Киселёв Е.С. Теплофизика правки шлифовальных кругов с применением СОЖ

Подождите немного. Документ загружается.

Проанализировав условия шлифования, В.В.Ефимов [36] пришел к выводу, что

СОЖ, находящаяся в зоне контакта круга c заготовкой, проявляет диспергирующее

действие. При этом он исходил из того, что скорость движения заготовки

соответст-

вует скоростям, присущим лезвийному резанию, где наличие эффекта пластифициро-

вания и адгезионного понижения прочности доказано [36]. На наш взгляд, такая анало-

гия неправомерна. Дело в том, что скорость резания при шлифовании определяется не

скоростью движения заготовки, а рабочей (окружной) скоростью шлифовального кру-

га. Учитывая, что скорость распространения деформации в сплавах железо - углерод

(стали) составляет 5140

−

5240 м/с [132], а окружная скорость круга

≥

35 м/с, адсорб-

ционное понижение прочности при шлифовании будет проявляться далеко не в той

мере, как при лезвийной обработке, где скорость резания составляет 0,5

−

1,5 м/с. Если же

в качестве деформируемого объекта выступает алмаз, скорость распространения де-

формаций в котором на порядок выше, чем в сталях (

деф

= (5,1

−

5,3)

⋅

м/с), то при

наличии СОЖ в зоне контакта круга с правящим инструментом эффект адсорбционно-

го понижения прочности и пластифицирования может иметь место гораздо в большей

степени, чем при шлифовании. Возможно, этими причинами объясняется проявление

способности к макроскопически заметной пластической деформации у алмаза при по-

даче жидкости в зону контактного взаимодействия [19, 97, 98].

Так как шлифовальный круг и правящий инструмент являются твердыми телами,

поглощение теплоты смазочно-охлаждающей технологической средой (СОТС) (твер-

дый или пластичный смазочный материал, жидкость или газ) осуществляется путем

конвективного теплообмена, интенсивность которого пропорциональна величине ко-

эффициента теплообмена (теплопередачи). Последний зависит главным образом от те-

плофизических и скоростных характеристик среды [143]. В наибольшей степени на не-

го оказывают влияние: теплопроводность среды, скорость обтекания охлаждаемой по-

верхности, теплоемкость, температуропроводность, плотность и вязкость среды, а

также разность температур СОТС и контактирующих поверхностей. Если в зоне прав-

ки 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 контакта круга с правящим инструмен-

том способствует снижению и стабилизации температуры технологической системы,

уменьшению химической активности материала зерен круга и правящего инструмен-

та.

На основе вышеизложенного можно наметить следующие пути интенсификации

охлаждения зоны правки: использование в качестве СОЖ жидкости, обладающие вы-

сокой теплопроводностью, теплоемкостью, плотностью и наименьшей кинематиче-

ской вязкостью, хорошими смазочными свойствами; создание условия перехода СОЖ

в смежное агрегатное состояние; увеличение скорости относительного перемещения

объектов; целенаправленное изменение теплофизических характеристик контакти-

рующих объектов.

В работах [117, 127] утверждается, что охлаждающее действие СОЖ проявляет-

ся только после выхода а.з. круга из контакта с правящим инструментом. По-

видимому, авторы исходят из предпосылки, что СОЖ не может находиться в зоне кон-

такта и выполнять там охлаждающее действие. На наш взгляд, более справедливым

являются выводы работ [36, 37], в которых доказывается наличие СОЖ в зоне контак-

та, а следовательно, и возможность ее функциональных действий. При этом количест-

во жидкости, попадающей в зону правки, определяется главным образом техникой по-

дачи СОЖ. Таким образом, интенсивность охлаждающего действия СОЖ зависит как

от ее теплофизических характеристик, так и от техники подачи.

