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

Подождите немного. Документ загружается.

Скорость

движения жидкости под воздействием УЗ-поля можно рассчитать по

зависимости

⋅

-к

′

, (35)

где

к′

−

коэффициент, принимаемый по данным [30];

−

скорость движения жидко-

сти в порах под действием УЗК в начальный момент времени (

= 0), м/с.

Решив совместно уравнения (34) и (35), С.А.Кобелев [72] получил уравнение тра-

ектории движения СОЖ в порах круга и зависимость для расчета глубины пропитки

кжп

⋅⋅⋅

⋅⋅

ρπ

, (36)

где

−

размеры полости клинового полуоткрытого насадка в проекции на торец

круга, м.

Как следует из уравнения (36), глубина пропитки круга при подаче ее на его то-

рец через клиновой полуоткрытый насадок благодаря наложению УЗК увеличивается в

раз.

Начальная скорость течения жидкости

в порах абразивного круга под действи-

ем УЗК зависит от большого количества параметров, характеризующих акустическое

воздействие и среду (СОЖ), в которой происходит кавитация,

−

звукового давления

, гидростатического давления жидкости

, проницаемости порового пространства

, плотности

и вязкости

жидкости и др. Уравнения (24), (34) и (36) получены из

закона Дарси [169], описывающего процесс фильтрации жидкости сквозь пористые те-

ла в статических условиях. Между тем, для динамически колеблющихся объектов, ка-

ковым является вращающийся шлифовальный круг, при использовании закона Дарси

необходимо учитывать вязкостный

и инерционный

коэффициенты гидравличе-

ского сопротивления, значения которых в настоящее время однозначно не определены

[18]. По литературным данным величины

изменяются в настолько широких

пределах [18], что их использование для практических целей недопустимо из-за боль-

ших погрешностей расчета. Все это обуславливает возможность использования зави-

симостей (24), (34) и (36) лишь для качественной оценки процесса фильтрации СОЖ

сквозь поры круга. Между тем, без количественной оценки

невозможно прогнозировать эффективность применения УЗ-техники подачи СОЖ при

использовании кругов большой высоты

[

]

Из вышеизложенного следует, что эффект, получаемый при наложении УЗК на

СОЖ, следует рассматривать как следствие суммарных изменений условий контакта

круга с правящим инструментом и заготовкой из-за наличия кавитации и звукокапил-

лярного эффекта, приводящих к уменьшению сил трения при правке и шлифовании,

ускорению процессов тепломассообмена, изменению физико-химических свойств

жидкости и другим эффектам. Учитывая многообразие и достаточно высокую эффек-

тивность воздействий УЗК на условия контакта круга с правящим инструментом и за-

готовкой, можно утверждать, что имеется возможность использования энергии УЗ-

поля при подаче СОЖ в качестве резерва снижения теплосиловой напряженности про-

цессов шлифования заготовок и правки кругов.

1.4. Механизм проникновения СОЖ в зону правки

Достаточно четкую гипотезу о механизме проникновения СОЖ по внешним

трактам в контактную зону при шлифовании и проявления там смазочного действия

впервые высказал Л.В.Худобин [142]: а.з. в шлифовальном круге расположены хаоти-

чески; в силу этого в продольном сечении круга а.з. находятся на разных расстояниях

от обрабатываемой поверхности и отстоят одно от другого в среднем на величину, на-

зываемую разновысотностью а.з. (

≈

0,12

−

0,30) мкм [22]; реальный профиль кон-

тактирующих поверхностей не является идеально ровным, поэтому часть а.з. попадает

во впадины микропрофиля, в ранее прорезанные канавки (рис. 14); температура в кон-

такте а.з.

−

металл изменяется во времени по определенному закону, возрастая от ис-

ходной минималь-

ной до максимальной в зоне резания; в начальный период контакта, в зоне упругого, а

затем пластического оттеснения металла (рис. 15), температура и давление могут быть

далеки от максимальных; учитывая реальный субмикропрофиль поверхности а.з., кон-

такт между а.з. и материалом заготовки будет точечным, а не сплошным; в этих усло-

виях вполне возможно проявление смазочного действия, если зерно и металл до нача-

ла контакта были разделены смазочными пленками достаточной толщины и прочно-

сти. Таким образом, согласно изложенной гипотезы, СОЖ присутствует в контактной

зоне и смазочное действие внешних сред при шлифовании не ограничивается умень-

шением трения связки, частиц металла и отходов шлифования, но и проявляется в

уменьшении трения в контакте режущих и давящих а.з. с обрабатываемым материа-

лом.

