОЖ составлял 20 дм3/мин. Экспериментальные исследования проводили на установке, созданной на базе круглошлифовального станка и оснащенной устройством для непрерывной правки круга алмазным роликом и тензометрической аппаратурой. Шлифовали заготовки деталей типа ступенчатый вал из стали 40Х (HRC 32 … 38). Рабочую скорость Vк шлифовального круга 25А25ПСМ17К20М поддерживали равной 50 м/с, окружную скорость заготовки Vз – 50 м/мин, скорость врезной подачи Vs шлифовальной бабки – варьировали в диапазоне 1,25 – 1,60 мм/мин. Рабочая скорость Vр алмазного ролика АРСЧ 1000/800 составляла 5 м/c, скоростью его врезной подачи Vsр варьировали в пределах от 2 до 10 мкм/мин. Малые значения Vsр обеспечивало устройство для непрерывной правки шлифовального круга алмазным роликом оригинальной конструкции [3]. Для сопоставления результатов исследований была выполнена серия экспериментов с периодической правкой абразивного круга алмазным карандашом С3 после потери кругом режущей способности. Периодическую правку круга осуществляли за три прохода со скоростью продольной подачи 0,25 мм/мин и поперечной подачей 0,03 мм/ход. Критериями оценки технологической эффективности процесса шлифования служили период стойкости τс шлифовального круга, радиальная Ру и касательная Рz составляющие силы шлифования, контактная температура в зоне шлифования торцовой Тт и цилиндрической Тц поверхностей заготовки и среднее арифметическое отклонение профиля Ra шлифованных поверхностей. Контактную температуру измеряли в шести точках зоны контакта абразивного круга с заготовкой методом полуискусственной термопары. При шлифовании с непрерывной правкой изменяли скорость врезной подачи алмазного ролика с целью определения ее минимального значения, обеспечивающего стабильные значения силы шлифования и контактной температуры.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ…

133

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

При периодической правке абразивного круга составляющие силы шлифования и контактная температура с увеличением наработки шлифовального круга увеличиваются, причем наиболее интенсивно при подаче смазочноохлаждающей жидкости поливом (способ 1). При шлифовании со скоростью врезной подачи 1,6 мм/мин составляющие силы шлифования Рz и Ру выросли за 10 минут соответственно с 237 и 300 Н до 263 и 342 Н, т. е. на 11 и 14 % (рис. 69, а), а контактная температура в зоне шлифования торцовой Тт и цилиндрической Тц поверхностей заготовки с 1020 до 1090 и 1130 К соответственно, т. е. на 7 и 11 % (рис. 70, а). 1 2

295

4

5

240 4 6 8 мин Time of grinding τ , min τ

10

3

4 210

5 6

180 4

6 τ , τmin

a)

8 мин

10

2

280

Рz

4

Ру

1

Н

1 PZ , N

Py , N

2

240

Н 300

260

5

3

205

4

5

6 6

170

240 2

4

6 τ , min τ

8 мин

2

10

4

220

270

1

210 Н

2

200

PZ , N

280 Н

3

260 4

250

6 τ, min

τ

б)

290

Py , N

240

2

320

Ру

1

Н

Рz

6 2

270

force PZ , N

Ру

Н

Tangent omponent of grnding

grinding force Py , N

Radial component of

350

Рz

5

8 мин

1 2 3

190 4

180

240

5

170 2

4

6 τ , min τ

8 мин

10

10

2

4

6 τ , τmin

мин 8

10

в) Рис. 69. Влияние времени шлифования τ и скорости врезной подачи алмазного ролика на радиальную Py и касательную Pz составляющие силы шлифования: а, б, в – подача СОЖ способами 1, 2 и 3 соответственно; 1 – шлифование с периодической правкой круга; 2, 3, 4, 5, 6 – шлифование с непрерывной правкой круга со скоростью врезной подачи ролика соответственно 2, 4, 6, 8 и 10 мкм/мин

Глава 5

134

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

1100 K

1

1050

2 4

950

5 6

900 2

4

6 8 мин τ , min τ

4

950

5 6

850 4

а)

Тт

4

950

6 τ , min τ

5

3

1000

4

950

5

900

6

6 8 мин τ, τmin

10

6 2

б)

1100

4

1100

1

1050 К

Tfl , K

3

950

Тт

4

4

8 мин

10

1

6 τ, τmin

8 мин

2

1000

3

950

4

900

5

900 2

6 τ, min τ

1050 К

2

1000

10

1

850

4

8 мин

1050 K

2

1000

3

900 2

1

2

Tc , K

2

1000

10

900

Тц

1

K 1050

1100

1100 K 1050 Tc , K

Тт

3

Тц 1000

Тц

Contact temperature Tfl , K

1100

Tfl , K

Contact temperatureTc , K

1150

5

850

10

2

в)

4

6 τ, min τ

мин 8

10

Рис. 70. Влияние времени шлифования τ и скорости врезной подачи алмазного ролика на контактную температуру в зоне шлифования торцовой Тт и цилиндрической Тц поверхностей заготовки: а, б, в – подача смазочно-охлаждающей жидкости способами 1, 2 и 3 соответственно; 1 – шлифование с периодической правкой круга; 2, 3, 4, 5, 6 – шлифование с непрерывной правкой круга со скоростью врезной подачи ролика соответственно 2, 4, 6, 8 и 10 мкм/мин

При шлифовании с подачей СОЖ одновременно поливом и к торцу шлифовального круга с наложением на насадок УЗК абсолютные значения составляющих силы шлифования и контактной температуры заметно ниже, чем при подаче СОЖ поливом. При наложении на насадок синусоидальных УЗК (спо-

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ…

135

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

соб 2) составляющие силы шлифования Рz и Ру выросли за 10 минут соответственно до 233 и 312 Н, т. е. на 11 и 9 % (рис. 69, б). При наложении на насадок амплитудно-модулированных УЗК (способ 3) значения Рz и Ру еще ниже и составляют после 10 минут шлифования соответственно 218 и 282 Н, что меньше, чем при подаче жидкости способом 1 на 17 и 18 % (рис. 69, в). Контактные температуры Тт и Тц при подаче жидкости способом 3 после 10 минут шлифования увеличились до 1070 и 1100 К соответственно (рис. 70, а), что ниже, чем при подаче поливом. Снижение теплосиловой напряженности шлифования благоприятно отразилось на режущей способности шлифовального круга вследствие снижения интенсивности изнашивания и засаливания его рабочей поверхности, что привело к увеличению периода стойкости шлифовального круга. Если при подаче смазочно-охлаждающей жидкости способом 1 τс равен 10 мин, то при подаче способами 2 и 3 – 18 и 22 мин, т. е. увеличился на 80 и 120 %. Повышение эффективности шлифования при использовании УЗ техники подачи СОЖ к торцу шлифовального круга достигается за счет увеличения расхода СОЖ непосредственно через зону шлифования, причем наиболее интенсивная пропитка круга и максимальный расход жидкости через зону шлифования обеспечивает использование амплитудно-модулированного сигнала. Однако даже при использовании высокоэффективной техники подачи СОЖ теплосиловая напряженность шлифования с периодической правкой круга велика, а период стойкости круга достаточно мал. При шлифовании с непрерывной правкой круга алмазным роликом составляющие силы шлифования и контактные температуры ниже, чем при шлифовании с периодической правкой во всем исследованном диапазоне скоростей подачи ролика, причем с увеличением скорости подачи ролика уменьшаются как абсолютные значения этих параметров, так и интенсивность их роста с увеличением времени шлифования. Для каждого способа подачи СОЖ выявлена минимальная скорость врезной подачи ролика, при которой процесс шлифования стабилизируется во времени и характеризуется постоянными значениями составляющих силы шлифования и контактных температур. При подаче жидкости способом 1 эта скорость составила 10 мкм/мин, а при подаче способами 2 и 3 – соответственно 8 и 6 мкм/мин, т. е. уменьшилась на 20 и 40 % соответственно. Применение высокоэффективной техники подачи СОЖ обеспечивает снижение теплосиловой напряженности шлифования с непрерывной правкой круга. Так, при скорости врезной подачи ролика, равной 6 мкм/мин, и подаче жидкости способом 1 составляющие силы Рz и Ру выросли через 10 минут шлифования до 213 и 290 Н, при подаче способом 2 – до 200 и 268 Н, а при подаче способом 3 эти составляющие стабильны во времени (Ру = 250 Н; Рz = 186 Н) и ниже по сравнению со способом 1 на 13 – 14 %.

136

Глава 5

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

При этой же скорости врезной подачи ролика контактные температуры Тт и Тц выросли через 10 минут шлифования соответственно до 950 и 970 К при подаче СОЖ способом 1, а при подаче способом 3 эти температуры стабильны во времени и равны соответственно 900 и 930 К. Общие закономерности влияния способов правки круга и подачи СОЖ на показатели процесса шлифования со скоростью врезной подачи 1,25 мм/мин практически не отличаются от соответствующих закономерностей, отмеченных при шлифовании со скоростью 1,6 мм/мин. Однако стабилизация процесса шлифования со скоростью 1,25 мм/мин возможна при меньших значениях скорости врезной подачи правящего ролика.

5.5. Выводы

1. Аналитически и экспериментально показана возможность повышения эффективности гидроочистки рабочей поверхности кругов из сверхтвердых материалов использованием энергии УЗ модулированного поля. 2. В результате аналитических исследований разработана математическая модель гидродинамики фильтрующейся сквозь поровое пространство абразивного круга жидкости. 3. Получено уравнение движения жидкости во вращающемся пористом абразивном круге с учетом вязкостного и инерционного коэффициентов гидравлического сопротивления. Определены характеристики проницаемости кругов на керамической связке зернистостью 16 – 40 открытой структуры (6 – 8) твердостью М3 – С2 при наличии и отсутствии УЗК давления фильтрующейся среды. Выявлены условия, при которых наложение УЗК интенсифицирует фильтрацию жидкости сквозь поровое пространство круга. 4. Уточнены значения вязкостного и инерционного коэффициентов гидравлического сопротивления фильтрации СОЖ в поровом пространстве вращающегося абразивного круга для условий наложения амплитудно-модулированных УЗК с различными параметрами. Установлено, что использование в ультразвуковых устройствах подачи СОЖ амплитудно-модулированного сигнала обеспечивает снижение сопротивления фильтрации жидкости и увеличение ее массового расхода через поры шлифовального круга и зону шлифования до 1,6 раза. 5. Показано, что по сравнению с подачей СОЖ поливом применение УЗ техники подачи СОЖ с амплитудно-модулированным сигналом позволяет сократить машинное время при одновременном увеличении периода стойкости круга на (64 – 69) % и обеспечении требуемого качества шлифованной поверхности. Использование УЗ техники подачи СОЖ с амплитудно-модулированным

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ…

137

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

сигналом позволяет до 2 раз увеличить скорость врезной подачи абразивного круга при отсутствии прижогов на шлифованной поверхности. 6. Транспортирование СОЖ сквозь поровое пространство с использованием энергии УЗ поля обеспечивает термосиловую стабилизацию процесса шлифования с непрерывной правкой при существенно меньших скоростях врезной подачи алмазного ролика. Установлено, что расход круга при шлифовании с непрерывной правкой заготовок даже из легкошлифуемых сталей меньше, чем при шлифовании с периодической правкой алмазным карандашом (в расчете на одну заготовку).

138 –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Глава 6. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК НАЛОЖЕНИЕМ МОДУЛИРОВАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ФОРМООБРАЗУЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ 6.1. Исследование эффективности новых методов применения ультразвуковых колебаний на операциях глубокого сверления маломерных отверстий 6.1.1. Исследование теплосиловой напряженности глубокого сверления маломерных отверстий*) Глубокое сверление маломерных отверстий спиральными сверлами остается одним из «узких мест» в технологических процессах изготовления ответственных деталей машин (коленчатых валов, крепежных деталей летательных аппаратов деталей аппаратуры впрыска топлива и др.), вследствие интенсивного затупления и малого периода стойкости инструмента, а также большой вероятности его поломок, часто приводящих к необходимости электроэрозионного извлечения отломившейся части сверла из заготовки, либо к браку почти готового изделия. Известно (см., например, [81]), что наиболее теплонапряженным участкам зоны механической обработки, как правило, соответствуют участки режущего инструмента с наиболее интенсивными износом, затуплением и потерей работоспособности. Поэтому перспективными путями совершенствования технологии глубокого сверления маломерных отверстий являются рациональное применение СОЖ, включающее подачу ее непосредственно в контактную зону обработки и, прежде всего, к наиболее теплонагруженным ее участкам, а также использование энергии УЗ поля для реализации эффекта снижения трения и увеличения пластичности обрабатываемого материала, кавитационного и звукокапиллярного эффектов, обеспечивающих аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры, трещины и стесненные контактные зоны под действием УЗК. Для наиболее полной реализации перечисленных эффектов, оптимизации и совершенствования способов и техники подачи СОЖ, выбора оптимальных режимов и разработки ресурсосберегающих технологий глубокого сверления маломерных отверстий, необходимо достоверно оценивать тепловое состояние сверла и заготовки при контактных взаимодействиях в процессе механической обработки. *)

В написании данного параграфа принимали участие канд. техн. наук Ковальногов В. Н. и аспирант Табеев М. В.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ…

139

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Анализ существующих методик оценки теплового баланса при резании металлов показал, что наибольшую точность решения обеспечивают те из них, которые основаны на совместном решении дифференциальных уравнений теплопроводности каждого из контактирующих объектов с общим граничным условием в зоне резания. Это позволяет автоматически определять тепловые потоки, отводимые из зоны резания в контактирующие объекты, и отказаться от использования в расчетах соответствующих экспериментальных данных, снижающих точность результатов расчета и ограничивающих их практическую применимость. Для учета реальной формы инструмента и зоны контакта приняли трехмерную постановку задачи теплового взаимодействия контактирующих объектов. Применительно к нестационарному трехмерному температурному полю дифференциальное уравнение теплопроводности сверла в цилиндрической системе координат {rc, φc, xс}, вращающейся вместе со сверлом с угловой скоростью ωc (рис. 71), имеет вид: ∂T  ∂  ∂T  ∂  ∂T  λc ∂T 1 ∂  ∂T  , (143) +  λс  + ⋅  λс  λс ρ с сс + 2⋅ = ∂τ ∂rc  ∂rc  rc ∂rc rc ∂ϕ c  ∂ϕ c  ∂xc  ∂xc 

>10 D

где ρс, сс, λс – соответстrс венно, плотность (кг/м3), xс удельная теплоемкость 1 (Дж/(кг·К)) и теплопроводность (Вт/(м·К)) сверла; Т – температура, К; τ – время, с. ДифференциальРис. 71. Схема к расчету теплового состояния системы ное уравнение теплопро«инструмент – заготовка» при водности заготовки в глубоком сверлении маломерных xз неподвижной цилиндриотверстий: 1 – сверло; 2 – заго- D rз 2 ческой системе коордитовка нат {rз, φз, xз} имеет вид: ∂T  ∂  ∂T  ∂T ∂  ∂T  λ з ∂T 1 ∂   , (144)  λз +  λ з  +  λ з ρ зсз ⋅ + 2⋅ = ∂τ ∂rз  ∂rз  rз ∂rз rз ∂ϕ з  ∂ϕ з  ∂x з  ∂x з  где ρз, сз, λз – соответственно, плотность (кг/м3), удельная теплоемкость (Дж/(кг·К)) и теплопроводность (Вт/(м·К)) материала заготовки. В начальный момент времени (τ = 0) температуру заготовки и сверла приняли равной температуре Tf окружающей среды. Поверхность хвостовика сверла, зажатую в патроне, приняли теплоизолированной. На свободных поверхностях сверла (не соприкасающихся с поверхностями патрона, заготовкой или стружкой) и заготовки задали граничное

Глава 6

140

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

условие 3-го рода теплообмена с окружающей средой (воздухом или СОЖ). При этом для расчета местных коэффициентов теплоотдачи воспользовались эмпирическими уравнениями подобия [83]. Граничное условие в зоне контакта «инструмент – заготовка» задали в виде  ∂T   ∂T    (145) + λ з  λс  = qвыд − qст − q ж ; Т с = Т з ,  ∂nc  n =0  ∂n з  n =0 c