Рассмотрим влияние охлаждающего

действия СОЖ на теплообмен в зоне прав-

ки. Жидкость, вытекающая из насадка 3

(рис. 7), отбирает теплоту: 1) от участка

обрабатываемой поверхности круга, при-

ближающегося к зоне правки, в виде пото-

ка

; 2) от отходов правки (связка, зерна) в

виде потока

; 3) от поверхностей правя-

щего инструмента, не находящихся в кон-

такте с отходами шлифования и кругом, в

виде потока

′

; 4) от проправленной по-

верхности круга

−

в виде потока

′

. Есте-

ственно, что в зависимости от условий ве-

личины составляющих теплового потока

будут изменяться, что может привести и к изменениям их соотношений [118]. Все эти

потоки в той или иной мере оказывают влияние на температуру контактирующих по-

верхностей, однако степень их влияния неодинакова. Учитывая незначительную раз-

ницу между температурой рабочей поверхности круга перед зоной правки и темпера-

турой СОЖ, вытекающей из насадка 3 (см. параграф 3.2), становится очевидным, что

поток q

практически не оказывает влияния на температуру в зоне правки. В ряде ра-

бот по резанию металлов большое значение придавалось тепловому потоку

, по-

скольку априорно было принято, что охлажденные отходы обработки уносят из зоны

контакта больше теплоты, чем неохлажденные, а значит меньше теплоты остается на

долю правящего инструмента, вследствие чего температура последнего должна сни-

жаться. Однако теплофизический анализ условий правки не подтверждает этого. Со-

отношение между скоростью схода отходов правки и скоростью распространения теп-

лоты при практически применяемых режимах правки и материалов кругов таково, что

температура контактной площадки “правящий инструмент - отходы правки” не успе-

вает снизиться за счет теплопередачи от отходов правки в СОЖ. Как отметил

А.Н.Резников, только при очень тонких стружках и низких скоростях резания этот

фактор может иметь некоторое значение [118].

Рис. 7. Схема тепловых стоков

при правке круга алмазом в оп-

раве с применением СОЖ: 1 -

круг; 2 - алмаз в оправе; 3 - наса-

СОЖ

Теплофизический анализ [118] показывает, что наибольшую роль играет тепло-

вой поток

′

, т.е. отвод теплоты от контактной площадки “правящий инструмент - от-

ходы правки” через правящий инструмент в СОЖ. Чем интенсивнее теплообмен меж-

ду свободными поверхностями правящего инструмента и жидкостью, тем выше плот-

ность теплового потока

и ниже температура контактной площадки на передней по-

верхности правящего инструмента. Поэтому основным объектом охлаждения должен

быть правящий инструмент.

Перераспределение тепловых потоков, а следовательно, и изменение охлаждаю-

щего действия СОЖ возможно, как впервые установлено в работе [60], путем измене-

ния теплофизических характеристик контактирующих объектов, в частности шлифо-

вального круга. Последний представляет собой гетерогенную систему, состоящую из

а.з., связки и порового пространства. Замещение воздуха, заполняющего поры круга

жидкостью, увеличивая теплопроводность круга, приводит к возрастанию величины

теплового потока, отводимого в шлифовальный круг. При этом величина теплового

потока, переходящего в правящий инструмент, уменьшается.

Теплопроводность

круга, пропитанного СОЖ, можно рассчитать по формуле

[89]:

са

⋅

−

) +

⋅

(

−

) +

⋅

, (19)

где

са

−

соответственно теплопроводность двухкомпонентной системы “связка

−

абразив”, воздуха и жидкости, Вт/(м

⋅

К).

Для расчета теплопроводности двухкомпонентной твердой фазы “связка-абразив”

воспользуемся соотношением [89]:

()

[]

()













⋅−+⋅−−⋅

−=

−

акcк

акса

3111

λλ

, (20)

где

ак

ск

−

соответственно теплопроводность а.з. и связки, Вт/(м

⋅

К);

−

относи-

тельная объемная концентрация связки в двухкомпонентной системе “связка-абразив”.