Рис. 14. Схема взаимодействия круга с

обрабатываемой заготовкой [142]: 1

−

абразивные зерна; 2

−

связка; 3

−

реаль-

ный профиль шлифуемой поверхности

Рис. 15. Схема взаимодействия абразивного

зерна с обрабатываемой заготовкой [142] :

−

абразивное зерно; 2

−

обрабатываемая

заготовка; I, II, III

−

зоны упругой и пласти-

ческой деформаций и диспергирования ме-

талла соответственно

В работе [42] утверждается, что в связи с пористой структурой подавляющего

большинства абразивных кругов, используемых при шлифовании, даже при подаче

СОЖ поливом вращающийся круг пропитывается жидкостью на глубину

()

кжп

0к

cos2

⋅⋅

θσ

, (37)

где

−

краевой угол смачивания.

При этом предполагается, что

(

) не зависит от расположения и формы поры,

поскольку поле сил ускорения в пограничном слое круга можно считать однородным,

а распределение пор

(

) по размерам подчиняется нормальному закону. В связи с

этим средняя глубина проникновения СОЖ [42]

кс

0к

cos2

σρ

θσ

−⋅

⋅⋅

, (38)

где

−

средний радиус (математическое ожидание) поры, м;

−

эмпирический

стандарт распределения (для нормального закона

= 0,33

), м.

В той же работе [42] приведена зависимость для определения среднего объема

СОЖ

ср

, поглощаемого единицей площади поверхности круга

кж

п0

ср

340

cos

Vа,

⋅⋅⋅

⋅⋅

θσπ

, (39)

где

−

объем пор в круге в процентах.

Как следует из анализа зависимостей (38) и (39), глубина проникновения и

средний объем СОЖ, поглощаемой кругом на единицу площади его рабочей

поверхности, не зависят от расхода и гидростатического давления подаваемой

поливом жидкости, что, возможно, действительно имеет место при определенных

ограничениях.

Движение СОЖ по поровому пространству к периферии круга обеспечивается

действием центробежных, гравитационных, поверхностных сил сопротивления и ка-

пиллярных сил. Наиболее полно движение СОЖ сквозь поры круга при подаче ее че-

рез центральное отверстие рассмотрено в монографии П.И.Ящерицына и И.П.Караима

[169]. Проникновение СОЖ в контактную зону возможно при подаче СОЖ гидроаэро-

динамическим [26, 59] и струйно-напорным внезонным способами [95, 143], а также

при УЗ-очистке [72] и подаче СОЖ к торцам круга через полуоткрытые клиновые на-

садки [50, 149].

Известно, что проникновение СОЖ в контактные зоны облегчается с уменьшени-

ем диаметра капель жидкости. При этом интенсифицируются функциональные дейст-

вия СОЖ в зоне обработки за счет увеличения удельной поверхности капель и появля-

ется возможность сокращения ее непроизводительного расхода путем направления

жидкости сквозь капиллярные каналы, существующие между поверхностями контакта

а.з. круга с алмазным зерном правящего инструмента в зону наибольшей теплосиловой

напряженности.

При подаче СОЖ из камеры распыления нового устройства [62, 103] образуется

мелкодисперсная воздушно-жидкостная смесь за счет подвода к зоне распыления аку-

стической энергии высокой частоты через слой

распыляемой жидкости. Распыление произво-

дится в верхней части образующегося при этом

фонтана (рис. 16).

Выбор диапазона частот УЗК для распыле-

ния СОЖ обусловлен необходимостью получе-

ния капель жидкости определенного размера.

Известно [132], что диаметр капель

и частота

колебаний связаны зависимостью

⋅

σπ

(40)

Расчеты по зависимости (40) показали, что

для жидкостей на водной основе (

= 7

⋅

-3

Н/м;

= 1000 кг/м

) диаметр частиц

равен размеру

сечений капилляров в зоне механической обра-

ботки, который по данным [71, 82, 128] состав-

ляет 2

⋅

-7

−

⋅

-6

м при частоте колебаний 1

−

77 МГц.

Исследование эффективности устройства

для подачи СОЖ в виде мелкодисперсных аэрозолей, распыляемых в зону правки пу-

тем наложения УЗК частотой 2,64 МГц на концентрат СОЖ, проводили на экспери-

ментальной установке, созданной на базе круглошлифовального станка 3М151.