з

где nc, nз – нормаль к поверхности, соответственно, сверла и заготовки на анализируемом участке, м; qвыд – поверхностная плотность теплового потока, выделившегося в зоне контакта, Вт/м2; qст , qж – поверхностная плотность теплового потока, отводимого из зоны контакта соответственно вместе со стружкой и смазочно-охлаждающей жидкостью, Вт/м2; Тс, Тз – местная контактная температура сверла и заготовки соответственно, К. Для расчета величин qст и qж можно воспользоваться известными зависимостями [30]: c з mстT qcт = ; (146) S  c ж Gж⋅ (T − T f ) , при T ≤ Ts ;  S qж =  (147)  cпж Gпж⋅ (T − Ts ) + cж Gж (Ts − T f ) , при T > T ; s  S где тст – масса материала, удаляемого с заготовки за единицу времени, кг/с; S – c ж Gж (T − T f ) – массовый расфактическая площадь контакта, м2; Gж , Gпж = r ход соответственно СОЖ и ее пара через зону резания, кг/с; r – удельная теплота парообразования СОЖ, Дж/кг; Тs – температура насыщения СОЖ, К. Для расчета поверхностной плотности теплового потока qвыд был предпринят специальный анализ зоны контактного взаимодействия инструмента и заготовки при глубоком сверлении и выявление характерных ее участков, различающихся мощностью тепловыделения. Выполненный анализ литературных данных позволяет рекомендовать для расчета qвыд следующие зависимости: – для участков контакта режущих поверхностей сверла с поверхностями заготовки и стружки PV (148) qвыд = z ; S – для участка (зоны) стружкообразования

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ…

141

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

qвыд = τ y ε иV ,

(149) 0,6σ в – 1 − 1,7ψ в [11], МПа;

где Рz – касательная сила резания, Н; V – скорость резания м/с; τ у =

средние касательные напряжения в плоскости сдвига ζ + 1 / ζ − 2 sin γ εи = – относительный сдвиг [11]; σв – предел прочности матеcos γ риала заготовки при растяжении, МПа; ψв – относительное сужение образца в момент образования шейки; ζ – коэффициент усадки стружки; γ – передний угол, рад. Уравнения (143), (144) с учетом зависимостей (145) – (148) в обобщенном виде описывают тепловое взаимодействие контактирующих объектов при сверлении. Из анализа этих зависимостей следует, что для расчета поверхностной плотности теплового потока на различных участках зоны резания необходимо иметь информацию о значениях касательной составляющей силы резания Pz на различных участках контакта инструмента с заготовкой в процессе всей обработки глубоким сверлением. Эту информацию получали в ходе специального экспериментального исследования процесса глубокого сверления на установке, созданной на базе настольно-сверлильного станка мод. НС-12 и оснащенной аппаратурой для измерения сил резания и крутящего момента на основе динамометра УДМ-100, контактной температуры в различных точках зоны резания. Как упоминалось выше, одним из эффективных средств совершенствования технологии глубокого сверления маломерных отверстий является рациональное применение СОЖ, а также рациональное использование энергии УЗ поля. Известным и достаточно исследованным методом использования УЗК является возбуждение колебаний в СОЖ. Под действием УЗК в подаваемой к зоне резания СОЖ могут возникать большие мгновенные давления (~ 100 МПа), происходит образование и колебание газовых пузырьков, увеличивается число микроканалов (капилляров) в зоне контакта заготовки и инструмента [87]. В результате СОЖ приобретают повышенные охлаждающие и проникающие свойства [73]. В новых конструкциях УЗ техники подачи СОЖ к зоне резания [70] предложено возбуждать УЗК (в том числе модулированные по амплитуде и частоте) непосредственно в насадке для направления жидкостного потока. При этом для того, чтобы УЗК, возбуждаемые в насадке наиболее полно передавались СОЖ, конструкция устройств обеспечивает максимум амплитуды колебаний на выходе жидкости из торца насадка (рис. 72).

Глава 6

142

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Этот новый способ подачи СОЖ универсален и не требует каких-либо существенных изменений в технологической оснастке. Однако λу/4 при такой технике подачи СОЖ энергия акустического поля порождает ωс непосредственно в зоне контакта инК УЗ геструмента с заготовкой УЗК небольнератору шой мощности и амплитуды, что λу/4 уменьшает полезный кавитационный эффект. Поэтому были предприняты попытки передачи УЗК непосредственно на режущий инструмент. ОднаРис. 72. Устройство для наложения ко в отличие от ранее известных меУЗК на струю СОЖ перед зоной резания: тодов наложение УЗК вдоль оси ин1 – волновод; 2 – пьезопреобразователи; 3 – штуцер; 4 – прокладка; 5 – отражаюструмента [49, 55, 72], связанных с щая прокладка существенной модернизацией технологического оборудования и необходимостью использования УЗ генераторов достаточно большой мощности, предложено налагать УЗК на сверло в радиальном направлении через направляющую кондукторную втулку-волновод [71] (рис. 73, а). При этом УЗК возбуждаются непосредственно в зазоре между сверлом и заготовкой, а активация СОЖ, подаваемой поливом, происходит в зоне резания, что обеспечивает большую интенсивность процесса кавитации (образуется большее число кавитационных пузырьков). 3 СОЖ S

ωс

1

2

1

3 УЗК

S Генератор УЗК 4

ωс

СОЖ

2 УЗК

Генератор УЗК

а)

б) 4 Рис. 73. Новые способы использования УЗК при глубоком сверлении: а) наложение УЗК на сверло в радиальном направлении; б) одновременное наложение УЗК на сверло в радиально-осевом направлении и на СОЖ перед зоной резания; 1 – сверло, 2 – насадок, 3 – преобразователь УЗК, 4 – заготовка.

Другим вариантом использования энергии акустического поля является одновременное наложение УЗК в радиально-осевом направлении и на СОЖ перед зоной обработки [70] (рис. 73, б). Для этого «волновод–кондукторная втул-

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ…

143

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ка», расположенный под острым углом к инструменту, имеет центральное отверстие для подвода СОЖ, сообщающееся с отверстием для направления сверла. В результате УЗК возбуждаются в СОЖ перед зоной резания при прохождении ее по каналу в волноводе и непосредственно в зоне резания от колеблющегося сверла. Это еще более увеличивает интенсивность кавитации в СОЖ. Как упоминалось ранее (см. гл. 5), для каждой частоты УЗК существует верхний предел размеров газовых пузырьков, являющихся зародышами кавитации: в процессе кавитации участвуют лишь те пузырьки, размер которых меньше резонансных [19]. Чтобы обеспечить кавитацию пузырьков, имеющих различные начальные размеры, путем расширения как спектра частот колебаний насадка, так и диапазона амплитуд звукового давления, применяли амплитудно- или частотномодулированные УЗК. Кроме того, использование частотно-модулированных УЗК позволяет уменьшить коэффициент трения режущих кромок сверла о заготовку [88]. Оценку технологической эффективности новой УЗ техники применения энергии УЗ поля для интенсификации процесса глубокого сверления маломерных отверстий выявляли в ходе лабораторных испытаний. Обрабатывали заготовки из широко распространенных в промышленности материалов: коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т (НВ 180…220) и низколегированной стали 40Х (НВ 180…220). Режимы обработки: скорость резания – 17,5 м/мин (сталь 40Х) и 6,5 м/мин (сталь 12Х18Н10Т); скорость подачи сверла – 0,05 мм/об (сталь 40Х) и 0,03 мм/об (сталь 12Х18Н10Т). Расход СОЖ (3 %-й раствор Синхо-2М) – 4 дм3/мин. Сверлили отверстия глубиной L = 50 мм. В качестве инструмента использовали спиральные сверла диаметром 4 мм из быстрорежущей стали Р18 с углом в плане 118° и передним углом 11°. Критериями оценки эффективности глубокого сверления являлись период стойкости сверла, оцениваемый по допустимой величине износа его задней поверхности, составляющие силы резания (осевая Рх и касательная Рz) и крутящий момент (Мкр = РzDc/2). Некоторые результаты этих испытаний, иллюстрирующие изменение крутящего момента в зависимости от способа наложения УЗК (на СОЖ, на сверло и одновременно на сверло и СОЖ, см. рис. 71, 72) и от параметров УЗ сигнала (немодулированный, амплитудно-модулированный и частотно-модулированный), приведены на рис. 74. Как следует из анализа результатов выполненных исследований, до соотношения L/D = 6 крутящий момент при сверлении мало зависит от техники подачи СОЖ и условий наложения УЗК. При L/D > 6 крутящий момент резко увеличивается (в 4 раза при подаче СОЖ поливом без УЗК, см. рис. 74, а), однако, его зависимость от формы и условий наложения колебаний становится все бо-

Глава 6

144

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

лее очевидной. Так, при достижении L/D = 12 при подаче СОЖ поливом через сопло по рис. 72 без УЗК крутящий момент увеличился в 5,1 раза, в то время как при наложении УЗК на СОЖ – в 4,5 раза, на сверло (рис. 73, а) – в 3,8 раза, одновременно на сверло и СОЖ (рис. 73, б) – в 3,2 раза. 2,45 2,25 Н⋅м

1

2,4 Н⋅м 2,0

2 3, 4

1,85 1,45 Мкр 1,05

Мкр

0,65 0,25

2,1 Н⋅м 1,7 1,5 1,3 1,1 Мкр 0,9 0,7 0,5 0,3

0

2

4 6 L/D

8

10

12 а)

3 4

0

2

4 L/D

6

8

10

2

3 4

0

2

4 L/D

6

8

10

12 б)

Рис. 74. Зависимость крутящего момента Мкр от глубины отверстия L и диаметра сверла D параметров и способа наложения ультразвука: а, б, в – наложение, соответственно, на СОЖ, сверло и одновременно на СОЖ и сверло; 1, 2, 3, 4 – соответственно, без ультразвука, немодулированные, амплитудно-модулированные и частотно-модулированные колебания. Режим обработки V = 17,5 м/мин, VS = 0,03 мм/об; расход СОЖ – 4 дм3/мин

1 2

1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4

1

12 в)

Использование наложения амплитудно-модулированных и, особенно, частотно-модулированных УЗК на СОЖ, сверло и одновременно на сверло и СОЖ уменьшают прирост крутящего момента соответственно до 4,3; 3,0 и 2,6 раз. При обработке заготовок из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т в сравнении с обработкой заготовок из стали 40Х достигается хотя и несколько меньший, но весьма существенный технологический эффект (табл. 23). Методом полуискусственной термопары замеряли контактные температуры в различных 10 точках зоны резания по достижении L/D = 12. Экспери-

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ…

145

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ментальные значения контактных температур практически совпали с расчетными по зависимостям (142) – (148) (величина расхождения ± 8 %). 23. Эффективность различных способов подачи СОЖ с применением УЗК на операциях глубокого сверления маломерных отверстий спиральными сверлами Снижение силы резания и крутящего момента по Вид сравнению с подачей СОЖ модуМатериал Способ подачи СОЖ поливом на глубине 10Dс, лязаготовки % ции* Рх , Н Мкр, Н⋅м 40Х 28 19 – 12Х18Н10Т 14 5 Наложение УЗК на сверло в радиальном 40Х 37 20 АМ направлении (по рис. 12Х18Н10Т 18 6 72, а) 40Х 42 20 ЧМ 12Х18Н10Т 21 6,3 40Х 25 18 Одновременное нало– 12Х18Н10Т 15 5 жение УЗК на сверло в радиально-осевом 40Х 38 19 АМ направлении и СОЖ 12Х18Н10Т 19 6,1 перед зоной резания 40Х 45 20 ЧМ (по рис. 72, б) 12Х18Н10Т 21 6,5 * АМ – амплитудная модуляция; ЧМ – частотная модуляция

Относительный (по сравнению с подачей СОЖ поливом) период стойкости сверла 1,33 1,25 1,78 1,50 1,89 1,50 1,25 1,30 1,75 1,60 1,83 1,60

Таким образом, разработана математическая модель теплосилового взаимодействия заготовки и инструмента при глубоком сверлении, адекватно учитывающая особенности выполнения операции, применение СОЖ и наложение ультразвука на сверло и СОЖ.

6.1.2. Исследование причин увода сверла и разбивки маломерных отверстий при глубоком сверлении спиральными сверлами

Одними из важнейших параметров, определяющих точность формы и расположения отверстия, являются его разбивка R и увод оси S. Потому при сверлении отверстий (особенно малого диаметра и большой глубины) для повышения точности необходим точный учет и контроль данных параметров. Возникновение разбивки отверстий обусловлено несколькими факторам: нестабильностью процесса снятия стружки, колебаниями сверла при резании, несимметричностью и биением режущих кромок сверла и др. Увод оси сверла относительно оси шпинделя также неблагоприятно и существенно увеличивает разбивку отверстия. В результате обработанное отверстие имеет изменяющийся по глубине диаметр, что усложняет дальнейшую обработку точных отверстий.

146

Глава 6

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

L

Увод сверла при сверлении маломерных отверстий спиральными сверлами объясняется малой жесткостью инструмента, так как длина его гораздо меньше диаметра, из-за чего под действием сил сопротивления резанию сверло легко изгибается как при продольном изгибе. Чтобы таким инструментом получить минимальное отклонение оси обрабатываемого отверстия относительно оси шпинделя и уменьшить разбивку отверстий, необходимо уменьшать изменения положения его центра вращения (вершины) и его геометрии, а также статические и динамические перемещения режущих кромок в радиальном направлении. При этом в процессе сверления желательно обеспечить изменение силы резания по закону P + p sin ωt [53 – 55]. Для этого сверло должно вращаться с большой частотой. Однако в этом случае в результате трения режущих кромок и ленточки сверла о поверхность обрабатываемого отверстия заготовки и стружку выделяется значительное количество тепла. Вследствие этого сверло быстро затупляется, его канавки забиваются стружкой, теряет режущие свойства и инструмент разрушается. Поэтому повышать частоту вращения сверла можно лишь до определенного предела. Особенно остро все эти проблемы проявляются при глубоком сверлении отверстий в сплошном материале заготовок из коррозионностойких сталей и титановых сплавов, отличающихся низкой теплопроводностью, у перемычки, соединяющей режущие кромки сверла в центральной части, где скорость резания близка к нулю, а передний угол является отрицательным. Все это неизбежно приводит к уводу оси сверла и увеличению разбивки отверстий, вследствие чего обработка отверстий становится невозможной. На рис. 75 показаны составляющие силы резания: Px, действующая на сверло в осевом направлении, и Рy, действующая в Y радиальном направлении. Сила Рy, как правило, обусловлена несимметричностью режущих кромок сверла, биением оси вращеZ ния шпинделя и другими причинами. Под φ действием этих сил конец сверла отклоняется от оси шпинделя на расстояние S. Для Py схемы по рис. 75 справедливо уравнение S сил [49]: Px 2 d y X EJ 2 = − Px ( y + S ) + Py ( L − x ) , (150) dx где Е – модуль упругости материала сверPис. 75. Схема прогиба инструмента при сверлении под дейла; J – момент инерции эквивалентного сествием составляющих сил резания чения. Если обозначить Px/EJ = k2, то после

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ…

147

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

соответствующих преобразований можно вывести зависимость для определения угла φ, а следовательно, и величины S: Py у = А cos kx + B sin kx − S + ( L − x) , (151) Px Постоянные А и В могут быть определены по начальным условиям. После дальнейших преобразований получим: Py  Py  у =  S − L (cos kS − ctgkL sin kx ) − S ( L − x) , (152) P P x  x  В свою очередь, угол наклона ϕ может быть рассчитан по формуле [49] Py  Py  Py   dy ϕ= = −k  S − , (153) L  sin k  S − L ctgkL cos kx − dx P P P x  x  x   При х = 0 dy/dx = 0, тогда Р SkctgkL ; (154) Ру = х kLctgkL − 1 Py  1  S= (155)  L − tgkL  . Px  k  После подстановки (154) в (153) dy cos kL   ϕ= (156) = kS 1 − , dx  kL cos kL − sin kL  С учетом решения Галловея [110] выражение (156) примет вид 3Py  tgkL  ϕ= (157) L − . k  2 LPx  Однако в зависимостях (150) – (157), полученных с использованием работ [49, 110], фактически не учитывается влияние реальных отклонений режущих кромок сверла от правильной геометрической формы (прежде всего, несимметричность и биение режущих кромок), что может привести к существенным ошибкам при расчетах угла ϕ и отклонения S. Как уже упоминалось ранее, вследствие того, что при глубоком сверлении L >> D, то, как правило, и сам инструмент при его полном вылете из патрона имеет малую жесткость. Это может привести к потере его устойчивости уже в самом начале сверления, когда составляющая силы резания Рх еще мала, что вызывает смещение вершины сверла относительно координатных осей (см. рис. 75). Таким образом, на этапе врезания инструмента в заготовку из-за увода вершины сверла возникает постоянная составляющая силы резания Ру, которая, несмотря на сопротивление сверла прогибу, растет с увеличением глубины отверстия. Переменная составляющая силы резания Ру, вызванная несимметрич-