Зная относительные объемные концентрации связки

и абразива

ак

в единице

объема круга, можно определить

aкc

. (21)

Относительную объемную концентрацию СОЖ в круге, как упоминалось ранее,

можно рассчитать по зависимости (16) [60], а удельную теплоемкость круга, пропи-

танного СОЖ,

−

по зависимости (15) [70].

На рис. 8 представлены графики зависимости температуропроводности, удель-

ной теплоемкости и теплопроводности круга 24А16НС17К26 (

ак

= 0,48;

= 0,13;

0,39;

= 1,63 Вт/(м

⋅

К);

= 0,75 Вт/(м

⋅

К);

= 0,027 Вт/(м

⋅

К);

= 685 Дж/(кг

⋅

К);

670 Дж/(кг

⋅

К);

= 1000 Дж/(кг

⋅

К), рассчитанных с использованием формул (14), (15),

(19), (20), (21), от относительной объемной концентрации СОЖ Аквол-10М (5 %) в

круге (

= 0,42 Вт/(м

⋅

К);

= 4050 Дж/(кг

⋅

К). Замена воздуха, находящегося в порах

круга, жидкостью суще-

Рис. 8. Влияние относитель-

ной объемной концентрации

СОЖ Аквол-10М (5 %) в

круге

на его теплофизи-

ческие характеристики

−

те-

плопроводность

(1),

удельную теплоемкость

⋅р

(2), коэффициент тем-

пературопроводности

(3) [60]

ственно изменяет значения теплофизических характеристик шлифовального круга, что

приводит к перераспределению тепловых потоков, идущих в правящий инструмент,

круг и СОЖ. Прямым подтверждением этого являются приведенные на с. 26

−

28 рас-

четы доли теплоты

Ω

, поступающей в шлам. К аналогичным результатам пришли, но

несколько позднее, В.В.Ефимов [35, 36] и В.В.Щипанов [165].

Таким образом, изменяя величину объемной концентрации жидкости в круге,

прежде всего за счет совершенствования техники подачи СОЖ в зону правки, от кото-

рой зависит величина объемного расхода СОЖ, можно перераспределять тепловые по-

токи и, в некоторой степени, управлять тем самым состоянием рабочих поверхностей

правящего инструмента и шлифовального круга.

Создание условий для перехода СОЖ в газообразное агрегатное состояние пред-

полагает достижение определенного значения величины теплового потока

, необхо-

димого для нагрева до температуры кипения и испарения СОЖ, находящейся в зоне

контакта круг

−

правящий инструмент. Величина

определяется по зависимости

[130]:

= (

⋅

)

⋅

, (22)

где

−

температура кипения СОЖ, К;

−

скрытая теплота парообразования СОЖ,

Дж/кг;

−

массовый расход СОЖ через контактную зону, кг/с.

Как следует из зависимости (22), чем больше расход СОЖ через контактную зо-

ну

, тем больший тепловой поток

требуется для перевода СОЖ из жидкого в газо-

образное состояние и наоборот. Однако известно, что для уменьшения теплового по-

тока в первую очередь стремятся увеличить расход СОЖ через контактную зону. По-

этому, на наш взгляд, использование в качестве средства интенсификации охлаждения

зоны правки перевода СОЖ в смежное агрегатное состояние путем увеличения тепло-

вого потока имеет весьма ограниченную область применения. Однако, переход в

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

180

170

160

150

140

1,1

1,0

0,9

0,8

0,1 0,2 0,3

0,4

⋅

Вт

⋅

Дж

⋅

смежное агрегатное состояние жидкости (в пар) может быть осуществлен путем созда-

ния условий для кавитации, что будет рассмотрено в дальнейшем.