Для оценки эффективности процесса правки использовали показатели, связан-

ные с эффективностью шлифования заготовок кругом, правка которого осуществля-

лась при различных способах подачи СОЖ: составляющие силы шлифования

Н; коэффициент шлифования по объему

; коэффициент режущей способности шли-

фовального круга

, мм

/мин; удельная мощность шлифования

, Вт

⋅

мин/мм

. По-

сле правки круга 24А16НСМ16К16 шлифовали образцы из коррозионностойкой стали

14Х17Н2 и жаропрочного сплава ВЖЛ-12 с рабочей скоростью круга

= 35 м/с и ок-

ружной скоростью заготовки

= 35 м/мин. Скорость врезной подачи составляла 0,1

Рис. 16. Устройство для подачи

СОЖ в виде мелкодисперсной аэ-

розоли [103]: 1

−

промежуточный

сосуд камеры распыления; 2

−

верхний сосуд; 3

−

трубка для по-

дачи воздуха; 4

−

трубка для по-

дачи аэрозоли; 5

−

сосуд для рас-

пыленной СОЖ; 6

−

концентрат

водной СОЖ или масло; 7

−

пье-

зоэлемент

мм/мин при шлифовании образцов из сплава ВЖЛ-12 и 1,2 мм/мин

−

из стали

14Х17Н2. Периодическую правку круга осуществляли после обработки 4

−

8 заготовок

алмазным карандашом СФ в три прохода с поперечной подачей 0,03 мм/дв.ход и про-

дольной подачей 0,3 мм/мин.

Эффективность подачи СОЖ при правке в виде мелкодисперсной аэрозоли оце-

нивали в сравнении с подачей той же жидкости поливом, одновременно поливом и

гидроаэродинамическим способом, а также одновременно гидроаэродинамическим

способом и поливом с наложением УЗК частотой 18,6 кГц (от генератора УЗУ-0,25) на

правящий карандаш и гидроаэродинамическое сопло (см. рис. 12). После правки круга

заготовки шлифовали с подачей СОЖ (5 %-ный водный раствор продукта Аквол-15)

поливом с расходом 40 дм

/мин.

Из табл. 6 [58, 60], следует, что подача СОЖ при правке в виде мелкодисперсной

аэрозоли способствует формированию микрорельефа круга, обеспечивающего по

сравнению с подачей СОЖ поливом, несмотря на существенно меньший (в 10

−

раз) расход жидкости, несколько меньшие значения показателей силовой напряженно-

сти процесса, износа круга и параметров шероховатости шлифованной поверхности.

При шлифовании образцов из жаропрочного сплава ВЖЛ-12 и стали 14Х17Н2 коэф-

фициент режущей способности круга

увеличивается соответственно на 5 и 20 %,

удельная мощность шлифования

снижается на 15 и 20 %, коэффициент шлифова-

ния

увеличивается на 10 % (при шлифовании заготовок из сплава ВЖЛ-12);

уменьшаются параметры шероховатости:

−

на 30 и 45 %,

max

−

на 18 и 20 %,

−

на 12 и 21 %. Подача СОЖ в зону правки в виде мелкодисперсной воздушно-жид-

костной смеси оказывает большее влияние на процесс шлифования заготовок из стали

14Х17Н2, имеющих по сравнению с заготовками из сплава ВЖЛ-12 лучшую обраба-

тываемость шлифованием.

Однако наибольшую эффективность шлифования обеспечивает правка с подачей

СОЖ одновременно гидроаэродинамическим способом и поливом с

6. Результаты экспериментальных исследований влияния техники подачи СОЖ в зону

правки

на эффективность шлифования [62, 64] (условия экспериментов см. на с. 57)

Показатели процесса шлифо

Силы шлифова-

ния, Н

Способ подачи СОЖ при

правке

Коэффици-

ент режу-

щей способ-

ности

мм

/мин

Удельная

мощность

шлифова-

ния

Вт

⋅

мин/мм

Коэффици-

ент шлифо-

вания по

объему

Свободно падающей струей

(поливом)

32,5*

41,0

27,5

35,0

2,3

15,0

6,0

24,0

4,2

5,5

Одновременно гидроаэроди-

намическим способом и по-

ливом

31,0

35,0

26,0

32,5

2,5

16,0

5,0

25,0

4,1

5,0

Одновременно гидроаэроди-

намическим способом и по-

ливом с наложением УЗК на

правящий инструмент и гид-

роаэродинамическое сопло

29,0

25,0

24,0

25,5

2,7

22,0

4,0

21,0

4,5

5,3

В виде мелкодисперсной аэ-

розоли

30,0

29,5

25,0

28,0

2,4

18,0

5,0

21,5

4,3

5,3

)

В числителе

−

результаты при шлифовании заготовок из сплава ВЖЛ-12, в знамена-

теле

−

из стали 14Х17Н2.