Глава 6

148

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ностью и биением режущих кромок из-за вращения инструмента, изменяется по синусоидальному закону. Таким образом, справедливо выражение Р у = Р уп + Р у 0 cos ωτ , (158) где Руп – постоянная составляющая Ру, Н; Ру0 – максимальное значение переменной составляющей Ру, Н. Составляющая силы резания Рх, в свою очередь, также из-за несимметричности и биения режущих кромок сверла приложена к инструменту с некоторым дополнительным эксцентриситетом l (рис. 76, а). В связи с этим возникает дополнительный изгибающий момент от силы Рх (рис. 76, б) Мх = Рхl. С учетом вращения инструмента зависимость (158) примет вид Px Px М х = Рх l cos ωτ . (159) Кроме того, под действием l l M силы Рх на сверло действует и крутящий момент Мz a) б) М z = Рх S cos ωτ . (160) Рис. 76. Схема приложения к сверлу силы Рх Под действием силы Ру инструмент подвергается действию изгибающего момента Му М у = Р у l = Р уп + Р у 0 cos ωτ l . (161)

(

)

Таким образом, в процессе сверления инструмент подвергается сложным изгибающим нагрузкам вокруг оси х (крутящий момент М кр = Р z S , изгибающий момент М у = Р у l ), оси z (изгибающий

Z

L

Y

φ Py′ Py

l

S

Px′

Мx

X

Px

Pис. 77. Схема прогиба инструмента при сверлении под действием составляющих сил резания: Ру′ и Рх′ – проекции составляющих силы резания на плоскость ХОY

момент М z = Рх S cos ωτ ) и оси у (изгибающий момент М х = Рх l cos ωτ ). Исходя из вышеизложенного, уточненная схема прогиба инструмента при сверлении представлена на рис. 77. Наложение УЗК, как упоминалось выше, оказывает существенное влияние на силу трения и на процесс пластического деформирования при резании как при нормальной, так и параллельной ориентации колебательных смещений относительно граничной поверхности. Как показывают результаты исследований (см. параграф 6.1.1) особенно большое снижение наблюдается для составляющей силы Рх и крутящего момента М кр на глубине свыше 5D при

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ…

149

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

наложении частотно- и амплитудно-модулированных УЗК в радиально-осевом направлении на сверло с одновременной подачей через волновод и кондукторную втулку СОЖ к зоне резания (см. табл. 23). Это не может не оказать влияния на увод сверла и разбивку отверстий (оценивали на часовом проекторе типа ЧП при сверлении отверстий диаметром 4,5 мм в пакетах заготовок из сталей 40Х и 12Х18Н10Т). Некоторые результаты выполненных экспериментальных исследований*) представлены в табл. 24 и на рис. 78 – 82. 24. Зависимость увода сверла от способа наложения и вида модуляции УЗК Снижение увода сверла при сверлении с УЗК по сравнению с обработкой без УЗК, %* Наложение УЗК на сверло в — 20 – 31 радиальном направлении амплитудная 24 – 35 частотная 25 – 40 Наложение УЗК на сверло и — 20 – 35 СОЖ в радиально-осевом наамплитудная 25 – 37 правлении частотная 25 – 42 * Большие значения соответствуют сверлению отверстий в заготовках из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т, меньшие – из стали 40Х Вид модуляции УЗ сигнала

Схема наложения УЗК

Увод оси сверла а от оси вращения шпинделя

1,0 2

y = 0,0049x + 0,017x 1

мм 0,8

2

2

y = 0,0035x + 0,0116x 0,6

3

2

y = 0,0042x + 0,0077x 0,4

4 2

y = 0,0037x + 0,0078x 0,2

0,0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

L/D

Рис. 78. Зависимость увода оси сверла ∅ 4 мм от отношения глубины отверстия L к диаметру D и формы УЗК при обработке заготовок из стали 40Х с применением устройства для подачи СОЖ с наложением УЗК на сверло в радиальном направлении: 1, 2, 3, 4 – соответственно без УЗК, с синусоидальными УЗК, амплитудная модуляция УЗК, частотная модуляция УЗК. Режимы обработки V = 28,4 м/мин, S = 0,05 мм/об, Q = 4 дм3/мин. СОЖ – 3 %-й водный раствор продукта Синхо-6 *)

В проведении экспериментов принимал участие аспирант Табеев М.В.

Глава 6

150

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

1,0

мм

y = 0,0045x2 + 0,0184x

1

0,8 y = 0,0043x2 + 0,0077x

2

0,6 3

а

y = 0,0038x2 + 0,008x 0,4 4 y = 0,0034x2 + 0,0113x 0,2

0,0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

L/D

Рис. 79. Зависимость увода оси сверла от соотношения глубины отверстия L к диаметру D и формы УЗК при обработке заготовок с применением устройства для подачи СОЖ с наложением УЗК на сверло в радиально-осевом направлении. Условия и обозначения см. в подписи к рис. 78 1,2 Рис. 80. Зависимость увода сверла ∅ 4 мм на глубине отверстия 50 мм от формы УЗК и 1,0 схемы их наложения при обработке заготовок из 0,8 стали 40Х: 1, 2, 3, 4 – соответственно без УЗК, с а 0,6 синусоидальными УЗК, амплитудная модуляция УЗК, частотная модуляция УЗК; … – наложение 0,4 УЗК на сверло в радиальном направлении; „ – 0,2 наложение УЗК на сверло и СОЖ в радиально0,0 осевом направлении. Условия см. в подписи к рис. 78

1

2

3

4

Так, из анализа данных по уводу сверла следует, что наименьшие значения этого показателя следует ожидать при наложении УЗК с частотной модуляцией в радиально-осевом направлении с одновременной подачей СОЖ через волновод и кондукторную втулку (см. табл. 24) по схеме рис. 72, а. Несколько большие значения увода сверла наблюдаются при наложении УЗК в радиальном направлении и подаче СОЖ поливом. Существенная разница в форме УЗК наблюдается с увеличением соотношения глубины отверстия к его диаметру (см. рис. 78, 79), причем наличие модуляции ощутимо уже при L/D > 2. Наибольшая разбивка отверстий наблюдается, главным образом, в начале сверления (до L/D ≤ 7). При этом ощутимо влияние различной формы и направления УЗК (см. рис. 81, 82). Далее, с увеличением соотношения L/D разбивка отверстий монотонно уменьшается, а влияние формы и направления действия УЗК на сверло нивелируется.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ…

151

Разбивка отверстия ∆R, мм

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

0,30 3

4

0,25 21 0,20

0,15

0,10

0,05 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

L/D Рис. 81. Зависимость разбивки отверстия ∆R от соотношения глубины отверстия L к диаметру D и формы УЗК при обработке заготовок с применением устройства для подачи СОЖ с наложением УЗК на сверло в радиально-осевом направлении. Условия и обозначения см. в подписи к рис. 78 0,30 4 мм

3

1

2

0,20

∆R 0,15

0,10

0,05 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

L/D Рис. 81. Зависимость разбивки отверстия ∆R от соотношения глубины отверстия L к диаметру D и формы УЗК при обработке заготовок с применением устройства для подачи СОЖ с наложением УЗК на сверло в радиальном направлении. Условия и обозначения см. в подписи к рис. 78

152

Глава 6

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Таким образом, наибольшее влияние форма и направление УЗК оказывают на увод сверла. Использованием модулированных сигналов при воздействии УЗК на вращающееся маломерное сверло можно уменьшить увод сверла на 25 – 42 % и существенно снизить вероятность его поломки даже при L/D > 10.

6.2. Эффективность алмазного выглаживания заготовок из труднообрабатываемых материалов с использованием энергии модулированного ультразвукового поля

Как известно, влияние УЗ поля на пластическую деформацию связано, с одной стороны, с увеличением числа дислокаций под действием знакопеременных нагружений (упрочнение металлов), с другой – с увеличением их подвижности (разупрочнение). Эффекты снижения трения и увеличения пластичности широко используются при обработке металлов поверхностно-пластическим деформированием (ППД) с наложением УЗК. Ударное воздействие колеблющегося с УЗ частотой наконечника инструмента (наиболее часто – алмазного выглаживателя) на пластичные металлы вызывает упрочнение их поверхностного слоя, сглаживание микронеровностей поверхности. Такая обработка в научнотехнической литературе именуется отделочно-упрочняющей и широко используется с целью повышения долговечности и надежности деталей машин, что объясняется не только уменьшением высотных параметров шероховатости и увеличением поверхностной микротвердости, но и созданием сжимающих остаточных напряжений. При обычной обработке ППД (без УЗК) инструмент прижимают к обрабатываемой заготовке с силой Р = 500 – 5000 Н, что не позволяет ее использовать при изготовлении тонкостенных деталей. Колебания наконечника с УЗ частотой позволяют уменьшить Р на порядок. Это обусловлено тем, что при контакте инструмента, колеблющегося с УЗ частотой, и обрабатываемой поверхности заготовки возникает удар, при котором мгновенные значения усилий, носящих импульсный характер, во много раз превосходят значения статических усилий прижима. Характерной особенностью УЗ отделочно-упрочняющей обработки является возникновение на поверхности заготовки быстро чередующихся деформаций сжатия и сдвига [57]. При УЗ отделочно-упрочняющей обработке используют УЗ инструменты, работающие с частотой 18 – 44 кГц, амплитудой 8 – 10 мкм, потребляемой мощностью 0,1 – 0,6 кВт. Сила Р при этом составляет не более 80 – 100 Н, скорость движения инструмента вдоль обрабатываемой поверхности заготовки v = 0,1 – 2,5 м/с. Наиболее целесообразно применение УЗ отделочно-упрочняющей обработки при изготовлении прецизионных дета-

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ…

153

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

лей, которые имеют пониженную жесткость и при обычных способах упрочнения деформируются. Применение УЗК позволяет уменьшить высоту микронеровностей в 8 – 10 раз, получить высокую поверхностную микротвердость, создать сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое [88]. Одновременно происходит перераспределение остаточных напряжений во всей детали, снимаются остаточные сварочные напряжения и уменьшается концентрация напряжений возле пор, микротрещин и т. п., что приводит к повышению коррозионно-усталостной прочности. УЗ отделочно-упрочняющая обработка алмазным выглаживанием обеспечивает повышение предела выносливости деталей из аустенитных и мартенситных сталей на 36 – 44 % по сравнению с полированием износостойкость их возрастает в 1,5 раза [88]. Исследования влияния УЗК на сопротивление пластической деформации и механические свойства труднообрабатываемых высоколегированных, высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов (в том числе, титановых), выполненные М. С. Нерубаем [59], показали, что независимо от состава и исходных механических свойств исследованных материалов общей закономерностью УЗ сжатия является значительное снижение усилий деформирования, необходимых для получения эквивалентных деформаций. С увеличением амплитуды колебаний эффективность воздействия ультразвука увеличивается. При постоянной амплитуде колебаний положительный эффект ультразвука зависит от состава и структуры испытуемых материалов. Так, при ультразвуковом сжатии титановых сплавов относительное снижение усилий деформирования меньше, чем при испытаниях в аналогичных условиях дисперсионно-твердеющих сплавов типа ХН70ВНТЮБ, ХН75ВМФЮ [59]. Наложение ультразвука, как установлено М. С. Нерубаем [59], снижает сопротивление пластической деформации при сжатии, а сам процесс характес и σ Θс . Указанный эффект в большей ризуется более низкими значениями σ 02 степени проявляется при сжатии высоколегированных материалов, не содержащих γ′-фазы. Для сплавов, образующих при охлаждении γ′-фазу, эффективность УЗ воздействия снижается с увеличением содержания последней. Предложено использовать в качестве критерия эффективности дополнительного энергетического воздействия коэффициент Кэ, равный отношению предела текучести σ 02с в обычных условиях к аналогичной характеристике при УЗ или тепловом воздействии. Показано также, что основные закономерности воздействия ультразвука на сопротивление пластической деформации, полученные при стандартных испытаниях (на специальном испытательном стенде при нормальной и повышенной температуре и параметрах синусоидального УЗ поля: частоте fr = 20 – 22 кГц и амплитуде А = 5 – 20 мкм), в основном сохра-

154

Глава 6

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

няются и при схемах нагружения, характерных для реальных процессов пластического формообразования [59]. Известно, что увеличение амплитуды УЗК до 4 – 6 мкм при алмазном выглаживании способствует увеличению микротвердости и уменьшению высотных параметров шероховатости поверхности обрабатываемой заготовки. При дальнейшем увеличении амплитуды наблюдается некоторое разупрочнение поверхностного слоя, проявляющееся в уменьшении микротвердости и увеличении высотных параметров шероховатости за счет образования отслоений. Вместе с тем увеличение амплитуды колебаний свыше 4 – 6 мкм способствует увеличению сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое заготовки и глубины их залегания [75]. В целях увеличения амплитуды УЗК без снижения упрочнения, сжимающих остаточных напряжений и глубины их залегания предложено применять УЗК, модулированные по амплитуде дополнительным синусоидальным сигналом [32, 69]. Как амплитудную, так и частотную модуляцию УЗК алмазного выглаживателя можно использовать для создания на поверхностях обрабатываемых заготовок регулярных микрорельефов [32], что в существенной степени будет способствовать повышению эксплуатационных свойств пар трения. При этом в отличие от общеизвестных методов создания регулярных микрорельефов вибрационными головками на частотах до 5 – 10 кГц [102], использование модулированных УЗК не сопряжено с вероятностью усиления вибраций, а наоборот сопровождается их демпфированием [55] и осуществляется при существенно меньших усилиях ППД. Учитывая конструктивные особенности современных УЗ генераторов, с целью их упрощения и снижения себестоимости изготовления, в ряде случаев амплитудную модуляцию можно осуществлять не только синусоидальным, но и сигналом другой формы (например, прямоугольной). Насколько существенной будет в этом случае разница в технологической эффективности алмазного выглаживания, в форме и глубине регулярного микрорельефа на обработанных поверхностях заготовок, оценивали экспериментально. Алмазное выглаживание выполняли на токарно-винторезном станке УТ16-ПМ, используя специальное устройство для алмазного выглаживания заготовок, УЗ генератор ТЕХМА-3М, универсальный динамометр УДМ-100, усилитель 8АНЧ-26М, осциллограф Нева-МТ. В качестве деформирующего инструмента применяли алмазный выглаживатель с радиусом сферы 4 мм. Перед алмазным выглаживанием заготовки диаметром (40 – 50) мм из коррозионностойкой подшипниковой стали 95Х18Ш и низколегированной стали 40Х шлифовали с целью получения стабильных значений параметра шероховатости Ra = (0,40÷0,45) мкм. Статическую силу поджатия алмазного выглаживателя к заготовке сохраняли на втором и третьем этапах исследования (см. ниже) постоянной (Ру = 100 Н), рабочая скорость об-

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ…

155

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

работки составляла 35 м/мин, а скорость продольной подачи – 0,064 мм/об. В качестве СОЖ использовали индустриальное масло И-20А. Исследования проводили в три этапа. На первом этапе было подтверждено предположение, что амплитудную и частотную модуляцию УЗК алмазного выглаживателя можно использовать для создания регулярного микрорельефа на обрабатываемых заготовках: профилограммы обрабатываемых поверхностей показывают, что, варьируя амплитудой и частотой модулированного сигнала и значением статической силы поджатия алмазного выглаживателя, можно получать регулярный микрорельеф поверхности готовой детали с глубиной до 10 мкм и шагом канавок до 100 мкм. Этого вполне достаточно для удержания дополнительного количества смазки на поверхностях трущихся тел [102]. На втором этапе исследований при изменении амплитуды механических колебаний выглаживателя оценивали влияние вида и формы модуляции УЗ поля на показатели технологической эффективности – касательную силу выглаживания Pz, микротвердость обработанной поверхности Н100 и параметр шероховатости Ra. Установлено (рис. 83), что амплитудная модуляция синусоидальным и прямоугольным сигналом обеспечивает примерно одинаковые технологические показатели практически во всем диапазоне амплитуд механических колебаний алмазного выглаживателя (от 5 до 14 мкм).

