Устройство для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано на операциях обработки отверстий осевым инструментом. Устройство содержит направляющее сопло для подачи смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), связанное с пьезокерамическими преобразователями для наложения ультразвуковых колебаний на струю СОЖ. Последние модулированы по амплитуде. Суммарная длина излучающих и передающих деталей устройства равна или кратна половине длины волны ультразвуковых колебаний. Упомянутые детали закреплены в месте с наименьшей амплитудой колебаний, расположенном на расстоянии от излучающего торца сопла, равном или кратном четверти длины волны. Такая конструкция способствует повышению производительности обработки и увеличению периода стойкости режущего инструмента за счет усиления проникающей способности СОЖ в зону резания. 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к обработке металлов лезвийным инструментом с применением смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) на операциях обработки отверстий из различных материалов осевым инструментом.

Известно устройство для подачи СОЖ поливом, включающее направляющее сопло, по которому жидкость направляется в зону резания свободно-падающей струей или под небольшим избыточным давлением (см. Худобин Л.В., Бердичевский Е. Г. Техника применения смазочно-охлаждающих средств в металлообработке. - М.: Машиностроение, 1977).

К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании известного устройства, относится то, что при известном устройстве для подачи СОЖ поливом в зону обработки эффект от применения СОЖ с увеличением глубины обрабатываемого отверстия значительно снижается. Это связано с тем, что расход СОЖ через зону контакта инструмента с заготовкой и ее смазочные и охлаждающие действия существенно уменьшаются с увеличением глубины отверстия. В свою очередь это приводит к увеличению силовой и тепловой напряженности, что ведет к увеличению контактной температуры, ухудшению дробления и вывода стружки и приводит к значительному уменьшению периода стойкости режущего инструмента или к его заклиниванию и поломке.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для обработки деталей металлорежущим инструментом, включающее направляющее сопло для подачи СОЖ, на струю которых при помощи находящихся внутри сопла пьезокерамических преобразователей (вибраторов) накладываются ультразвуковые колебания (УЗК) постоянной амплитуды и частоты (см. свид. на полезную модель 4934 "Устройство для обработки деталей металлорежущим инструментом"/3веровщиков В.З., Климушкина М. В. от 30.11.95). В результате активации СОЖ УЗК у нее повышается проникающая способность из-за возникновения в струе жидкости кавитации и гидротечений, что приводит к повышению периода стойкости режущего инструмента и производительности обработки.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что при известном устройстве для подачи активированной СОЖ с применением УЗК постоянной частоты и амплитуды происходит недостаточное увеличение проникающей и охлаждающей способности СОЖ, поскольку реализация функциональных свойств СОЖ в зоне обработки сдерживается параметрами выходного сигнала, поступающего на излучатель с генератора. Синусоидальная форма сигнала не дает полностью реализовать эффект кавитации, способствующей интенсификации проникновения СОЖ в зону резания по следующей причине. Известно, что для каждой частоты и амплитуды УЗК существует верхний предел размеров газовых пузырьков, являющихся зародышами кавитации: в процессе кавитации участвуют лишь те пузырьки, размер которых меньше резонансных (Л.К. Зарембо, В.А. Красильников. Введение в нелинейную акустику. - М. : Наука, 1966, с. 262). При этом происходит неполное использование энергии ультразвуковых колебаний вследствие того, что параметры излучающих деталей устройства не обеспечивают вовлечение в процесс кавитации большего числа пузырьков. Кроме того, все это сопровождается значительными потерями и быстрым затуханием возбуждаемых колебаний.

Технический результат - увеличение периода стойкости режущего инструмента.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что, как и при известном устройстве для подачи СОЖ, производят подачу СОЖ в зону обработки через сопло свободно-падающей струей. Особенность заключается в том, что на СОЖ накладывают колебания, модулированные по амплитуде, при этом суммарная длина излучающих и передающих деталей устройства равна или кратна половине длины волны ультразвуковых колебаний, а точка крепления этих деталей находится в месте с наименьшей амплитудой колебаний на расстоянии от излучающего торца сопла, равном или кратном четверти длины волны. Это позволяет более полно использовать энергию ультразвуковых колебаний (увеличивается амплитуда колебаний), достигнуть большей интенсивности процесса кавитации (образуется большее число кавитационных пузырьков), что в свою очередь усиливает проникающие, охлаждающие, смазывающие и другие свойства СОЖ. Вследствие этого увеличиваются период стойкости режущего инструмента и производительность обработки.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования: - дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений; - замена какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности и пр.); - увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов; - выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала; - создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлений таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены, исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит волновод 1, представляющий собой сопло, направляющее струю СОЖ в зону обработки. Волновод связан с пьезоэлементами (вибраторами) 2. Источником сигнала является УЗ-генератор с амплитудной модуляцией. С волноводом 1 соединен штуцер 3.