Для правки круга и шлифования важное значение имеет моющее действие СОЖ,

заключающееся в удалении частиц абразива и связки с рабочей поверхности круга и

правящего инструмента, с деталей станка, 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. Однако яс-

но, что для усиления моющего действия в состав СОЖ необходимо вводить специаль-

ные моющие присадки, состоящие главным образом из поверхностно-активных ве-

ществ (ПАВ), способных образовывать вокруг твердой частицы отходов правки ад-

сорбционно-смачивающие пленки, обладающие низким поверхностным натяжением

на поверхностях раздела или способных создавать двойной электрический слой или

сольватную оболочку, результатом чего являлось бы отделение частиц от твердых по-

верхностей.

Хорошими моющими свойствами обладают немногие СОЖ, прежде всего, керо-

син и керосино-масляные смеси, применение которых ограничено из-за низкой темпе-

ратуры вспышки и токсичности. Большинство же остальных СОЖ обладает избира-

тельным действием по отношению к отходам правки и шлифования (шламу), материа-

лам шлифуемой заготовки, круга, правящего инструмента, лакокрасочным покрыти-

ям деталей станка и др. При этом чрезвычайно

рируе

мыми

кру-

гом,

около

его рабочей поверхности и также попадает в зону правки [25]; третья часть (в) отбра-

сывается силами инерции от поверхности круга. При правке методом шлифования

частицы шлама могут, вероятно, удерживаться также около рабочей поверхности ал-

мазного ролика воздушными потоками, генерируемыми вращающимся с высокой ок-

ружной скоростью роликом [123, 124].

Рис. 9. Схема движения шлама, образующегося при правке

шлифовального круга: 1

−

круг; 2

−

правящий карандаш; а

−

частицы шлама в порах круга; б

−

частицы шлама, удержи-

ваемые воздушными потоками около рабочей поверхности

б й

важно не только удаление отходов правки и шлифования, но и

предотвращение их реэвакуации с постоянно циркулирующей

СОЖ. После выхода из зоны правки весь объем шлама разде-

ляется на три части [124]: первая часть (а, рис. 9) удерживается

в порах и микровпадинах поверхности круга и вторично попа-

дает в зону правки после совершения кругом одного оборота;

вторая часть (б) удерживается воздушными потоками, гене-

Известно, что наибольшее количество шлама образуется при непрерывной правке

круга алмазным роликом. Наши исследования показали [57], что условия и техника

подачи СОЖ в зону непрерывной правки оказывают существенное влияние на эвакуа-

цию шлама, а следовательно, и на эффективность шлифования заготовок (табл. 5). Бы-

ло предложено [6] с целью повышения производительности предварительного шлифо-

вания подавать СОЖ против равнодействующей векторов окружных скоростей круга и

ролика, а при окончательном шлифовании

−

по направлению указанной равнодейст-

вующей.

Анализ результатов исследований [57] подтвердил, что под зоной контакта двух

вращающихся объектов (круг

−

заготовка или круг

−

ролик) складывается более бла-

гоприятная аэродинамическая обстановка для подачи СОЖ в зону шлифования. Впер-

вые это было отмечено при исследованиях аэродинамических явлений, сопровождаю-

щих процесс круглого наружного шлифования, Л.В.Худобиным, В.Ф.Гурьянихиным и

В.В.Ефимовым [147, 151]. После правки с подачей СОЖ сверху круг имеет бо

;

льшие

значения высотных параметров рельефа в сравнении с другими способами подачи

жидкости, а следовательно, и бо

;

льшую режущую способность. Этим объясняются и

большие значения высотных параметров шероховатости шлифованных поверхностей

деталей. СОЖ, подаваемая снизу, очевидно, создает гидравлическое сопротивление

эвакуации шлама из зоны правки, в результате чего рельеф (микропрофиль) шлифо-

вального круга сглаживается, а высотные параметры шероховатости обработанных де-

талей уменьшаются. Разумеется, все это в большой степени зависит от гранулометри-