Рz

Рис. 83. Влияние вида и формы модуляции УЗ поля на техноН логические показатели 100 эффективности алмазного выглаживания заготовок из сталей 95Х18Ш (а) и 40Х (б): 1 – амплитудная модуляция синусоидальным Ra сигналом; 2 – амплитудная модуляция прямоугольным сигналом; 3 – частотная модуляция

а)

б)

Глава 6

156

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

На третьем этапе исследований оценивали влияние глубины модуляции на технологическую эффективность алмазного выглаживания заготовок с применением УЗК. Анализ результатов (рис. 84) показал, что для достижения более высоких значений технологических показателей обработки целесообразно использовать глубину модуляции УЗ сигнала не менее 60 %.

Рz

Н100

Рис. 84. Влияние параметров амплитудно-модулированного УЗ поля на показатели технологической эффективности алмазного выглаживания заготовок из сталей 95Х18Ш (а) и 40Х (б): 1, 2, 3, 4 – глубина модуляции соответственно 0, 30, 60 и 90 %

Ra

а)

б)

Таким образом, с целью создания регулярного микрорельефа на поверхностях стальных заготовок алмазным выглаживанием целесообразно использовать УЗ технику с наложением амплитудно-модулированных УЗК на инструмент.

6.3. Использование энергии модулированного ультразвукового поля для повышения эффективности плоского маятникового шлифования с непрерывной правкой круга

Известно, что при шлифовании заготовок с непрерывной правкой круга параметры шероховатости и волнистости шлифованных поверхностей во многом определяются микропрофилем алмазного ролика, а также соотношением угловых скоростей круга и ролика [4]. Доминирующее влияние на теплосило-

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ…

157

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

вую напряженность оказывают скорость врезной подачи ролика, а также скорости поперечной и продольной подачи стола. Наложением продольных, крутильных или изгибных УЗК на правящий ролик можно значительно изменить механизм образования микропрофиля шлифовального круга, а следовательно шероховатости и волнистости шлифованных поверхностей заготовки и теплосиловой напряженности процесса шлифования. Учитывая, что в процессе генерации УЗ сигнала можно, используя современную УЗ технику, менять его форму, появляется возможность воздействия на эффективность шлифования заготовок с непрерывной правкой круга алмазным роликом вне зависимости от соотношения угловых скоростей вращающихся объектов и скоростей их подач. УЗК различной формы (традиционно синусоидальной, амплитудно-модулированные и амплитудно-частотно-модулированные, рис. 85, табл. 25) накладывали*) на приводной вал алмазного ролика (рис. 86) от УЗ генераторов ТЕХМА-3М и ТЕХМА-4М. 25. Параметры УЗ сигнала, вырабатываемого УЗ генератором Вид УЗ сигнала

Первый импульс* Амплитуда Частота ω1, U1, В кГц 0 – 450 18,6

Второй импульс Глубина мо- Частота ω2, дуляции, % кГц – –

Частота следования импульсов, кГц –

U1

U1

U1 U2

Без модуляции Амплитудная моду0 – 450 18,6 80 18,6 1 ляция Частотная модуля0 – 450 20,0 25 12,5 1 ция** * Форму сигнала см. рис. 85 ** Так как насадки рассчитаны на резонансную частоту 18,6 кГц, то у импульса с частотой, которая ближе всего к резонансной ω1 = 20 кГц (первый импульс), будет и большая амплитуда колебаний

а)

б)

в) Рис. 85. УЗ сигнал, подаваемый на насадки: a) без модуляции, б) амплитудная модуляция, в) частотная модуляция. 1 – первый импульс, 2 – второй импульс

*)

В проведении исследований принимал участие аспирант Яшин А.А.

Глава 6

158

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В процессе исследований в качестве критериев оценки эффективности шлифования заготовок с непрерывной правкой круга использовали параметры шероховатости и волнистости: высотные (Ra, Rz, Rmax, wz, wmax), шаговые (S, Sm, Sw), относительную опорную длину профиля tp (0,25 и 0,75); параметры теплосиловой напряженности (составляющие силы шлифования Pz и Pу и контактную температуру Тк в зоне шлифования). Для измерения параметров шероховатости и волнистости использовали профилометр-профилограф мод. 201 завода «Калибр», составляющие силы шлифования измеряли на универсальном динамометре УДМ-100, контактную температуру – с использованием полуискусственной термопары. Запись контактной температуры и сил шлифования осуществляли на осциллографе Нева-МТ. Для усиления сигналов применяли усилитель 8АНЧ-26М. Б

1 М 2

УЗК А = 3 мкм Vвр

4

5 Vp СОЖ

3

7 Vпр

8 5

СОЖ 9

Б М

Рис. 86. Кинематическая схема устройства для 6 непрерывной правки абразивных кругов алмазным роликом к плоскошлифовальному станку: 1, 6 – электродвигатели; 2 – цилиндрическая зубчатая передача; 3 – передача «винт-гайка»; 4 – клиновая передача; 5 – алмазный правящий ролик; 7 – абразивный круг; 8 – пьезоэлектрический преобразователь; 9 – заготовка

Результаты некоторых экспериментальных исследований по оценке влияния параметров модулированных УЗК на эффективность плоского маятникового шлифования заготовок из стали 40Х (HRC 42…45) представлены на рис. 87 – 90 (круг 1 – 200×20×76, 24А25НС17К11, Vк = 35 м/с, припуск z =0,1 мм, скорость стола Vпр = 10 м/мин, Vр = 6 м/с, Vвр = 0,01 мм/мин, правящий ролик АРСЧ 1000/800. СОЖ – 0,3 %-й раствор кальцинированной соды, подаваемый к зонам шлифования и правки поливом с суммарным расходом 15 дм3/мин). Как следует из анализа полученных данных, наименьшую теплосиловую напряженность обеспечивает шлифование заготовок с наложением на алмазный правящий ролик УЗК с амплитудно-частотной модуляцией. По сравнению со

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ…

159

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

шлифованием без наложения УЗК на алмазный правящий ролик составляющие силы шлифования Pz и Pу уменьшились, соответственно, на 37,5 и 26 %, а контактная температура Тк – на 25 % (рис. 87). В сравнении с эффективностью наложения на ролик традиционных УЗК синусоидальной формы (А = 3 мкм, fr = 18,6 кГц) Pz и Pу уменьшились, соответственно, на 30,6 и 18 %, а Тк – на 17 %. Таким образом, модуляция УЗК (особенно амплитудно-частотная) является весьма эффективным средством снижения теплосиловой напряженности процесса шлифования, а следовательно – средством уменьшения вероятности прижогообразований, микротрещин и повышения точности линейных и угловых размеров шлифованных заготовок. 25 Н 20 Рz

20,0

18,0

15

15,0

40 Н 30

12,5

32,5

29,2

28,0

2

3

24,0

Ру 20

10 5

10 0

0 1

2

3

4

1

а) 600

573,0

516,0

487,0

2

3

К 400

Рис. 87. Влияние УЗК, накладываемых на T алмазный ролик при непрерывной правке, на те- к 200 плосиловую напряженность шлифования: 1 – без УЗК; 2 – УЗК без модуляции; 3 – УЗК с ампли0 тудной модуляцией; 4 – УЗК с амплитудночастотной модуляцией

1

4

б)

430,0

4

в)

Полученные результаты, по-видимому, объясняются следующими причинами: – наложение амплитудной модуляции на УЗК вызывают увеличение интенсивности кавитационных процессов как в зоне правки, так и в зоне шлифования. Это, в свою очередь, способствует более интенсивному вымыванию отходов обработки в контактных зонах, что приводит к снижению силы шлифования и контактной температуры; – наложение амплитудно-частотной модуляции приводит к дополнительному уменьшению коэффициентов трения как в зоне контакта алмазных зерен правящего ролика с а.з. и связкой круга, так и в зоне контакта а.з. с материалом заготовки. Введение в зону правки круга УЗК меняет характер формирования шероховатости и волнистости шлифованных поверхностей. Как высотные, так и ша-

Глава 6

160

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

говые параметры шероховатости и волнистости весьма чувствительно относятся к изменению уровня и формы УЗК. Так, при наложении синусоидальных УЗК на алмазный правящий ролик при прочих равных элементах режима шлифования и правки высотные параметры шероховатости (Ra, Rz, Rmax) шлифованных поверхностей образцов уменьшаются на 11 %, изменение формы УЗК путем введения амплитудной модуляции уменьшает параметры Ra, Rz, Rmax еще на 4 %, а введение амплитудно-частотной модуляции дополнительно уменьшает высотные параметры шероховатости на 10 %. Таким образом, использование амплитудно-частотной модуляции УЗ сигнала способствует уменьшению высотных параметров шероховатости на 25 % (рис. 88). 2,5 мкм 2,0 Ra

1,96

8 1,76

1,67

1,5

6,55

2

3

5,78

Rz 4

0,5

2

0,0

0 1

Rmax

6,93

мкм 6

1,47

1,0

10 мкм 8

7,70

6,72

6

2

3

4

6,05

5,71

5,04

2

3

4

4

б)

Рис. 88. Влияние УЗК, накладываемых на алмазный ролик при непрерывной правке, на высотные параметры шероховатости шлифованной поверхности. Остальные условия см. в подписи к рис. 87

4 2 0 1

1

а)

в)

Примерно такие же результаты зафиксированы при анализе шаговых параметров шероховатости (рис. 89), а также высотных и шаговых параметров волнистости (рис. 90). 0,15

0,127

0,114

0,15 0,108

мм 0,10

0,095

S

0,130

0,117

0,111

2

3

мм 0,10

0,098

Sm 0,05

0,05

0,00

0,00 1

2

3

4

а)

1

4

б)

Рис. 89. Влияние УЗК, накладываемых на алмазный ролик при непрерывной правке, на шаговые параметры шероховатости шлифованной поверхности. Остальные условия см. в подписи к рис. 87

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ…

161

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

2,5 мкм 2,0 wz

2,22

2,00

1,88

3 1,66

2,66

2,39

2,26

2,20

1

2

3

4

1,03

0,97

2

3

мкм 2

1,5

wmax

1,0 0,5

1

0,0

0 1

2

3

4

а) 1,25 мм 1,00

1,14

б)

0,86

0,75 Рис. 90. Влияние УЗК, накладываемых на Sw алмазный ролик при непрерывной правке, на 0,50 волнистость шлифованной поверхности. Ос0,25 тальные условия см. в подписи к рис. 87 0,00 1

4

в)

Учитывая, что в процессе исследований угловые скорости абразивного круга и алмазного ролика поддерживали на постоянном уровне (пкр/пр = 5,83 = = const), изменение высотных параметров шероховатости и волнистости на 25 % при наложении амплитудночастотномодулированных УЗК вносят некоторые изменения в утверждение авторов работы [4] о характере формирования микропрофиля шлифованных поверхностей при врезной правке круга алмазным роликом путем переноса микропрофиля последнего через микропрофиль рабочего слоя абразивного круга, приобретенный им в процессе правки. Повидимому, это происходит с одной стороны в силу стохастического закрепления а.з. в рабочем слое, невозможности поддержания угловых скоростей круга и ролика современными конструкциями асинхронных двигателей. Введение в зону правки УЗК, с другой стороны, вносит коренные изменения в формирование режущего профиля абразивного круга: происходит более однородное выбивание микрочастиц на поверхности круга, каждое а.з. в результате получает более развитый микро- и субмикропрофиль, интервал между соседними режущими а.з. получается более стабильный, острота режущих кромок а.з. становится примерно идентичной. Последнее приводит к формированию микропрофиля с большими значениями tp (рис. 91).

Глава 6

162

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

15 % 10

13,0 11,0

10,0

30

12,0

25,0

23,0

1

2

27,0

% 20 tp=75%

tp=25% 5

10

0

0 1

2

3

4

а)

3

4

б)

Рис. 91. Влияние УЗК, накладываемых на алмазный ролик при непрерывной правке, на параметры шероховатости tp=25% (а) и tp=75% (б) шлифованной поверхности. Остальные условия см. в подписи к рис. 87

Таким образом, наложение модулированных УЗ сигналов на правящий инструмент при шлифовании с непрерывной правкой абразивного круга алмазным роликом является одним из эффективных средств воздействия на производительность обработки и качество поверхностного слоя шлифованных деталей.

6.4. Выводы

1. Эффективность механической обработки заготовок из различных материалов можно повысить рациональным применением модулированных УЗК не только на СОЖ, но и непосредственно на формообразующий инструмент. 2. Использование модулированных УЗК на операциях глубокого сверления позволяет в существенной степени уменьшить крутящий момент, составляющие силы резания и контактную температуру в зоне обработки. Все это способствует не только увеличению периода стойкости и сокращению числа поломок инструмента, но и уменьшению разбивки диаметральных отверстий в заготовке и резкому уменьшению увода оси маломерных сверл при сверлении на глубинах свыше (5 – 10) D. 3. С целью создания регулярного микрорельефа на поверхностях стальных заготовок алмазным выглаживанием целесообразно использовать УЗ технику с наложением амплитудно-модулированных УЗК на формообразующий инструмент. При этом во всем диапазоне амплитуд основных механических колебаний алмазного выглаживателя (от 5 до 14 мкм) обеспечиваются стабильно высокие показатели микротвердости и сжимающих остаточных напряжений (на глубине до 50 мкм), малые высотные параметры шероховатости поверхностного слоя обработанных заготовок. 4. Наложение модулированных УЗК на правящий инструмент при шлифовании заготовок с непрерывной правкой круга алмазным роликом коренным образом изменяет картину переноса микропрофиля ролика через круг на заготовку и является эффективным средством воздействия на качество поверхностного слоя шлифованных деталей и производительность обработки.

163 –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Глава 7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕХНИКИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ 7.1. Расчет элементов устройств ультразвуковой техники и описание основных конструкций При использовании механических и электромеханических виброприводов, обеспечивающих колебания с частотой до 800 – 1000 Гц, вибрация инструмента, заготовки или приспособления достигается всегда независимо от геометрии и формы концентратора (волновода) [49, 72, 100]. Для УЗ колебательных систем, используемых в процессах механической обработки, их практическая реализация невозможна без создания концентратора соответствующей конструкции. Последний предназначен для увеличения амплитуды механических колебаний, что достигается обеспечением резонанса частот вибратора (магнитострикционного или пьезоэлектрического) с исполнительным инструментом (непосредственно режущий инструмент, насадок для подачи СОЖ, кондукторная втулка и др.). При этом очень важно правильно оценить координаты узлов колебаний, в которых концентратор (волновод) должен быть закреплен в соответствующих устройствах проектируемой УЗ техники или непосредственно на элементах технологической системы (станок, приспособление и др.). Основные формы концентраторов, используемых для увеличения амплитуды колебаний исполнительных инструментов, представлены на рис. 92.

