Устройство для подачи газообразного смазочно-охлаждающего технологического средства (сотс) для охлаждения и смазки инструментов

Изобретение относится к области машиностроения, обработке резанием. Устройство содержит сопло для формирования потока СОТС. Для повышения стойкости металлорежущих инструментов упомянутое сопло выполнено в виде сопла Лаваля, а устройство снабжено дополнительным внешним соплом, газопроводом и резервуаром с жидко- или твердофазным смазочным компонентом для подачи в сопло для формирования потока СОТС, и выполнено с возможностью разделения потока газообразного СОТС на три части и подачи одной из них на вход в сопло Лаваля, другой - через резервуар в диффузорную часть упомянутого сопла, а третьей - во внешнее сопло через газопровод. Устройство может быть предназначено для подачи ионизированного или неионизированного СОТС. Диаметр внешнего сопла может составлять 2-15 диаметров сопла Лаваля, а расстояние между выходными сечениями сопел составляет 5-25 мм. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к устройствам подачи смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) в газообразном или ионизированном состояниях, а именно к конструкции сопла для реализации данных способов.

Известен метод охлаждения с помощью коронного разряда [1]. При данном методе сопло представляет собой кольцо с отверстием в центре, изготовленное из токопроводящего материала. Путем подачи потенциала на это кольцо производится фокусировка ионного потока.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту являются сопла, предназначенные для фокусировки, либо расфокусировки ионизированного потока воздуха или газа, которыми оснащено устройство для охлаждения инструмента [2].

Основными недостатками использования таких сопел являются:

- значительное рассеяние струи ионизированной СОТС после выхода из сопла, даже после ее фокусировки в сопле, что приводит к значительному снижению эффективности СОТС, вплоть до полного нивелирования ее функциональных свойств (как при резании без использования СОТС);

- улучшение смазочной функции ионизированной СОТС путем введения в ее состав дополнительного компонента (в жидком или твердом состоянии) при использовании указанных устройств приводит к повышенному расходу смазочного компонента и, как следствие, к ухудшению экологической обстановки окружающего пространства; - проведение фокусирования ионизированного газа неизбежно приведет к потере его скорости и эффективности СОТС в целом в результате действия сил отталкивания между одноименными зарядами ионизированного потока и фокусирующего кольца сопла, т.к. ионы и озон являются короткоживущими частицами;

- невозможность фокусирования неионизированных (не имеющих заряда) СОТС, в том числе и нейтральных составляющих ионизированной СОТС (например, озона).

Задачей настоящей работы является повышение стойкости металлорежущих инструментов, уменьшение количества используемой СОТС, улучшение экологии процессов металлообработки путем разработки нового сопла, использование которого обеспечивает реализацию смазочного и охлаждающего эффектов газообразной СОТС независимо от наличия в ней заряженных частиц или знака этих частиц.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемое сопло (см. чертеж), предназначенное для подачи ионизированного или неионизированного СОТС, выполнено в виде сопла Лаваля и снабжено дополнительным внешним соплом, газопроводом и резервуаром с жидко- или твердофазным смазочным компонентом для подачи в сопло для формирования потока СОТС, и выполнено с возможностью разделения потока газообразного СОТС на три части, и подачи одной из них на вход сопла Лаваля, другой - через резервуар в диффузорную часть упомянутого сопла, а третьей - во внешнее сопло через газопровод. При этом диаметр внешнего сопла составляет 2-15 диаметров сопла Лаваля, а расстояние между выходными сечениями сопел составляет 5-25 мм.

Устройство представлено на чертеже.

Внутреннее сопло (1), разработанное на принципе действия сопла Лаваля, имеет конфузорную с углом схождения α=90-120° и диффузорную с углом расхождения β=0-7° части. Длина конфузорной части определялась размерами переходного конуса с вышеприведенными углами схождения, а диффузорной части составляла L_Диф.=7-35 мм. Это сопло служило для подачи смазочного компонента СОТС и для формирования узко направленной газовой струи, с содержащимся в ее составе смазочным компонентом, в требуемом направлении. Диаметр критического сечения (линия пересечения конфузорной и диффузорной частей) имел размеры d_КР=0,3-5,0 мм и выбирался в зависимости от размера смазочного компонента или требуемой пропускной способности диффузорной части (в зависимости от операции, вида обработки и параметров процесса резания).

Основными функциями внешнего сопла (3), диаметр которого составлял D_Вн.=2-15 диаметров внутреннего, являлось охлаждение зоны резания и инструмента, а также уменьшение угла разлета газовой струи из внутреннего сопла, содержащей смазочный компонент. Расстояние между выходными сечениями внешнего и внутреннего сопел составляло L_Сеч.=5-25 мм.

Расстояние от сопла-инжектора до мишени составляло L=20-100 мм. Меньшее расстояние лимитировалось возможностью возникновения препятствий для СОТС со стороны стружки, максимальное - эффективностью СОТС.