ческого состава шлама, мощности воздушных потоков и аэродинамической обстанов-

ки в зоне правки и других факторов. Косвенным подтверждени-

5. Влияние направления транспортирования СОЖ в зону правки по внутренним

трактам и окружной скорости алмазного ролика на эффективность шлифования за-

готовок с непрерывной правкой (алмазный ролик АСК 400/315, круг

24А16НС17К26 1–600

305,

= 50 м/с, скорость врезной подачи ролика

tп

0,1 мм/мин, окружная скорость заготовки

= 50 м/мин, скорость врезной подачи

круга

= 2 мм/мин)

Материал заготовки

Жаропрочный сплав ВЖ-98 Жар

Окружная скорость

алмазного ролика, м/с

10 13 16 10

Среднее арифметическое отклонение профиля шлифов

и составляющие силы шлифования

Схема правки

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1

1,91 174 161 1,83 168 157 1,39 140 130 1,87

154

1,81 166 158 1,70 155 143 1,38 140 130 1,79 150 14

Продолжение табл. 5

1 234567891011121

1,73 172 160 1,65 160 150 1,37

140 130 1,75

154 1

1,84 160 150 1,66 141 136 1,35 139 130 1,82 152 1

1,72 176 150 1,53 148 141 1,35 140 130 1,78 155 1

ем полученных результатов являются экспериментальные исследования Е.П.Гульнова

[25], в ходе которых уменьшение высотных параметров микрогеометрии

шлифованных поверхностей заготовок достигалось “искусс-твенным” транспортиро-

ванием шлифовального шлама в зону обработки.

Наиболее развитый рельеф круга образуется при алмазной правке всухую, однако

при этом существенно уменьшается период стойкости алмазного ролика и возрастают

составляющие силы шлифования. Подача СОЖ в зону правки одновременно через оба

насадка снизу и сверху занимает промежуточное положение по эффективности шли-

фования с непрерывной правкой. Эксперименты показали, что с увеличением окруж-

ной скорости правящего ролика различия между схемами подачи СОЖ в зону правки

уменьшаются и при окружной скорости ролика 16 м/с становятся несущественными.

В работах [17, 83, 84] показано, что для восстановления режущего рельефа круга

при получистовом и чистовом шлифовании достаточно 1

−

3 проходов алмазного ка-

рандаша с подачей на двойной ход не более 0,03 мм. На практике это подтверждается

только при наличии интенсивного моющего действия СОЖ, или каких-либо иных ме-

тодов эффективной очистки рабочей поверхности круга, например электромагнитной

[10], магнитной [150] или гидромагнитной [148]. Известно, что даже при чистовых ре-

жимах шлифования глубина проникновения отходов шлифования и правки в поровое

пространство шлифовального круга (а следовательно, и его засаливание) составляет

бо

;

льшую величину, чем минимальный припуск, снятие которого при правке позволя-

ет восстановить режущий рельеф круга. В этом случае неудаленные из порового про-

странства круга правкой и СОЖ отходы шлифования и правки являются причиной бы-

строго засаливания круга и малого периода его стойкости. Поэтому на практике при

правке снимают достаточно большие припуски, в 3

−

5 и более раз превышающие ми-

нимальный припуск, необходимый для восстановления режущего рельефа круга.

Очевидными средствами усиления моющего действия СОЖ являются увеличение

ее расхода через зоны правки и шлифования, увеличение скорости потока и создание

условий возникновения кавитации на рабочей поверхности круга. Все это в сущест-

венной степени зависит от технологических средств реализации потенциальных воз-

можностей СОЖ или от техники подачи ее в контактные зоны. Высокое моющее дей-

ствие СОЖ обеспечивают гидроаэродинамический способ ее подачи [20] и УЗ-очистка

рабочей поверхности круга [86]. Исследованиями Л.В.Худобина [9, 141

−

148] уста-

новлено, что практически высокое моющее действие любой водной СОЖ по отноше-

нию к шлифовальному кругу можно обеспечить путем подачи ее через сопла с отвер-

стиями (каналами) малого диаметра (до 1 мм) на рабочую поверхность круга под дав-