Рис. 92. Формы круглых концентраторов, используемых для увеличения амплитуды колебаний исполнительного инструмента: 1 – ступенчатый; 2 – конический; 3 – экспоненциальный; 4 – концентратор Фурье; 5 – катеноидальный (с образующей в виде цепной линии); М – коэффициент усиления колебаний [49]

Глава 7

164

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В качестве концентраторов используют также стержни постоянного сечения (чаще круглые), экспоненциальные волноводы прямоугольного сечения (ножевые), сложные цилиндрические волноводы с вибрационной полостью (например, для подачи СОЖ). Концентраторы изготовляются чаще всего из сталей различных марок, а также других конструкционных материалов (табл. 26). Ниже приводится методика инженерного расчета типовых концентраторов, а также конструкций основных устройств УЗ техники для механической обработки заготовок. Подробные методики расчета различных форм концентраторов приведены в работах [13, 49]. 26. Основные конструкционные материалы для УЗ концентраторов (волноводов) и их физико-механические характеристики [49] Материал Алюминий Дюралюминий Серый чугун Ковкий чугун Углеродистая сталь Твердый сплав на основе карбида вольфрама Быстрорежущая сталь Закаленная сталь Коррозионностойкая сталь Латунь Медь Титан

ρ,

Е, 10 МПа кг/дм 2,8 7,2 2,8 7,2 7,2 8,0 – 14,0 7,16 – 7,3 8,4 – 15,0 7,9 21,0 14,0 – 15,0 70 – 78 7,9 25,0 7,9 20,5 7,9 20,5 8,6 10,0 8,9 12,0 4,5 10,9 3

4

τ в,

МПа 100 400 – 570 100 – 400 210 – 380 400 – 500 – 700 600 – 1100 700 320 – 500 210 – 280 500 – 800

с у, м/с 5100 5100 3750 3900 5200 7000 5200 5200 5200 3500 3670 4920

Если необходимо передать энергию УЗК в нагрузку, не изменяя при этом амплитуды колебаний или колебательной скорости, для УЗ волноводов используют стержни постоянного сечения. На рис. 92, а приведен такой стержень. Длина такого стержня определяется по формуле nc у l= , (162) 2 fr где l – полная длина стержня, м; п – обычно 1, 2, 3,… выбирается по конструктивным соображениям и показывает отношение длины l стержня к длине волны λу (сколько полуволн укладывается в длине стержня). Для применения выбранного волновода в УЗ технике необходимо определить координату узла нулевой скорости упругих колебаний, т. е. ту плоскость, где материал его испытывает наибольшее напряжение. В этой плоскости колебательные смещения равны или близки к нулю. Именно в этом месте осуществляется крепление волновода в УЗ устройствах. Для стержней постоянного сечения координата узловой плоскости х 0 = l 2n .

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОСНОВНЫЕ…

165

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

а)

в)

б)

г)

Рис. 93. Различные типы УЗ концентраторов-волноводов [13]: а – волновод с постоянным сечением стержня; б – волновод в виде круглого стержня с экспоненциальным изменением сечения; в – волновод в виде прямоугольного стержня с экспоненциальным изменением сечения; г – волновод в виде круглого стержня постоянного сечения с внутренней экспоненциальной полостью

Цилиндрические ступенчатые концентраторы (рис. 93, а) представляют собой комбинацию двух цилиндров со ступенчатым переходом от большего к меньшему. Такие концентраторы дают увеличение амплитуды колебаний, равное отношению площадей входного и выходного сечений концентратора. Скорость распространения звука в концентраторе, составленном из двух цилиндров одинаковой длины, такая же, как и в круглом стержне с постоянным сечением. Узловая плоскость, т. е. плоскость максимальных механических напряжений, находится в середине их длины. Концентраторы, выполненные в виде круглого стержня с экспоненциальным изменением сечения (рис. 93, б), представляют собой тела, площадь поперечного сечения которых в направлении распространения упругих колебаний изменяется по экспоненциальному закону. Площадь поперечного сечения этих концентраторов изменяется по зависимости S x = S1e −αx .

166

Глава 7

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Геометрия конического концентратора (см. рис. 92) характеризуется соотношениями [49]: S1 S = (l x )2 и d1 d = l x . (163) При этом координаты хи узловой точки определяются по зависимости λ у l − arctgλ у l . (164) xи =

λу

Концентраторы Фурье (см. рис. 92), несмотря на их очевидные преимущества, из-за сложности изготовления на практике используются редко. Расчеты и методики их проектирования подробно рассмотрены в работе [111]. В табл. 25 приведены значения скорости звука су в различных материалах. Выбором соответствующего материала концентратора можно уменьшить или увеличить размеры колебательной системы, не изменяя частоты колебаний вибратора. Если, например, вместо дюралюминия или углеродистой стали использовать латунь, скорость распространения звука в которой существенно меньше, то требуемую длину концентратора можно значительно уменьшить. Однако для концентраторов в первую очередь следует использовать материалы с минимальными потерями энергии на внутреннее трение и с высоким пределом циклической прочности, такие как титановые сплавы и коррозионностойкие стали. Концентраторы должны быть с одной стороны соединены с источником колебаний (вибратором), с другой – с исполнительным инструментом. Магнитострикционные вибраторы соединяются с концентраторами двумя методами: с помощью переходника с резьбой (разъемное соединение) или путем создания неразъемного соединения с помощью сварки, пайки твердым серебряным припоем, прессованием (в ряде случаев совместно со сваркой или пайкой), склеивания клеями на основе эпоксидной смолы. Переходник с резьбой чаще всего припаивают к магнитострикционному вибратору твердым припоем. Очень важным фактором, в значительной степени определяющим работоспособность УЗ колебательной системы, является качество припайки концентратора или переходника к вибратору, а также исполнительного инструмента к концентратору. Припой должен быть равномерно распределен по всей сопрягаемой поверхности. Недопустимы даже небольшие зазоры и непропаянные места (пустоты). В различных соединениях при недостаточно хорошем контакте между соединяемыми элементами могут иметь место потери передаваемой от вибратора энергии, поэтому на практике достаточно часто концентратор и исполнительный инструмент (нагрузку) изготовляют из одного прутка металла. Соединение пьезоэлектрических вибраторов с концентраторами чаще всего осуществляется с помощью резьбы. Как правило, в этом случае особое

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОСНОВНЫЕ…

167

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

внимание уделяют точности изготовления как самой резьбы (в основном с мелким шагом), так и ее направления: ось резьбы должна располагаться строго под прямым углом к контактирующим поверхностям, обеспечивая высокую плотность их контакта. В качестве примера практической реализации изложенных выше положений по расчету основных элементов устройств УЗ техники рассмотрим устройство для наложения УЗК одновременно на СОЖ и спиральное сверло, представленное на рис. 94 [70]. 5 3

6 СОЖ

4

2

λу / 4

7

1

µ 9

К УЗ генератору

lв

l = λу / 2

8 2ϕ

Рис. 94. Устройство для наложения УЗК на СОЖ и сверло: 1 – волновод; 2 – сверло; 3 – стакан; 4 – пьезопреобразователь; 5 – штуцер; 6 – прокладка; 7 – отражающая шайба; 8 – заготовка

Устройство состоит из концентратора-волновода 1, в который запрессована кондукторная втулка 9. Кроме бокового отверстия под кондукторную втулку 9 волновод 1 имеет центральное отверстие для подачи СОЖ к сверлу 2. Волновод 1 связан с двумя пьезопреобразователями-кольцами 4, от которых упругие колебания, генерируемые УЗ генератором, передаются через кондукторную втулку 9 на сверло 2 и поток СОЖ, подаваемый через центральное отверстие волновода от электронасоса (помпы). На приспособлении все устройство крепится с помощью резьбового стакана 3, который за конический буртик волновода 1 стягивает пьезопреобразователи 4, прокладку 6, отражающую шайбу 7 штуцером 5 в одно целое. Конический буртик на волноводе располо-

168

Глава 7

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

жены как раз на координате узловой плоскости х 0 = l 2n . Для эффективной работы устройства необходимо, чтобы ось сверла 2, совпадающая с осью кондукторной втулки 9, колебалась с максимальной амплитудой. Методика расчета элементов устройства УЗ техники для операции сверления сводится к следующему. Толщину отражающей шайбы принимаем равной 20 мм. Высота пьезоэлектрических преобразователей ПП01/18 из ЦТС-19 диаметром 50 мм в соответствии с ТУ завода-изготовителя «Аврора» (г. Волгоград) составляет 8мм. При расчете задача сводится к определению длины волновода lв. На его долю приходится часть полуволнового отрезка λу / 2. Для выявления величины lв в полуволновом отрезке необходимо определить долю высот пьезоэлектрических преобразователей 4 и отражающей шайбы 7. Длина полуволны для коррозионностойкой стали (материал отражающей шайбы 7) при частоте УЗК fr = 18,6 кГц (рабочая частота генератора ТЕХМА01) будет равна: λу C 5140 = 1 = = 138,2 мм, 2 2 ⋅ f r 2 ⋅18,6 где С1= 5140 – скорость распространения УЗК в коррозионностойкой стали, в м/с. 20 ⋅ λ у λ = 0,145 у . Толщина двух Длина отражающей шайбы 7 составляет 138 ⋅ 2 2 пьезопреобразователей 4 составляет 16 мм. Длина полуволны для пьезокерамики (материал пьезопреобразователей 4) λу C 3300 =1 2 = = 88,7 мм, 2 2 ⋅ f r 2 ⋅18,6 где С2 = 3300 м/с – скорость распространения УЗК в пьезокерамике. 16 ⋅ λ у λ = 0,18 у . Длина пьезопреобразователей составляет 88,7 ⋅ 2 2 Отражающая шайба и два пьезопреобразователя по длине составляют (0,145 + 0,18)λу/2 = 0,325λу/2, следовательно, длина lв волновода 1 должна составлять 0,675λ/2. Материал волновода – дюралюминий Д16Т, длина полуволны для этого материала равна: λ y C3 5080 = = = 136,6 мм, 2 2 f r 2 ⋅18,6 где С3 = 5080 м/с – скорость распространения УЗК для сплава Д16Т. Таким образом, длина волновода 1 lв = 0,675 ⋅136,6 = 92,2 мм. Волновод крепится в резьбовом стакане 3 устройства в плоскости с нулевым смещением, которая находится на расстоянии λу/4 (для сплава Д16Т λу/4 = 68,5 мм) от оси кондукторной втулки.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОСНОВНЫЕ…

169

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Учитывая, что запрессованная в волновод кондукторная втулка изготовляется из закаленной углеродистой стали, скорость распространения УЗ волн в которой близка к скорости распространения в дюралюминии (см. табл. 26), а ее толщина существенно меньше длины волновода и размеров других элементов УЗ колебательной системы, ее влиянием на амплитуду колебаний пренебрегаем. Величина угла µ (см. рис. 94) при параметре спирального сверла 2ϕ = 120° равна 30°. Аналогичные расчеты могут быть проведены для типовых конструкций устройств подачи СОЖ с наложением УЗК для шлифовальных станков, оснащенных кругами на керамической связке, представленных на рис. 40, а также для устройства подачи СОЖ в зону правки гидроаэродинамическим способом с наложением УЗК (см. рис. 31) [34], алмазного выглаживания с наложением УЗК (рис. 95) и др. 3

4

5

6

7

8

9

10

11

2

1 Рис. 95. Устройство для алмазного выглаживания заготовок с наложением УЗК: 1 – корпус; 2 – пружина; 3 – стакан; 4 – штифт; 5 – шпилька; 6, 8 – гайка; 7 – пьезоэлектрические преобразователи; 9 – волновод; 10 – алмазный выглаживатель; 11 – заготовка

7.2. Источники и структура составляющих экономической эффективности

Эффективность использования результатов исследований в промышленности обусловлена, в основном, тремя факторами: а) повышением производительности обработки путем удлинения периода стойкости режущего инструмента и соответствующего уменьшения числа переточек или правок; б) повышением производительности обработки путем интенсификации режима механической обработки (сокращением машинного времени); в) сокращением расхода режущих инструментов, кругов для заточки и алмазных правящих инструментов вследствие повышения периода стойкости. При этом, разумеется, во всех случаях обязательным условием является обеспечение требуемого качества обработанных деталей.

170

Глава 7

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В качестве примеров ниже представлены расчеты экономической эффективности УЗ техники подачи СОЖ для шлифовальных операций, выполняемых на торцекруглошлифовальном станке SASE-200 (врезное совмещенное шлифование заготовок типа «вал-шестерня»), бесцентровошлифовальном станке SASL-125/1 (врезное шлифование заготовок типа «болт»), станке для глубинного шлифования HPA-124 (шлифование «елочных» замков турбинных лопаток ТНД ГТК-25и) и специальном круглошлифовальном станке V-4 (шлифование шатунных шеек коленвала автомобильного двигателя). Использованы материалы опытнопромышленных испытаний и результаты внедрения УЗ техники подачи СОЖ на предприятиях различных отраслей (табл. 27) и работы [31, 39, 43, 91, 100]. 27. Основные исходные данные для расчета экономической эффективности УЗ техники подачи СОЖ ПлоскошлифовальСпециальный ный станок для шлифовальный Торцекруглошли- БесцентровошлиУсловия глубинного шли- станок для шлифофовальный станок фовальный станок шлифовафования вания коленвалов SASE-200 SASL-125/1 ния НРА-124 фирмы V-4 фирмы (Германия) (Германия) «Мегерле» «Ньюол» (Швейцария) (Великобритания) 1 – 500×175×203 Шлифо1 – 500×25×203 1 – 500×125×305 РА 80-G16-V15B 1 – 1060×37×305 вальный 24А25НСТ17К5 64С25ПСМ26К3 (фирма «Карборун- 24А25ПСТ26К5 круг дум») Отливка из высоОтливка из жароПрокат из прочного сплава копрочного чугуна Поковка из стали титанового сплава ЦНК-7 (в состояВЧ-50 (в состояВТ16, HRC Заготовка 30Х, HRC 55; нии поставки); нии поставки); dз=35 мм; lш=25 мм 30...32; dз=10,1 dз=50 мм; dз=280 мм; мм; lш=170 мм lш = 37 мм lш =50 мм Vк = 30 – 35 м/с; Vк=30 – 35 м/с; Vк=30 – 35 м/с; Режим Vк = 30 м/с; Vз = 30 м/мин; Vз = 35 м/мин; Vз = 14,1 м/мин; шлифоваVs = 200 мм/мин; Vt = 0,25 мм/мин; Vt = 4 мм/мин; Vt = 0,3 мм/мин; Zпз = 1,0 мм ния Zпз =0,4 мм Zпз = 0,2 мм Zпз = 1 мм Алмазный сложноПравящий Алмазный каран- Алмазный каранАлмазный ролик профильный ролик инструмент даш Ц2 даш С53908.0060 АСК 400/315 АС1.05 630/500 Два прохода по Три прохода по 0,05 мм, два проVp = 10 м/с; Vp = 2 м/с; Режим 0,03 мм, два прохода по 0,02 мм, Vtп = 0,1 мм/мин; Vtп = 0,15 мм/мин; правки хода без подачи; два прохода без Zпр = 0,3 мм Zпр = 0,5 мм Vs = 0,25 м/мин подачи; Vs = 0,2 м/мин 1% 4 %-ная эмульсия кальцинирован- 1,5 %-ная эмульсия 3 %-ная эмульсия СОЖ ЭТ-2 с ГХФ Аквол-2 Укринол-1 ной соды, 0,3% нитрита натрия, 98,7 % воды

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОСНОВНЫЕ…

171

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Расчеты экономической эффективности выполнены по трем вариантам: 1 вариант – переход от подачи СОЖ поливом к УЗ технике подачи ее сквозь поровое пространство круга обеспечивает увеличение периода стойкости шлифовального круга при неизменном машинном времени (станок SASL-125/1); 2 вариант – новый способ подачи СОЖ обеспечивает увеличение производительности обработки при сокращении машинного времени (станок SASE-200); 3 вариант – применение УЗ техники подачи СОЖ обеспечивает сокращение расхода шлифовальных кругов и правящих инструментов (по условиям работы предприятия повышение производительности труда вследствие увеличения периода стойкости кругов и правящих инструментов не фиксируется; станок V-4). Для станка НРА-124 подсчитан суммарный экономический эффект, получаемый одновременно по 1, 2 и 3 вариантам: применение УЗ техники подачи СОЖ обеспечивает увеличение периода стойкости круга и правящего инструмента, сокращение расхода шлифовальных кругов и правящих инструментов; уменьшение штучного времени на операцию. Как обычно в таких случаях, для определения эффективности использования результатов исследований в промышленности нет необходимости производить сравнение всех без исключения статей расходов, образующих полную себестоимость детали. Можно ограничится расчетом и анализом технологической себестоимости, состоящей только из суммы тех издержек, которые непосредственно связаны с данным вариантом технологического процесса и им обусловлены. Технологическая себестоимость [100] (165) Ст = С 1 + С2 + С3 + С4 + С5 + С6 + С7 , где С1 – затраты на заработную плату (включая дополнительную зарплату и начисления), руб.; С2 – затраты на амортизацию станка, руб.; С3 – затраты на эксплуатацию станка (электроэнергия, вспомогательные материалы, ремонт), руб.; С4 – затраты на технологическую оснастку, руб.; С5 – затраты на измерительный инструмент, руб.; С6 – затраты на режущий инструмент (шлифовальный круг и правящий инструмент), руб.; С7 – затраты на содержание производственных помещений, руб. Все перечисленные затраты рассчитаны на одну деталь. Сравнение сумм затрат по вариантам позволяет определить величину годового экономического эффекта [100]: (166) Эг = (СN1 – CN2 ) + Eн (К1 – К2 ) , где CN1 и CN2 – соответственно себестоимость годового выпуска деталей по 1 и 2 вариантам технологического процесса, руб.; К1 и К2 – капиталовложения по 1 и 2 вариантам, руб.; Ен – нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности. При расчете годовой экономии, получаемой в результате уменьшения