Газообразная СОТС подается под избыточным давлением Р_ВХ=0,01-3,5 атм на вход сопла-инжектора, где поток разделяется на три части. Одна часть потока поступает во внутренне сопло (1), проходя через которое, согласно законам аэро- и гидродинамики, а также конструктивным особенностям самого сопла, газовый поток увеличивает свою скорость при одновременном снижении внутреннего давления в самом потоке. Другая часть потока поступает в резервуар (2) с жидкофазным или твердофазным смазочным компонентом, обогащается им и за счет разности давлений в резервуаре (2) и диффузорной части сопла (1) соединяется с первым потоком.

Третья часть газового потока через газопровод (4) поступает во внешнее сопло (3), а так как размеры этого сопла больше, чем внутреннего, то скорость потока газа в нем значительно меньше, а давление больше, чем в сопле (1). В результате разности давлений газовый поток внешнего сопла (3) "давит" на поток газа, выходящего из внутреннего сопла (1), ограничивая его угол разлета. После выхода из сопла внешний поток выполняет охлаждающую функцию СОТС. Оптимальное соотношение количества и газа во всех потоках и скорости газа на выходе из внутреннего сопла регулировалось вентилями (5).

Совокупность таких характеристик сопла-инжектора, как высокая скорость газового потока, имеющего в своем составе смазочные компоненты, дополнительное воздействие на него со стороны потока внешнего сопла, геометрия и рабочие параметры сопла-инжектора, обуславливают минимальную величину разлета смазочной компоненты СОТС. Охлаждающий эффект реализуется за счет действия газового потока внешнего сопла.

Ионизацию газового потока можно проводить на любой стадии его прохождения через сопло-инжектор: на входе в сопло-инжектор, индивидуально во внутреннем или внешнем соплах, во внешнем сопле на выходе внутреннего сопла, на выходе из сопла-инжектора.

В качестве смазочного компонента использовались: мелкодисперсные порошки дисульфида молибдена MoS₂, меди, алюминия, магнитные микрокапсулы по [3], масло индустриальное И-40А; обрабатываемых материалов: углеродистая сталь 45, хромистая сталь 40Х, аустенитная нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, титановые сплавы ВТ5-1 и ВТ6, жаропрочный сплава ВЖ-98. В качестве газообразной СОТС применялись ионизированные и неионизированные воздух, кислород, азот. Резание осуществлялось на операциях точения, сверления, фрезерования.

В табл.1 представлены данные по стойкости упорно-проходных резцов, изготовленных из стали Р6М5, при чистовом точении стали 45 (V=1,0 м/с, S=0,1 мм/об, t=0,5 мм) с использованием в качестве СОТС ионизированного воздуха, имеющего в своем составе в качестве смазочного компонента магнитные микрокапсулы размером 10-50 мкм при расстоянии от сопла до зоны резания (мишени) L=40 мм. С учетом размеров смазочных компонентов и условий резания диаметр критического сечения сопла-инжектора составлял d_КР=1,0 мм

Таблица 1.
Сопло	РВХ, атм	Угол β, град	LДиф., мм	LСеч., мм	DВн., мм	Стойкость, мин
Базовый объект по [1]	0,25	-	-	-	-	27
Прототип по [2]	0,25	-	-	-	-	32
Предлагаемое сопло	0,25	3	20	12	7	53
Граничные значения	0,01	3	20	12	7	35

	0,25	0	20	12	7	41
	0,25	3	7	12	7	35
	0,25	3	20	5	7	35
	0,25	3	20	12	2	33
	3,5	3	20	12	7	38
	0,25	7	20	12	7	36
	0,25	3	35	12	7	35
	0,25	3	20	25	7	33
	0,25	3	20	12	15	33
Запредельные значения	0,007	3	20	12	7	28
	0,25	-1	20	12	7	32
	0,25	3	6	12	7	31
	0,25	3	20	4	7	32
	0,25	3	20	12	1,8	30
	3,6	3	20	12	7	32
	0,25	8	20	12	7	32
	0,25	3	36	12	7	32
	0,25	3	20	26	7	32
	0,25	3	20	12	16	32

Общие закономерности результатов на другим операциям при резании других обрабатываемых материалов с использованием в качестве газообразных СОТС ионизированных и неионизированных кислорода и азота близки к приведенным в таблице.

Источники информации

1. Патент US №3938345.

2. Патент РФ №2156927. Устройство для охлаждения инструмента. Авторы: Трифонов О.Н., Панин М.Г.

3. Патент РФ №2147923. Способ получения микрокапсул. Авторы: Латышев В.Н., Наумов А.Г., Чиркин С.А., Прибылов А.Н.

1. Устройство для подачи газообразного смазочно-охлаждающего технологического средства (СОТС), содержащее сопло для формирования потока СОТС, отличающееся тем, что оно выполнено в виде сопла Лаваля и снабжено дополнительным внешним соплом, газопроводом и резервуаром с жидко- или твердофазным смазочным компонентом для подачи в сопло для формирования потока СОТС, выполнено с возможностью разделения потока газообразного СОТС на три части и подачи одной из них на вход в сопло Лаваля, другой - через резервуар в диффузорную часть упомянутого сопла, а третьей - во внешнее сопло через газопровод.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно предназначено для подачи ионизированного или неионизированного СОТС.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что диаметр внешнего сопла составляет 2-15 диаметров сопла Лаваля, а расстояние между выходными сечениями сопел составляет 5-25 мм.