лением 3

−

10 МПа и более струйно-напорным внезонным способом (СНВС). Даль-

нейшие исследования [7] позволили еще более повысить эффективность гидроочистки

рабочей поверхности круга и снизить энергозатраты на правку и шлифование путем

оптимизации формы выходных каналов сопла (рис. 10): при прохождении СОЖ через

двойную конусную часть отверстия с определенной

Увеличено

Рис. 10. Устройство для гидроочистки рабочей

поверхности шлифовального круга [7]: 1

−

круг;

−

сопло для подачи СОЖ; 3

−

защитный кожух

скоростью давление в минимальном сечении канала становится равным давлению на-

сыщенных паров СОЖ; в этом сечении, как установлено визуальными наблюдениями

(насадок был изготовлен из оргстекла), появляется зона кавитации; в расширяющейся

части канала, где скорость потока уменьшается, а давление возрастает, происходит

конденсация пузырьков пара и сжатие пузырьков газа; в момент завершения конден-

сации (схлопывания пузырьков) происходят местные удары, т.е. значительное повы-

шение давления в отдельных точках; конденсация пузырьков происходит на поверхно-

сти круга, что обеспечивается определенной длиной конусного участка канала на вы-

ходе из сопла и расстояния от сопел до рабочей поверхности круга; создаваемые при

захлопывании пузырьков гидроудары способствуют разрушению засаленных участков

круга, т.е. очищению а.з. и пор круга от налипшего металла и других отходов шлифо-

вания. В результате исследований предложено использовать сопла с двойными конус-

ными участками (см. рис. 10) при

вх

= 45

−

;

= 25

−

;

= 0,6

−

3,0 мм, а от-

ношение длины

расширяющегося участка к диаметру

минимального сечения кана-

ла принимают равным 4

−

6, при этом отношение расстояния

от сопла до рабочей

поверхности круга к диаметру

принимают 0,75

−

1,5, а давление подаваемой в сопло

СОЖ

−

0,06

−

10,00 МПа. Как следует из результатов выполненных исследований, в

отличие от основного изобретения [9], предлагаемая конструкция

[

]

допускает ис-

пользование низконапорных насосов типа Х14-2у для подачи водных СОЖ (рабочее

давление до 0,4 МПа), хотя при этом несколько усложняется конструкция сопла и

предъявляются более жесткие требования к величине расстояния

от сопла до рабочей

поверхности круга.

Использование кавитации для интенсификации моющего действия СОЖ с целью

уменьшения снимаемого при правке слоя абразива реализовано в способах правки

шлифовального круга по авторским свидетельствам (а.с.) 1523320 и 1710317 [51, 8]. В

работах [68, 69] аналитически обоснована и экспериментально подтверждена возмож-

ность использования гидродинамической кавитации, возникающей в радиальных от-

верстиях вращающегося алмазного ролика, для усиления моющего действия СОЖ.

При этом оптимизированы окружная скорость ролика, длина и диаметр канала, через

который подается СОЖ в зону правки, и величины зазора между роликом и кругом

(см. параграф 1.4).

Понижение уровня колебаний в зоне контакта круг

−

правящий инструмент, как

и при шлифовании, вероятно, может быть достигнуто в том случае, когда СОЖ создаст

пленки, разделяющие трущиеся поверхности зерен круга и правящего инструмента

(демпфирующее действие [139]). Снижение уровня колебаний сил правки приведет к

уменьшению амплитуды и частоты колебаний в технологической системе.

Учитывая ударный характер взаимодействия зерен круга и правящего инстру-

мента, демпфирующее действие СОЖ, по-видимому, способствует уменьшению веро-

ятности объемного разрушения контактирующих объектов и выпаданию а.з. из связки.

Проявление демпфирующего действия СОЖ особенно важно при шлифовании с не-