172

Глава 7

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

расхода шлифовальных кругов и правящих инструментов Эги (годовой выпуск N по сравниваемым вариантам одинаков), использовали формулу (167) Эги = (Сгк1 – Сгк2) + (Сгп1 – Сгп2), где Сгк1 и Сгк2 – соответственно, стоимость годового расхода шлифовальных кругов по 1и 2 вариантам технологического процесса, руб.; Сгп1 и Сгп2 – соответственно, стоимость годового расхода правящих инструментов по 1 и 2 вариантам технологического процесса, руб. При расчете годовой экономии, получаемой за счет увеличения периода стойкости шлифовального круга Эг,τ (1 вариант) и сокращения машинного времени Эг,τ (2 вариант), когда годовые выпуски деталей по сравниваемым вариантам не одинаковы, использовали следующие зависимости [100]: ′ ′ ′ Э г,ф = Эτ + Eн  K1 − K 2  N 2 ; (168)    ″ ″ ″ Эг,t = Эt + Eн  K1 − K 2  N 2 , (169)    ′ ′ ″ ″ где K1 , K 2 , K1 , K 2 – удельные капитальные затраты по сравниваемым вариан′ ″ там, руб./шт.; N 2 , N 2 – годовые выпуски деталей по новому варианту технологического процесса. Экономия ′ 1 − Tшт ′ 2 ) + Эк′ ; Эф = C м (Tшт (170) ′′ 1 − Tшт ′′ 2 ) + Экп′′ , Эt = C м (Tшт (171) где См – стоимость одной минуты работы станка, руб./мин; Тшт – штучное время, мин; Экп – экономия, связанная со снижением затрат на круг и правящий инструмент в расчете на одну деталь, руб.

7.3. Экономическое обоснование эффективности использования ультразвуковой техники в производственных условиях и основные результаты внедрения

В качестве примера в табл. 28 представлены расчеты штучных времен, годовых выпусков деталей, количество кругов и правящих инструментов, расходуемых на одном станке за год, а также стоимость круга и правящих инструментов, приходящихся на одну заготовку, для станков SASE-200, SASL-125/1, HPA-124, V-4 (см. табл. 27).

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОСНОВНЫЕ…

173

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

28. Основные данные для расчета экономической эффективности использования результатов исследований Станок (модель) SASL-125/1 HPA-124 V-4 Способ и техника подачи СОЖ УЗ УЗ УЗ УЗ Полив Полив Полив Полив техника техника техника техника 2 3 4 5 6 7 8 9 SASE-200

Показатель

1 Период стойкости круга τ c , мин Диаметр нового круга D1, мм Диаметр изношенного круга D2 , мм Расход круга за один цикл (одна правка и износ между правками) Z ∑1 , мм Суммарный износ круга Z ∑ 2 , мм Количество правок одного круга, nп Общее время работы круга τ 0 , мин Время одной правки τ2п , мин Время всех правок одного круга τ 3п , мин Машинное время Тм, мин Количество заготовок, обработанных одним кругом N1к, шт. Время правки, приходящееся на одну заготовкуτ 4 п , мин Экономия времени правки на одну заготовку τ 5п , мин Штучное время Тшт, мин Количество заготовок, обработанных на одном станке в год N1, шт. Стоимость круга Ц1, тыс. руб.

32,5

32,5

0,825

3,9

1,0

1,2

60

140

500

500

500

500

500

500

1060

1060

260

260

360

360

260

260

560

560

0,14

0,14

0,13

0,13

0,5

0,5

0,5

0,5

120

120

70

70

120

120

250

250

857

857

538

538

240

240

500

500

27852

27852

444

1950

240

288

30000

70000

5,0

5,0

4,2

4,2

5,2

5,2

4,83

4,83

4285

4285

2260

2260

1248

1248

2415

2415

0,8

0,4

0,025

0,025

10,0

6,0

1,67

1,67

34815

69630

17760

78000

24,0

48,0

17964

41916

0,123

0,061

0,127

0,029

52

26

0,134

0,058

-

0,062

-

0,098

-

26

-

0,076

1,47

0,73

0,182

0,074

70,3

37

3,05

2,97

2912

5534

67136

67136

6000,0

6000,0

450,0

450,0

139296 278592

1125082 2767095

240,0

320,0

240,0

320,0

Глава 7

174

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

1 2 Стоимость круга, 6,89 приходящаяся на одну заготовку Ц2 , руб. Стоимость правящего инструмента Ц1п, тыс. 318,0 руб. Количество кругов, расходуемых на од4,0 ном станке за год nк ∑ , шт. Количество правок, выполняемых одним правящим инструмен- 2,50 том n п , тыс. шт.

6

7

Окончание табл. 28 8 9

3

4

5

3,44

18,02

4,10

250000 125000

25,05

10,73

318,0

296,0

296,0

58000

5800,0

9200,0

9200,0

4,0

63

35

121

115

3,74

1,60

3,75

2,00

3,00

30,00

39,30

10,00

15,50

∑

Количество кругов, правку которых осу2,91 4,38 3,72 5,58 125 164 14,3 22,1 ществляет один правящий инструмент nкп, шт. Стоимость правящего инструмента, прихо3,12 1,14 4,48 0,68 19338 7380,7 25,6 7,07 дящаяся на одну заготовку Ц2п, руб. Срок службы одного 0,73 1,00 0,059 0,159 1,03 1,42 5,35 19,38 правящего инструмента Тп, год Примечание: ориентировочные цены правящих инструментов и шлифовальных кругов приведены по данным машиностроительных заводов, где проводились опытно-промышленные испытания, на январь 1997 г.

При расчете данных табл. 28 использованы следующие соотношения (обозначения см. в табл. 28): Z∑2 D1 − D2 ; nп = Z∑2 = ; ф0 = фc nп ; 2 Z ∑1 ф ф N1к = 0 ; ф4 п = 3п ; τ 3п = τ 2 п nп ; Tм N1к F з 60 Ц N N = до ; Ц 2 = 1 ; nк ∑ = ; Tшт N1к N1к Ц1п n∑ п ;T = , п Tп N nк ∑ ⋅ nп где Fдо – действительный годовой фонд работы станка (в расчетах для двухсменной работы Fдо = 4015 ч); η – коэффициент загрузки станка (η = 0,85).

n п nкп = ∑ ; nп

Ц 2п =

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОСНОВНЫЕ…

175

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Затраты*) на разработку рабочих проектов, изготовление и монтаж УЗ техники подачи СОЖ составляют от 5,5 до 8 млн. руб. (в зависимости от типа станка). В расчетах приняты: стоимость УЗ техники подачи СОЖ – 7 млн. руб. Годовая экономия Эги, Эгф и Э гt для заготовок, размеры которых указаны в табл. 28, приведена в табл. 29. Стоимость станкоминуты работы шлифовальных станков по данным АО УАЗ на январь 1997 г. составляла в среднем ориентировочно 2140 руб. При расчете Эгф и Э гt исходили из балансовой стоимости оборудования: станок SASE-200 – 100 млн. руб., SASL-125/1 – 120 млн. руб., НRA-124 – 540 млн. руб. 29. Сводные данные для расчета экономической эффективности УЗ техники подачи СОЖ в зоны шлифования и правки

Станок (модель)

Материал заготовки

SASE-200 SASL-125/1 HPA-124 V-4

Годовой выпуск деталей, тыс. шт. N1

Низколегированная 139269 сталь 30Х Титановый сплав 1125082 ВТ-16 Жаропрочный 2912 сплав ЦНК-7 Высокопрочный 67136 чугун ВЧ-50

Штучное время, мин

Экономия инструмента, руб. шлифо- правящих вальных инструкругов Эк ментов Эп

N2

Тшт1

Тшт2

278592

1,47

0,73

3,45

1,98

2767095

0,182

0,074

14,92

3,80

5534

70,3

37

125000

11956,8

67136

3,05

2,97

14,32

18,53

Экономические показатели внедрения результатов исследований представлены в табл. 30. Там же приводятся значения нормативного Ен и расчетного Ер коэффициентов сравнительной эффективности. Принят наименьший срок окупаемости Тн = 3 года (Ен = 0,33). Расчетный срок окупаемости дополнительных капитальных вложений Тр определен по зависимости T p = ∆K Э г . 30. Экономические показатели использования УЗ техники подачи СОЖ в зоны шлифования и правки Вид Модель Годовой экономический эффект шлифования станка обозначение млн. руб. Торцекруглое SASE-200 442,685 Эгt (совмещенное) Бесцентровое SASL690,775 Э гτ врезанием 125/1 Глубинное HPA-124 1140,440 Эгτ + Эгt Круглое наружV-4 13,627 Эги ное врезанием *)

По данным на январь 1997 г.

Показатели эффективности Тр, год Ер 0,01581

63,251

0,01013

98,717

0,00614

162,866

0,51369

1,947

176

Глава 7

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

На основании данных табл. 30 можно сделать следующие выводы: – во всех случаях экономические показатели операций шлифования заготовок из сталей, титановых и жаропрочных сплавов и чугуна, выполняемых на различных станках с использованием УЗ техники подачи СОЖ, намного лучше нормативных, что свидетельствует о высокой экономической эффективности новой технологии подачи СОЖ; – несмотря на возрастающую стоимость абразивных кругов и правящих инструментов, а также увеличение относительных затрат на их приобретение в технологической себестоимости шлифования заготовок, экономия, обеспечиваемая путем интенсификации режимов резания и сокращения тем самым машинного времени, превышает экономию, получаемую в результате сокращения расходов на правящий инструмент и шлифовальные круги. Однако экономия, получаемая в результате увеличения периода стойкости шлифовальных кругов и правящих инструментов и уменьшения тем самым штучного времени на обработку в сумме с экономией, получаемой в результате сокращения затрат на круги и правящий инструмент при шлифовании заготовок из труднообрабатываемых материалов (жаропрочные и титановые сплавы), превышает экономию, получаемую в результате сокращения машинного времени. Таким образом, чтобы с наибольшей экономической эффективностью использовать предлагаемые разработки в конкретных производственных условиях, следует предварительно выполнить экономические сопоставления по вышеизложенной методике. Использование УЗ техники подачи СОЖ, как показали результаты опытно-промышленных испытаний в условиях действующего производства на станках моделей ЗМ151, ЗТ161ЕИ, ЗМ153У, ЗЕ183А, ЗЕ184Е, ЗЛ722В, ЗЕ711ЕВ1, ЗЕ710В1, ЗК823В, ЛШ-220, ЛШ-233, ВТ92Ф2, станках фирм G.Magerle (Швейцария), ELB.SCHLIFF (Германия), Kikinda (Югославия), Matrix (Великобритания) и др. способствует увеличению периода стойкости шлифовальных кругов на керамической связке и алмазных правящих инструментов в 2 – 5 раз и более при сохранении или повышении производительности обработки, заданного качества и эксплуатационных характеристик шлифованных деталей. Техническая характеристика УЗ техники подачи СОЖ: 1. Концентрация механических примесей в СОЖ, г/дм3, не более 0,2 2. Тонкость очистки СОЖ, мкм 10 – 15 3 10 – 15 3. Расход СОЖ через УЗ насадок, дм /мин 4. Рабочее давление СОЖ в УЗ насадке, МПа 0,07 – 0,1 5. Количество УЗ насадков: при высоте круга до 25 мм 1 свыше 25 мм 2 6. Масса УЗ насадка в сборе, кг, не более 4 7. Ультразвуковой генератор – УЗУ-0,25 (мощность 250 Вт),Техма-01, Техма-02, Техма-03, Техма-04 (50 – 100 Вт)

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОСНОВНЫЕ…

177

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

8. Частота УЗК, кГц 18,6–19,5 9. Амплитуда УЗК насадка, мкм 4–5 Стоимость – не более 10 % от стоимости шлифовального оборудования. Срок окупаемости, лет – не более 1,1 – 1,5 Обобщенные данные по сравнительной технологической эффективности УЗ техники подачи СОЖ при правке кругов и шлифовании заготовок, полученные по результатам промышленных испытаний и внедрения в производство, представлены в табл. 31. 31. Сравнительная технологическая эффективность УЗ техники подачи СОЖ при шлифовании (по результатам внедрения или производственных испытаний)

Материал заготовки

Вид шлифования

Вид СОЖ

Период стойкости круга

τc

Шероховатость шли- Произвофованной дительповерхности ность Ra

Стали: 30Х HRC 55 Совмещенное Эмульсия 10 – 15 0,5 – 0,9 1,1 – 1,3 20Х2НМ HRC 58 Круглое наружное Эмульсия 4,4 – 5,0 0,5 – 0,6 1,0 – 1,1 30ХГСН2А Бесцентровое Эмульсия 19,5 – 20,0 0,4 – 0,5 1,1 – 1,15 HRC 45...48 30ХГСА HRC 45..48 Бесцентровое Эмульсия 8,8 – 9,5 0,8 – 0,85 1,1 – 1,12 40ХН2МА HRC 48 Бесцентровое Эмульсия 7,8 – 8,0 0,8 – 0,85 1,1 – 1,15 16Х11Н2В2МФ Бесцентровое Эмульсия 6,0 – 6,5 0,9 – 0,95 1,0 – 1,15 HRC 45...48 ХВГ HRC 60…62 Резьбошлифование Эмульсия 2,2 – 2,5 0,95 – 1,0 1,0 – 1,1 40Х9С2 (в состоФасонное Эмульсия 2,5 – 2,6 0,95 – 1,0 1,1 – 1,15 янии поставки) 50Х20Г9АН4 (в соФасонное Масло 1,6 – 1,7 0,95 – 1,0 1,0 – 1,1 стоянии поставки) 18Х2Н4МА НВ 269 Фасонное Эмульсия 2,5 – 3,0 0,8 – 0,9 1,1 – 1,15 Р18 HRC 63 Плоское Эмульсия 3,0 – 3,5 0,7 – 0,8 1,1 – 1,2 Р6М5 HRC 64 Плоское Эмульсия 3,0 – 3,2 0,75 – 0,8 1,1 – 1,15 Высокопрочный Полусинте2,5 – 2,8 0,9 – 1,0 1,1 – 1,15 чугун ВЧ50 (в со- Круглое наружное тическая стоянии поставки) Жаропрочные сплавы: ВЖ98 (в состояПолусинтеКруглое наружное 2,8 – 3,0 0,7 – 0,9 1,1 – 1,2 нии поставки) тическая ЦНК7 (в состояГлубинное Эмульсия 2,0 – 2,2 0,8 – 1,0 1,4 – 2,4 нии поставки) ЖС6К-ВИ (в соПлоское глубинное Эмульсия 4,0 – 4,2 0,85 – 0,9 1,3 – 1,5 стоянии поставки) Титановый сплав ПолусинтеБесцентровое 6,4 – 7,0 0,7 – 0,75 1,1 – 1,2 ВТ16 HRC 33…38 тическая Примечание. Значения технологических показателей приведены в относительных величинах: за единицу приняты значения, полученные при шлифовании с подачей СОЖ поливом или напорной (до 1 МПа) струей к зоне обработки

178

Глава 7

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

7.4. Выводы

1. Представлена методика расчета основных элементов устройств новой УЗ техники, рекомендуемой к применению на операциях механической обработки заготовок из различных материалов на металлорежущих станках без существенной модернизации. 2. Источниками экономической эффективности использования в промышленности результатов исследований являются: – увеличение периода стойкости режущих, шлифовальных кругов, алмазных правящих инструментов, алмазных выглаживателей; – сокращение числа переточек и правок формообразующих инструментов; – сокращение потребного числа формообразующих инструментов; – интенсификация режима обработки и повышение производительности труда. 3. Наибольший экономический эффект обеспечивает интенсификация режима обработки. Наибольшая суммарная экономия средств достигается в результате увеличения периода стойкости формообразующих инструментом, инструментов для правки и переточки и сокращения затрат на их приобретение.