наложение-м УЗК на сопло и карандаш. Причины этого рассмотрены в пункте 1.2.2. и

параграфе 1.3.

Шлифование заготовок из коррозионностойкой стали и жаропрочного сплава с

подачей СОЖ в зону обработки в виде мелкодисперсной аэрозоли, как и ожидалось,

малоэффективно [62, 64]. 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 функциональ-

ных свойств [62, 64].

В заключении заметим, что СОЖ можно транспортировать в зону контакта круга

с правящим инструментом как по внутренним, так и по внешним трактам. При этом

для формирования эффективного режущего профиля круга при правке расход СОЖ

может быть существенно меньше, чем при шлифовании. В ряде случаев относительно

высока эффективность подачи в зону правки высокодисперсной воздушно-жидкостной

смеси, отличающейся повышенной проникающей способностью.

1.5. Исследование возможности использования гидро-

динамических процессов, сопровождающих правку

и шлифование, для очистки рабочей поверхности круга

∗

∗∗

∗

)

Как упоминалось ранее, одним из эффективных средств предотвращения засали-

вания рабочих поверхностей круга является гидроочистка их СНВС [9, 141, 142]. Од-

нако необходимость использования насосов для подачи СОЖ под высоким давлением

(до 30

−

50 МПа) и большие энергозатраты резко ограничили применение этого способа

подачи СОЖ в промышленности.

Ультразвуковая очистка рабочей поверхности круга путем создания кавитации

[4] хотя и не требует использования насосов высокого давления, однако возможна

лишь при оснащении шлифовального станка сложной следящей системой, поддержи-

вающей зазор между торцем УЗ-волновода и кругом в заданных пределах.

Это видно на примере установки для подачи СОЖ с ультразвуковыми колеба-

ниями, разработанной по а.с. № 246168 (авторы Свиридов А.П. и др., бюллетень изо-

бретений № 20, 1960 г.) для кругло- и плоскошлифовальных станков и показанной на

рис. 17.

Питание от УЗ-генератора поступает на магнитострикционный преобразователь 7,

жестко соединенный с концентратором 10 и криволинейным волноводом 11. СОЖ че-

рез штуцер 6 подается насосом в цилиндр 8, заполняет его до уровня верхнего торца

трубки 5 и через эту трубку и штуцер 9 поступает на излучающий торец волновода 11

и далее на рабочую поверхность шлифовального круга, очищая ее от отходов шлифо-

вания.

Для обеспечения макси-

мальной эффективности очи-

стки круга зазор между его

рабочей поверхностью и из-

лучающим торцем волновода

должен составлять 0,1

−

0,2

мм. Регулировку зазора осу-

ществляют путем вертикаль-

ного перемещения волновода

11 (вместе с цилиндром 8,

хвостовиком 4 и кареткой 3) с

помощью маховика 2 относи-

тельно стойки 1, закреплен-

ной шарнирно на защитном

кожухе круга.

Между тем, кавитацию

в контактной зоне при правке

можно создать и без исполь-

зования внешнего источника УЗК.

Мгновенное давление в любой точке турбулентного потока жидкости

,P'PP

′

±=

мг

(41)

где

Р'

−

среднее абсолютное давление, Па;

Р′

−

пульсирующая компонента давления,

Па (рис.18).

римем,

что ве-

личина

Р'

турбу-

лент-

ном

потоке

умень-

шается

и приближается к давлению насыщенных водяных паров

нп

. Такое возможно при на-

личии в трубопроводах местных сопротивлений, например, в виде сужающихся, а за-

тем увеличивающихся сечений [21, 99, 164]. Тогда при

Р'

нп

в отдельные моменты

времени

мг

будет достигать

нп

, в связи с чем образуются местные каверны, которые

∗

)

В исследованиях принимал участие к.т.н. Унянин А.Н.