СОЖ поступает через штуцер 3, прокладку из непроводящего ультразвуковые колебания материала 4, отражающую накладку 5 и отверстия в пьезоэлементах 2 и в волноводе 1 и затем в зону резания. Электрические колебания УЗ-частоты, модулированные по амплитуде, генерируемые УЗ-генератором, преобразуются в упругие колебания. При прохождении жидкости внутри устройства в ней возбуждаются колебания ультразвуковой частоты.

Для того чтобы ультразвуковые колебания, возбуждаемые устройством, наиболее полно передавались СОЖ, необходимо амплитуду выходного торца устройства сделать максимальной. Для этого суммарная толщина деталей устройства должна быть равна половине длины волны ультразвуковых колебаний (полуволновой излучатель).

Толщину отражающей накладки 5 принимаем равной 20 мм. Толщина пьезоэлементов известна (8 мм), так как они стандартные. При расчете задача сводится к определению длины волновода l. На его долю приходится часть полуволнового отрезка. Для выявления величины l в полуволновом отрезке необходимо определить долю пьезоэлементов и отражающей накладки.

Полуволновая длина для нержавеющей стали (материал отражающей накладки) при частоте УЗК f=18600 Гц (рабочая частота УЗ-генератора) будет равна где С₁=5140 - скорость распространения УЗК в нержавеющей стали, м/с.

Длина отражающей накладки составляет 20/138,172=0,1447 часть λ/2.

Толщина двух пьезокерамических элементов равна 16 мм.

Полуволновая длина пьезоэлементов где С₂ - скорость распространения УЗК в пьезокерамике.

Длина пьезоэлементов составляет 16/88, 710=0,1804 часть λ/2.
Пластины и отражатель совместно составляют 0,325 часть λ/2, следовательно, длина волновода l должна быть равна 0,675 λ/2. Материал излучающего сопла Д16Т, полуволновая длина для этого материала равна

где С₃ - скорость распространения УЗК для Д16Т.

Длина волновода l равна
l=0,675•136,559=92,525 мм.

Насадок крепится за буртик в точке с нулевым смещением, которая находится на расстоянии λ/4 (для Д16Т λ/4=68,5 мм) от излучающего торца.

В результате СОЖ передаются ультразвуковые колебания, модулированные по амплитуде, что приводит к возникновению в жидкости высоких мгновенных давлений. При этом происходит образование существенно большего числа газовых пузырьков, ударных волн, вызывающих макро- и микропотоки СОЖ, образование микроканалов (капилляров), следовательно, жидкость глубже проникает в отверстие. Улучшаются условия работы режущего инструмента, выход стружки, уменьшается температура в зоне резания.

Так как параметры частей устройства имеют оптимальные значения, то интенсивность колебаний возрастает. Поэтому происходит более полное использование энергии УЗК, что повышает эффективность обработки.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в машиностроении, а именно на операциях обработки отверстий из различных материалов осевым инструментом;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанного в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость"

Формула изобретения

Устройство для подачи смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), содержащее направляющее сопло для подачи СОЖ, связанное с пьезокерамическими преобразователями для наложения ультразвуковых колебаний на струю СОЖ, отличающееся тем, что ультразвуковые колебания модулированы по амплитуде, а суммарная длина излучающих и передающих деталей устройства равна или кратна половине длины волны ультразвуковых колебаний, при этом упомянутые детали закреплены в месте с наименьшей амплитудой колебаний, расположенном на расстоянии от излучающего торца сопла, равном или кратном четверти длины волны.

РИСУНКИ

Рисунок 1