6 СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ а.з. СНВС КМ СОЖ СОТС УЗ УЗК А Аs Е Кп Кр КN М П Па Цд а1 , а2 , аж

– абразивное зерно; – струйно-напорный внезонный способ; – композиционные материалы; – смазочно-охлаждающая жидкость; – смазочно-охлаждающее технологическое средство; – ультразвуковой (-ая, -ые); – ультразвуковые колебания; – амплитуда волны, м; – площадь сечения пористого шлифовального круга, м2; – модуль Юнга, Па; – коэффициент проницаемости круга, м2; – коэффициент режущей способности круга, мм3/мин; – удельная мощность шлифования, Вт⋅мин/мм3; – число Маха; – пористость круга; – активная пористость шлифовального круга; – стоимость обработки заготовки, руб.; – соответственно, температуропроводность правящего инструмента, круга и СОЖ, Вт/(м⋅К); С – удельная теплоемкость, Дж/(кг⋅К); Са, Св, Cж, – соответственно, удельная теплоемкость абразива, воздуха, жидкости, заготовки, круга, алмаза, Дж/(кг⋅К); Сз, Ск, Сал – удельная теплоемкость вещества, заполняющего поры круга, Сп Дж/(кг⋅К); – соответственно, удельная теплоемкость при постоянном давлеСр , Сv нии и объеме, Дж/(кг⋅К); – технологическая себестоимость, руб.; Ст – молярная теплоемкость, Дж/(моль⋅К); Сµ – скорость звука в среде распространения колебаний, м/с; с – соответственно диаметр круга и правящего ролика, м; Dк , Dp – эквивалентный диаметр правящего инструмента, м; d – соответственно диаметр алмазного зерна, заготовки, круга, м; da, dз, dк – диаметр окружности круга, на которой расположен клиновой d1 полуоткрытый насадок, м; – модуль упругости зерен шлифовального круга и правящего инЕ1 , Е2 струмента, Н/м2; – номинальная площадь контакта круга с алмазом и а.з. с алмазом, Fк , Fн м2; Fo – критерий Фурье;

7 fr fт Gж Gc Gr Gж r, Gжϕ Нк, Нр h ha hк h0 hои J k L lш m ma Nu P Pa, Pн Рп Рr Рs Ру, Рz, Рх Рак, Рс, Рж Руп, Рzn Р1, Р2 Q, Qa, Qк Qм Qc Qк1

– частота, Гц; – коэффициент трения; – массовый расход СОЖ, кг/с; – массовый расход СОЖ через контактную зону, кг/с; – число Грасгофа; – соответственно, массовый расход СОЖ в радиальном и касательном направлениях, кг/с; – соответственно, высота круга и правящего ролика, м; – толщина пропитки круга жидкостью, м; – высота алмазного зерна, м; – высота подъема жидкости в капилляре, м; – минимальная толщина слоя смазки безотрывного течения, м; – высота подъема, определяемая силами поверхностного натяжения, м; – интенсивность излучения, Вт/м2; – волновое число; – скрытая теплота парообразования, Дж/кг; – ширина шлифования заготовки, мм; – глубина модуляции, %; – масса абразива, удаляемая с поверхности круга в единицу времени при правке, кг/с; – число Нуссельта; – гидростатическое давление в жидкости, Па; – соответственно, давление атмосферное и насыщенных паров, Па; – периметр алмаза, м; – число Прандтля; – давление на выходе из торцевого клинового полуоткрытого насадка, Па; – соответственно, радиальная, касательная и осевая составляющие силы резания, Н; – соответственно, относительная объемная концентрация в круге абразива, связки, СОЖ; – соответственно, радиальная и касательная составляющие силы правки, Н; – соответственно, давление СОЖ на входе и на выходе из круга, Па; – соответственно, тепловой поток, выделяемый в зоне контакта, отводимый в правящий инструмент и шлифовальный круг, Вт; – объем снятого материала при шлифовании, мм3; – объемный расход СОЖ, м3/с; – тепловой поток, поглощаемый СОЖ, находящейся на периферии

8 Qк2 Qтх Qar qv q c, q a ql Rа Rе Rк, Rp, Rз R0 Rн Rп Ra Rn max, Rn min ra Тa Т в, Т ж Тк, Т0, Тс, Тs Тал, Ткр Тfj t tf tw V Vз Vк, Vp Vс V0

шлифовального круга, Вт; – тепловой поток, передаваемый вглубь круга, Вт; – тепловой поток, передаваемый вглубь алмаза за счет теплопроводности, Вт; – тепловой поток, отводимый с боковых поверхностей алмаза за счет теплоотдачи, Вт; – объемная плотность теплового потока внутренних источников тепла, Вт/м3; – соответственно, поверхностная плотность теплового потока в связке и в алмазе, Вт/м2; – линейная плотность теплового потока внутренних источников тепла, Вт/м; – среднее арифметическое отклонение профиля, мкм; – число Рейнольдса; – соответственно, радиус круга, алмазного ролика и заготовки, м; – начальный радиус каверны, м; – радиус расположения насадка на торце круга, м; – приведенный радиус, м; – число Рэлея; – соответственно, максимальный и минимальный радиус пузырька, м; – радиус алмазного зерна правящего инструмента, м; – число Тейлора; – соответственно, температура воздуха и СОЖ, К; – соответственно, температура контакта, на поверхности отверстия в круге, связки, кипения СОЖ, К; – соответственно, температура алмаза и шлифовального круга, К; – температура окружающей cреды (воздух, СОЖ), соприкасающейся с поверхностью круга, К; – текущая температура, К; – средняя температура воздуха в замкнутом пространстве кожуха круга, К; – температура поверхности правящего инструмента в рассматриваемом сечении по оси Y, К; – полный объем шлифовального круга, м3; – окружная скорость заготовки, м/мин; – соответственно, рабочая скорость круга и правящего ролика, м/с; – относительная объемная концентрация связки в двухкомпонентной системе «связка–абразив»; – скорость движения жидкости в порах под действием УЗК в начальный момент времени, м/с;

9 3

– объем пор шлифовального круга, м ; – приведенная скорость правки, м/с; – соответственно, скорость врезной, врезной максимальной подачи круга и ролика, мм/мин; – скорость продольной подачи стола, м/мин; Vs – гидродинамическая скорость cреды, м/с; Vrc – соответственно, скорость фильтрации СОЖ сквозь поры круга в Vr, Vϕ радиальном и касательном к радиусу направлениях, м/с; – средний объем СОЖ, поглощаемой единицей объема круга, м3; Wср – вязкостный коэффициент гидравлического сопротивления, 1/м2; αв – коэффициент теплоотдачи от окружающей cреды (СОЖ, воздух) αс к поверхности круга, Вт/(м2 ⋅ К) – коэффициент термического расширения, 1/К; αт – инерционный коэффициент гидравлического сопротивления, βи 1/м; – коэффициент объемного расширения воздуха, 1/К βт – зазор между волноводом и капилляром, м; δк о – краевой угол смачивания, град; θ – теплопроводность, Вт/(м ⋅ К) λ – соответственно, теплопроводность алмаза, воздуха, заготовки, λ а , λ в, λ з , жидкости, связки правящего инструмента, Вт/(м⋅К) λж, λс – длина волны, м; λу – соответственно, теплопроводность правящего инструмента, круλ1, λ2, λак, λск, λко, λкп, га, абразивных зерен, связки круга, корпуса алмазного правящего инструмента, пористого круга, эффективная теплопроводность λкε, λса пористого круга, теплопроводность двухкомпонентной системы «связка–абразив», Вт/(м⋅К); – динамический коэффициент вязкости, Па ⋅ c; µ – динамическая (вторая) объемная вязкость, Па ⋅ с; µ0 – кинематическая вязкость СОЖ, м2/с; ν – коэффициент Пуассона для алмаза; νа – плотность, кг/м3 ρ – поверхностное натяжение, Н/м; σ0 – соответственно, предел прочности при растяжении и сжатии, Па; σр, σс – период стойкости круга, мин; τс – количество тепла, поступающего в алмаз, Дж; Ωа Ω1, Ω2, Ω3, – соответственно, доля тепла, поступающего в правящий инструмент, круг, шлам и окружающую среду. Ω4 Vп Vпр Vt, Vtт, Vtп

10 ВВЕДЕНИЕ Попытки использования энергии ультразвукового (УЗ) поля для интенсификации процессов механической обработки известны с конца 30-х годов ХХ века. Характерной особенностью современного состояния физики и техники ультразвука является многообразие его применений, охватывающих частотный диапазон от слышимого порога до частот в несколько мегагерц и область мощностей от долей милливатт до десятков киловатт с использованием модуляции колебаний по амплитуде, частоте и фазе. Малость длины волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Благодаря этому начинает широко применяться фокусирование УЗ волн посредством акустических линз, рефлекторов и излучателей вогнутой формы. Последнее позволяет концентрировать звуковую энергию, получая в среде высокие значения интенсивности звука, которых на поверхности традиционных излучателей колебаний получить невозможно. Современные фокусирующие системы позволяют формировать заданные характеристики направленности ультразвуковых колебаний (УЗК) и управлять ими. Из основных эффектов и путей использования энергии УЗ поля при механической обработке выделим: – кавитацию – возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью; – звукокапиллярный эффект – аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры и узкие щели под действием УЗК; – эффект снижения трения и увеличения пластичности как при параллельной, так и при нормальной ориентации колебательных смещений относительно граничной поверхности; – УЗ распыление жидкости в колеблющемся с УЗ частотой слое или в УЗ фонтане на высоких частотах (десятков килогерц в слое, на частотах мегагерцевого диапазона в фонтане). Учитывая, что к середине 70-х годов ХХ века были установлены практически все физические основы действия УЗК на вещество, в настоящей работе рассмотрены в основном новые методы использования энергии УЗ поля при механической обработке заготовок, отличающиеся малыми энергозатратами и высокой эффективностью при таких стесненных и напряженных процессах как шлифование заготовок и правка абразивных кругов алмазными инструментами, глубокое сверление маломерных отверстий, алмазное выглаживание. В основу данной работы положены результаты НИР и ОКР, выполненных на кафедре «Технология машиностроения» Ульяновского государственного технического университета под руководством и с участием автора канд. техн. наук, доцентом А. Н. Уняниным, канд. техн. наук В. Н. Ковальноговым, ст. преподавателем Ж. К. Джавахия, инженерами В. И. Деревянко, И. Г. Лейбелем и А. С. Черабаевым, аспирантами М. В. Табеевым, А. А. Яшиным, магистрами техники и технологии А. В. Маттисом, Д. Е. Подопригоровым, Д. В. Тартасом и др. Автор выражает искреннюю благодарность Заслуженному деятелю науки и техники РФ, докт. техн. наук, профессору Л. В. Худобину за поддержку и полезное обсуждение отдельных вопросов работы.

Рис. 15. Принципиальная электрическая схема УЗ генератора ТЕХМА-01

Рис. 16. Принципиальная электрическая схема УЗ генератора ТЕХМА-03

Рис. 17. Принципиальная электрическая схема УЗ генератора ТЕХМА-04

179 –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. А.с. 111390. СССР, МКИ В 24 в 55/02, 53/00. Устройство для гидроочистки шлифовального круга / А.М. Федотов (СССР). Опубл. 23.12.57. Бюл. № 12. 2. А.с. 554145. СССР, МКИ В 24 в 55/02. Устройство для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей / Л.В. Худобин, Е.С. Киселев, В.Ф. Гурьянихин и др. (СССР), № 2106805/08; Заявл. 18.12.75; Опубл. 15.04.77, Бюл. № 14. 3. А.с. 1266717. СССР, МКИ В 24 в 53/14. Устройство для непрерывной правки шлифовального круга / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, А.С. Черабаев (СССР). № 3905654/25-08; Заявл. 30.05.85; Опубл. 30.10.86; Бюл. № 40. 4. Байкалов А.К., Сукенник И.Л. Алмазный правящий инструмент на гальванической связке. Киев: Наукова Думка, 1976. 204 с. 5. Барке В.Н., Лифшиц А.Л. Современное состояние и тенденция развития ультразвуковой обработки материалов // В кн. «Современные направления в области технологии машиностроения». М.: Машгиз, 1957. 6. Белов С.В. Пористые материалы в машиностроении. М.: Машиностроение, 1981. 248 с. 7. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Иностранная литература, 1957. 728 с. 8. Блох А.М. Структура воды и геологические процессы. М.: Наука, 1969. 526 с. 9. Братухин А.Г. Композиционные материалы в Российской гражданской авиатехнике // Вестник машиностроения. 1997. № 7. С. 25 – 31. 10. Валеев С.Г. Регрессионное моделирование при обработке данных. Казань: ФЭН. 2001. 296 с. 11. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер В.С. Резание металлов. Термомеханистический подход к системе взаимосвязей при резании. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 448 с. 12. Виноградов Д.В. Применение смазочно-охлаждающих технологических сред при резании металлов // Справочник. Инженерный журнал. 2001 – № 7. С. 61 – 64; № 9. С. 39 – 42; № 12. С. 38 – 41. 2002 – № 1. С. 44 – 51; № 4. С. 46 – 53. 13. Гершгал Д.А., Фридман В.М. Ультразвуковая технологическая аппаратура. М.: Энергия, 1976. 320 с. 14. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т.М. Башта, С.В. Руднев, Б.Б. Некрасов и др.: М.: Машиностроение, 1988. 424 с. 15. Глузман А.Л. Исследование эффективности магнитной и ультразвуковой активации СОЖ при алмазно-эльборовом шлифовании деталей из сталей и

180

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

специальных сплавов: Дис. ... канд. техн. наук: 05.02.08 / УлПИ, Ульяновск. 1976. 229 с. 16. Дрожалова В.И., Артамонов Б.А. Ультразвуковая пропитка деталей. М.: Машиностроение, 1980. 41 с. 17. Ефимов В.В. Модель процесса шлифования с применением СОЖ. Саратов: Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1992. 132 с. 18. Ефимов В.В. Научные основы техники подачи СОЖ при шлифовании. Саратов: Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1985. 140 с. 19. Зарембо Л.Н., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. М.: Наука, 1966. 519 с. 20. Зельдович Я.Б., Райдер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1963. 562 с. 21. Злочевская Р.И. Связанная вода в глинистых грунтах. М.: Наука, 1969. 88 с. 22. Исследование закономерностей процессов абразивной и алмазной обработки с целью оптимизации технологических условий резания и характеристик инструментов: Отчет по теме / Т. 1, 2. Тольяттинский политехнический институт; Науч. руков. темы В.И. Пилинский, № ГР 01830072576. Инв. № 02860061911. Тольятти. 1985. 215 с. 23. Источники мощного ультразвука / Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1967. 380 с. 24. Камолс А.Я., Рудзит Н.А. Исследование вида контакта шероховатых поверхностей // Контактная жесткость в приборостроении и машиностроении. Рига: Рижский политехн. инст., 1979. С. 18 – 19. 25. Кащук В.А., Верещагин А.Б. Справочник шлифовщика. М.: Машиностроение, 1988. 480 с. 26. Киселев Е.С., Джавахия Ж.К., Унянин А.Н. Влияние состава и способа подачи СОЖ на качество и эксплуатационные характеристики шлифованных деталей // Станки и инструмент. 1985. № 6. С. 49 – 51. 27. Киселев Е.С. Исследование возможности интенсификации движения СОЖ сквозь поры абразивного круга наложением УЗК // Смазочно-охлаждающие технологические средства в процессах обработки заготовок резанием. Сб. науч. тр. Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 1996. С. 56 – 62. 28. Киселев Е.С., Кобелев С.А. Повышение эффективности совмещенного шлифования наложением ультразвуковых колебаний на технологическую жидкость // Исследования в области технологии машиностроения. Механическая обработка и сборка: Межвуз. сб. науч. тр. Тула: Изд-во ТПИ, 1994. С. 122 – 126. 30. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Теплофизический анализ концентрированных операций шлифования. Ульяновск: УлГТУ, 2002, 140 с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