Па

Рис. 18. Пульсация гидродинамическо-

го давления

в турбулентном потоке

[

21, 100, 164

]

Рис. 19. Схемы режимов истечения жид-

кости через зазор между цилиндрическим

насадком 1 и твердой преградой 2: а, б

−

со-

ответственно отрывный и безотрывный ре

Рис. 17. Ультразвуковая установка по а.с. № 246168 для

очистки шлифовальных кругов: 1

−

стойка; 2

−

махо-

вик; 3

−

каретка; 4

−

хвостовик; 5

−

трубка; 6, 9

−

шту-

церы; 7

−

магнитострикционный преобразователь; 8

−

цилиндр; 10

−

концентратор; 11

−

волновод

от генератора

моментально захлопываются с повышением давления. С уменьшением

число ка-

верн возрастает. Этот процесс будет сопровождаться постоянным захлопыванием пу-

зырьков и пульсацией жидкости. Если в потоке имеются области с еще более низким

давлением, возникающие каверны будут сохраняться в течение всего времени перено-

са жидкости через данную область.

Исследования [99] показали, что при истечении жидкости в зонах между торцем

цилиндрического насадка диаметром

и твердой преградой (рис.19) возможны от-

рывный, безотрывный и переходный режимы. Наиболее вероятно возникновение от-

рывного режима при условии [99]:

(42)

При постоянном перепаде давления

∆

, под действием которого происходит ис-

течение жидкости из насадка, от величины зазора

зависит сила воздействия

жид-

кости на твердую преграду. При безотрывным истечении сила

с увеличением

возрастает от некоторого начального значения

, соответствующего силе при полном

закрытии отверстия насадка:

∆

⋅

(43)

При отрывным режиме истечения жидкости (

250

d,x

) величина силы

не за-

висит от

Из уравнения количества движения, считая давление в струе равным давлению

в окружаюшей среде, а скорость истечения жидкости из насадка

∆

(44)

получим

.NP

⋅

∆

(45)

Таким образом, максимальная сила, действующая на твердую преграду при от-

рывным режиме (см. рис. 19), может достигать удвоенного значения силы при полном

закрытии насадка

. Этого недостаточно для гидроочистки рабочей поверхности кру-

га при малых значениях

∆

[148, 152], т.е. при использовании электронасосов (помп)

серии П, БХ14 и Х14 [128], находящих наиболее широкое применение в шлифоваль-

ных станках. Поэтому наиболее вероятным путем осуществления гидроочистки рабо-

чей поверхности круга без увеличения

∆

является создание условий возникновения

на ней кавитационного потока пузырькового или зонального типа.

Рассмотрим это на примере предложенных нами способов правки шлифовально-

го круга алмазным роликом по а.с. 1523320 и 1710317 [4, 8] (рис. 20).

Рис. 20. Схема уст-

ройства для реализа-

ции способов правки

по а.с. 1523320 и

1710317: 1

−

алмаз-

ный ролик; 2

−

ради-

альные каналы для

подачи СОЖ; 3

−

шлифовальный круг;

−

осевой канал для

подачи СОЖ

На рабочую

поверхность круга СОЖ подается через радиальные каналы вращающегося ролика.

При некоторой рабочей скорости ролика

абсолютное давление в потоке движущей-

ся по радиальным отверстиям СОЖ становится равным давлению насыщенного пара,

при котором из жидкости начинают выделяться паровоздушные пузырьки. Эти пу-

зырьки выходят из радиальных отверстий ролика и захлопываются, а благодаря возни-

кающим при захлопывании пузырьков гидроударам осуществляется интенсивная гид-

роочистка рабочей поверхности круга или разрушение поверхности отверстий в роли-

ке, что наблюдалось визуально (в первом варианте ролик изготовили из прозрачного

материала [69]).

Чтобы паровоздушные пузырьки захлопывались на поверхности шлифовального

круга, необходимо выполнить условие [27]:

пвк

−= "

(46)

где

−

скорость движения жидкости на выходе из радиального отверстия, м/с [27];

вк

−

промежуток времени от возникновения до захлопывания каверны, с;

−

соот-

ветственно длина и диаметр радиального отверстия, м.

Величину

вк

можно определить по формуле Рэлея [77]:

,РR,

вк

ж0

910

−

⋅⋅⋅=

ρτ

(47)

где

−

начальный радиус каверны, м;

−

гидростатическое давление в жидкости, Па.

Учитывая, что между кругом и роликом образуется гидродинамический клин с

избыточным давлением, в определенный момент времени в СОЖ, выходящей из ради-

альных отверстий, резко увеличивается давление [77]. Это обуславливает изменение

скорости движения жидкости в радиальных отверстиях ролика и возникновение гид-

равлического удара, характеризующегося чередованием повышения и понижения дав-

ления. Из известных зависимостей Н.Е.Жуковского можно получить формулу для оп-

ределения приращения давления СОЖ в радиальных отверстиях

()

wwV

pжп

−

′

−⋅⋅⋅

∆

(48)