181

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

31. Киселев Е.С., Лейбель И.Г. Новый технологический процесс шлифования титановых и стальных заготовок на основе рационального применения СОЖ // В кн.: Научно-технические достижения. М.: ВИМИ, 1987. Вып. 4. С. 22 – 27. 32. Киселев Е.С., Подопригоров Д.Е., Кирнасов Т.Г. Алмазное выглаживание стальных заготовок с использованием энергии модулированного УЗ поля // Вестник УлГТУ. 2002. № 1. 81 – 85. 33. Киселев Е.С. Ресурсосберегающие экологически чистые технологии изготовления деталей машин // Сб. трудов междунар. научно-практической конференции ПРОТЭК’2002. Т. 1. М.: МГТУ «Станкин», 2002. С. 287 – 294. 34. Киселев Е.С. Теплофизика правки шлифовальных кругов с применением СОЖ. Ульяновск: УлГТУ, 2001, 170 с. 35. Киселев Е.С., Самсонов А.Н., Семенов С.В. Новые устройства для подачи СОЖ гидроаэродинамическим способом // Труды Ульяновского политехнического института. Т. Х, вып. 1. Машиностроение. Куйбышев: КПИ, 1976. С. 3 – 9. 36. Киселев Е.С., Унянин А.Н., Ковальногов В.Н. Эффективность применения новой ультразвуковой техники подачи СОЖ при совмещенном и фасонном шлифовании // Вестник машиностроения. 2001. № 1. С. 48 – 50. 37. Киселев Е.С., Унянин А.Н., Лейбель И.Г. Фрикционное взаимодействие трущихся тел, обработанных с применением технологических жидкостей // Смазка и резание металлов. Межвуз. сб. науч. тр. Иваново: Изд-во Ив. гос. унта, 1986. С. 109 – 118. 38. Киселев Е.С., Унянин А.Н., Моисеев Ю.Н. Новая техника подачи технологической жидкости при совмещенном шлифовании // Вестник машиностроения. 1984. № 6. С. 56 – 57. 39. Киселев Е.С., Унянин А.Н. Новая техника подачи СОЖ в зону шлифования // В кн.: Научно-технические достижения. М.: ВИМИ, 1987, вып. 4. С. 27 – 31. 40. Киселев Е.С., Унянин А.Н. Применение СОЖ при абразивной отрезке заготовок из боралюминиевых сплавов // Чистовая обработка материалов резанием. М.: МДНТП. 1980. С. 67 – 72. 41. Киселев Е.С., Унянин А.Н. Рациональное применение технологических жидкостей при совмещенном шлифовании // Физико-химия процессов резания металлов: Межвуз. сб. науч. тр. Чебоксары: Изд-во Чув. гос. ун-та, 1986. С. 115 – 120. 42. Киселев Е.С., Унянин А.Н. Технологическая эффективность устройства для подачи СОТС в виде мелкодисперсной аэрозоли при механической обработке // Вестник машиностроения. 1995. № 11. С. 41 – 44.

182

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

43. Киселев Е.С., Унянин А.Н. Эффективность ультразвуковых устройств для подачи СОЖ при шлифовании заготовок и правке абразивных кругов // СТИН. 1995. № 2. С. 24-28. 44. Кобелев С.А., Гурьянихин В.Ф. К вопросу проектирования ультразвуковых устройств для подачи СОЖ на торцы шлифовального круга // Теоретические и практические аспекты теории контактных взаимодействий при резании металлов. Межвуз. науч. сб. Чебоксары: Изд-во Чув. гос. ун-та, 1988. С. 47 – 51. 45. Кобелев С.А. Применение ультразвуковой техники подачи технологических жидкостей для повышения эффективности обработки заготовок шлифованием: Дис. канд. техн. наук: 05.02.08. Ульяновск: УлПИ, 1987. 270 с. 46. Коновалов Е.Г., Юткин В.В., Кружелев В.М. Экспериментальное исследование движения жидкости в цилиндрических каналах в ультразвуковом поле // Весцi: АН БССР. 1971. № 4. С. 121– 124. 47. Кравченко Б.А., Кравченко А.Б. Физические аспекты теории процесса резания металлов. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2002. 167 с. 48. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с. 49. Кумабэ Д. Вибрационное резание / Перевод с яп. С.Л. Масленникова; Под ред. И.И. Портнова и В.В. Белова. М.: Машиностроение, 1985. 424 с. 50. Кутателадзе С.С., Боришанский М.В. Справочник по теплопередаче. М., Л.: Госэнергоиздат, 1959. 340 с. 51. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: Гостехиздат, 1954. 628 с. 52. Латышев В.Н. Повышение эффективности СОЖ. М.: Машиностроение, 1985. 64 с. 53. Марков А.И. Влияние вынужденных ультразвуковых колебаний малой амплитуды на процесс резания металлов // В кн. «Развитие теории и практики внедрения ультразвуковой технологии в машиностроении». М.: Машиностроение, 1965. С. 126 – 136. 54. Марков А.И. Кинематика процесса резания при возбуждении ультразвуковых колебаний инструмента // Ультразвуковая техника. 1964. № 3. С. 22 – 23. 55. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. М.: Машиностроение, 1968. 266 с. 56. Металлография титановых сплавов. М.: Металлургия, 1980. 432 с. 57. Муханов И.И., Голубев Ю.М. Поверхностный слой стальных деталей машин после ультразвуковой чистовой и упрочняющей обработки // Металловедение и термическая обработка металлов. 1969. № 9. С. 25. 58. Нерубай М.С. Исследование эффективности ультразвуковых колебаний инструмента при обработке жаропрочных и титановых сплавов // В кн.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

183

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

«Обрабатываемость жаропрочных и титановых сплавов. Труды КуАИ». Вып. ХVIII. Куйбышев: Куйбышевское книжное изд-во, 1963. С. 15 – 27. 59. Нерубай М.С. Повышение эффективности механической обработки труднообрабатываемых материалов путем применения ультразвука. Автореф. дис. ... докт. техн. наук / КПИ, Куйбышев. 1989. 35 с. 60. Нерубай М.С. Резание жаропрочных и титановых сплавов с помощью ультразвука. Куйбышев: Куйбышевское книжное изд-во, 1964. 46 с. 61. Нерубай М.С. Физико-механические методы обработки. Куйбышев: КуАИ, 1979. 92 с. 62. Общесоюзные нормы допускаемых индустриальных радиопомех. Промышленные, научные, медицинские и бытовые высокочастотные установки. Допускаемые значения и методы испытаний. Нормы 5-89. М.: Изд-во Государственной комиссии по радиочастотам СССР, 1989. 40 с. 63. Патент RU 806387 С1 В24 в 55/02. Устройство для подачи смазочноохлаждающих жидкостей / Л.В. Худобин, С.А. Кобелев, Е.С. Киселев (Россия). № 2774159/25-08; Заявл. 30.05.79, опубл. 23.02.80, Бюл. № 7. 64. Патeнт RU 2008166 С1 В24 в 29/00 В24 в 55/02 // Способ охлаждения / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, Е.В. Герасин (Россия). № 5038753/08; Заявл. 23.03.93; Опубл. 28.02.94; Бюл. № 4. 65. Патeнт RU 2151042 С1 7В24 в 53/07 1/04 55/02 // Способ гидроочистки рабочей поверхности шлифовального круга / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, В.И. Деревянко, И.Г. Лейбель, А.В. Семенов (Россия). № 97104957/02; Заявл. 28.03.97; Опубл. 20.06.00; Бюл. № 17. 66. Патeнт RU 2151043 С1 7В24 в 53/07 1/04 55/02 // Способ гидроочистки рабочей поверхности шлифовального круга / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, В.И. Деревянко, И.Г. Лейбель, А.В. Семенов (Россия). № 97104958/02; Заявл. 28.03.97; Опубл. 20.06.00; Бюл. № 17. 67. Патент RU 2151044 С1 7В24 в 1/04 55/02. Способ подачи смазочноохлаждающей жидкости / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, В.И. Деревянко, В.Н. Ковальногов, А.В. Семенов (Россия). № 98103610/02. Заявл. 27.02.98. Опубл. 20.06.00. Бюл. № 17. 68. Патент RU 2152297 С1 7В24 в 55/02. Способ подачи смазочноохлаждающей жидкости / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, В.И. Деревянко, В.Н. Ковальногов, А.В. Семенов (Россия). № 98116975/02. Заявл. 11.09.98. Опубл. 10.07.00. Бюл. № 19. 69. Патент RU 2170654 С1 7В24 в 39/00. Способ упрочнения деталей поверхностно-пластическим деформированием / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, А.В. Маттис (Россия). № 99124077/02. Заявл. 16.11.99. Опубл. 20.07.01. Бюл. № 20. 70. Патент RU 2203782. С1 7В23 Q 11/11. Способ обработки отверстий осевым инструментом с наложением ультразвуковых колебаний / Е.С. Киселев,

184

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

М.В. Табеев (Россия). № 2002100936. Заявл. 08.01.02. Опубл. 10.05.03. Бюл. № 13. 71. Патент RU 2203790. С1 7В23 Q 11/10. Способ подачи смазочноохлаждающих жидкостей при обработке отверстий / Е.С. Киселев, М.В. Табеев (Россия). № 2002100933/02. Заявл. 08.01.02. Опубл. 10.05.03. Бюл. № 13. 72. Петрова В.Д., Татаринов А.С. Механическая обработка в среде охлажденного ионизированного воздуха // Проблемы эксплуатации инструмента в металлообрабатывающей промышленности. Материалы семинара. М.: Изд-во центр. рос. дома знаний. 1992. С. 124 – 130. 73. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. М.: Машиностроение, 1970. 352 с. 74. Подураев В.Н., Суворов А.А., Овсепян Г.С. Улучшение охлаждающих свойств СОЖ при возбуждении ультразвуковых колебаний // Станки и инструмент. 1975. № 6. С. 31 – 32. 75. Применение ультразвука при алмазном выглаживании / Марков А.И., Чураев А.М., Гасилин В.Н. и др. // Вестник машиностроения. 1973. № 9. С. 57 – 66. 76. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах: избранные труды // Физико-химическая механика. М.: Наука, 1979. 381 с. 77. Розенберг Л.Д. Звуковые фокусирующие системы. М. – Л.: Гостехиздат, 1949. 362 с. 78. Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин. М.: Машиностроение, 1966. 640 с. 79. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием. Справочник / Под ред. С.Г. Энтелиса и Э.М. Берлинера. М.: Машиностроение, 1995. 436 с. 80. Солуян С.И., Хохлов Р.В. Распространение акустических волн конечной амплитуды в диссипативной среде // Вестник МГУ. Серия III. Физика и астрономия. 1961. № 52. С. 29 – 32. 81. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов. М.: Машиностроение, 1979. 216 с. 82. Теплофизика механической обработки / А.В. Якимов, П.Т. Слободяник, А.В. Усов и др. Одесса: Лыбидь, 1989. 240 с. 83. Термодинамика и теплопередача / А.В. Болгарский, Г.А. Мухачев, В.К. Щукин и др. М.: Высшая школа, 1975. 495 с. 84. Технологические свойства новых СОЖ для обработки резанием / Под ред. М.И. Клушина. М.: Машиностроение, 1979. 192 с. 85. Титановые сплавы в машиностроении / Под ред. Г.И. Капырина. Л.: Машиностроение, 1979. 248 с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

185

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

86. Трение, изнашивание и смазка: Справочник / Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1978. Кн. 1. 400 с. 87. Ультразвуковое резание / Л.Д. Розенберг, В.Ф. Казанцев, Л.О. Макаров и др. М.: Машиностроение, 1962. 364 с. 88. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под ред. И.П. Голяминой. М.: Советская энциклопедия, 1979. 400 с. 89. Унянин А.Н. Повышение эффективности совмещенного шлифования путем рационального применения технологических жидкостей. Дис. ... канд. техн. наук: 05.02.08. – Ульяновск: УлПИ, 1986. 228 с. 90. Унянин А.Н., Тартас Д.В., Киселев Е.С. Эффективность эльборового шлифования с очисткой рабочей поверхности круга // В кн.: Технический вуз – наука, образование и производство в регионе. Материалы всероссийской научно-технической конференции. Ч. 2. Тольятти: ТолГУ, 2001. С. 91 – 96. 91. Устранение прижогов и трещин путем применения оптимального метода охлаждения при шлифовании / Д.Н. Троицкая, Н.В. Умнова, Е.С. Киселев и др. // Технология автомобилестроения. 1981. № 11. С. 17 – 19. 92. Физические основы ультразвуковой технологии / Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1970. 688 с. 93. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н. Ультразвуковая размерная обработка материалов. Барнаул: Алт. гос. техн. ун-т, 1997. 120 с. 94. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве. Барнаул: Алт. гос. техн. ун-т, 1997. 160 с. 95. Хорбенко И.Г. Ультразвук в машиностроении. М.: Машиностроение, 1974. 280 с. 96. Худобин И.Л. О демпфирующем действии СОЖ при шлифовании // Вестник машиностроение. 1981. № 5. С. 55 – 57. 97. Худобин Л.В., Киселев Е.С. Использование ультразвуковых колебаний давления смазочно-охлаждающих жидкостей для интенсификации процессов правки кругов и шероховатости заготовок // В кн.: Резание и инструмент в технологических системах. Международный научно-технический сборник. Харьков: Изд-во ХГПУ, 1995–96. Вып. 50. С. 200 – 204. 98. Худобин Л.В., Киселев Е.С., Кобелев С.А. Совмещенное шлифование с наложением ультразвуковых колебаний на СОЖ // Станки и инструмент. 1981. № 3. С. 50 – 53. 99. Худобин Л.В., Киселев Е.С. Повышение эффективности скоростного шлифования путем использования некоторых гидроаэродинамических явлений при подаче СОЖ к торцам круга // В кн.: Повышение эффективности технологических процессов машиностроения. Межвуз. сб. науч. тр. Пермь: Изд-во ППИ, 1980. С. 8 – 12.

186

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

100. Худобин Л.В. Смазочно-охлаждающие средства, применяемые при шлифовании. М.: Машиностроение, 1971. 214 с. 101. Худобин Л.В., Унянин А.Н., Киселев Е.С. Эффективность применения техники подачи СОЖ при совмещенном шлифовании // Вестник машиностроения. 1987. № 7. С. 64 – 67. 102. Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. Л.: Машиностроение, 1982. 248 с. 103. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. М.: Высшая школа, 1980. 240 с. 104. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1965. 848 с. 105. Ящерицын П.И., Зайцев А.Г. Повышение качества шлифования и режущих свойств абразивно-алмазного инструмента. Минск: Наука и техника, 1972. 480 с. 106. Ящерицын П.И., Караим И.П. Шлифование с подачей СОЖ сквозь поры круга. Минск: Наука и техника, 1974. 256 с. 107. Ящерицын П.И., Попов С.А., Наерман М.С. Прогрессивная технология финишной обработки деталей. Минск: Беларусь, 1978. 176 с. 108. Beyer R.T. Physical acoustics. V. 11, pt. B. N. Y. London. 1965. 382 p. 109. Darcy H. Les fontainer publignes de la Ville de Dijon. Paris: Dalmont, 1956. 24 p. 110. Galloway. Some experiments on the influence of various parameters on drill performance. Trans. of the ASME, 1957. № 2. 111. Wardeisner E.D. Journal of the Acoustical Society of America. 1963. № 9. р. 1367 – 1381. Учебное издание КИСЕЛЕВ Евгений Степанович Интенсификация процессов механической обработки использованием энергии ультразвукового поля Учебное пособие Редактор М. В. Леонова Подписано в печать 03.09.2003. Формат 60×84/16. Бумага писчая. Печать трафаретная Усл. печ. л. 10,93. Уч.-изд. л. . Тираж 300 экз. Заказ Ульяновский государственный технический университет 432027, Ульяновск, Северный Венец, 32 Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Северный Венец, 32