Изобретение относится к машиностроению, касается обработки металлов резанием и может быть использовано на токарных, сверлильных, фрезерных, зуборезных, протяжных, шлифовальных и других станках.
Известен способ подачи СОЖ с ультразвуковыми колебаниями, при котором на небольшом расстоянии от рабочей поверхности инструмента устанавливают волновод (концентратор, излучатель), жестко соединенный с вибратором, преобразующим электромагнитные колебания ультразвуковой частоты в упругие колебания. СОЖ поступает в зазор между торцом волновода и рабочей поверхностью инструмента. Волновой характер движения СОЖ обеспечивает очистку рабочей поверхности инструмента за счет возникающей кавитации [1] .
Однако очистка инструмента актуальна в основном лишь на операциях абразивной обработки, поэтому данный способ нашел применение лишь на операциях шлифования и не используется на операциях лезвийной обработки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ охлаждения при подаче СОЖ в виде воздушно-жидкостной смеси, при котором СОЖ и воздух смешивают за счет использования энергии струи движущегося воздуха и в виде аэрозоли направляют в зону обработки [2] .
Увеличение эффективности действия СОЖ при подаче ее в распыленном состоянии объясняется повышением физической и химической активности СОЖ, интенсификации тепло- и массообмена при обтекании ею нагретых инструмента и заготовки за счет увеличения удельной поверхности распыленной жидкости вследствие уменьшения размера частиц жидкости.
Недостатком способа является низкая эффективность обработки, так как реализация функциональных свойств СОЖ в зоне обработки затруднена вследствие относительно высокого размера частиц жидкости, который составляет (12-25) мкм. Поэтому данный способ находит применение главным образом на тех операциях, где раньше осуществлялась обработка всухую (без СОЖ), а также на станках с ЧПУ, где большие расходы СОЖ могут привести к выходу из строя электрооборудования и гидравлики. В то же время известно, что с уменьшением размеров частиц облегчается проникновение их в зону обработки и увеличивается удельная поверхность распыленной жидкости, что приводит к интенсификации функциональных свойств СОЖ в зоне резания, при малых ее расходах.
Целью изобретения является повышение эффективности процесса обработки резанием за счет интенсификации функциональных свойств СОЖ в зоне обработки.
Распыление жидкости с помощью ультразвуковых колебаний способствует образованию мелкодисперсной воздушно-жидкостной смеси (аэрозоли). С уменьшением размеров частиц СОЖ облегчается проникновение смеси в зону обработки и увеличивается удельная поверхность распыленной жидкости, что приводит к интенсификации функциональных свойств СОЖ в зоне резания.
Выбор способа подвода акустической энергии к зоне распыления - через распыляемую жидкость - связан с возможностью распыления жидкости в верхней части образующегося при этом фонтана. Выбор диапазона частоты ультразвуковых колебаний обусловлен необходимостью получения частиц жидкости определенного размера. Для эффективного проникновения СОЖ в зону обработки ее размеры должны быть не меньше размеров сечений межповерхностных капилляров твердого типа, которые находятся в пределах 2 х 10-7 - 4 х 10-6 м.
Диаметр d частиц аэрозоля и частота f колебаний связаны зависимостью
d= 0,3 
, где σ - коэффициент поверхностного натяжения;
ρ - плотность жидкости.
Для жидкости на водной основе (σ= 70 x 10-3 Н/м; ρ = 1000 кг/м3) при f = 1 МГц.
d= 0,3 
= 3.6·10-6 м= 3.6 мкм
Известно, что при некоторых условиях резания сечение капилляров между поверхностями стружки и инструмента достигает 4 мкм. Таким образом, наложение колебаний частотой 1 МГц способствует образованию частиц, размер которых меньше максимального сечения образующихся капилляров в зоне резания, а следовательно, облегчается проникновение этих частиц через сеть капилляров в зону обработки.
Из приведенной зависимости следует, что с увеличением частоты колебаний диаметр частиц аэрозоля уменьшается.
Максимальную частоту накладываемых колебаний определяют из условия равенства диаметра d образовавшихся частиц максимальному сечению капилляров, которое составляет 2 х 10-7 м.
f= 
;
f= 
10-7= 77·106 Гц= 77 МГц.
Увеличивать частоту колебаний свыше 77 МГц нецелесообразно, поскольку уже при этой частоте диаметр образовавшихся частиц достаточен, чтобы проникнуть через капиллярную щель минимального сечения.
На чертеже изображена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство содержит камеру 1, на дне которой крепится фокусирующий преобразователь (излучатель) 2, крышку 3, соединительные трубки 4 и 5, генератор 6 высокой частоты. Камера заполнена жидкостью 7.
После заполнения камеры 1 смазочно-охлаждающей жидкостью 7 до уровня, расположенного несколько выше фокуса F излучателя, включается генератор высокой частоты, электрический сигнал с которого передается на пьезоэлектрический преобразователь 2. Преобразователь образует ультразвуковые колебания, с помощью которых производится испарение (распыление) жидкости. Распыление жидкости осуществляется за счет эффекта кавитации, т. е. образования и захлопывания в ней паровых и газовых пузырей (каверн) при наложении колебаний ультразвуковой частоты.
На поверхности струи, возникающей вследствие эффекта фонтанирования жидкости в месте попадания на ее поверхность ультразвуковых колебаний, возбуждаются капиллярные волны. Образование капель аэрозоля происходит в результате их отрыва от гребней стоячих капиллярных волн. Через трубку 4 подается сжатый воздух, вследствие чего воздушно-жидкостная смесь через трубку 5 направляется в зону обработки.
Данный способ охлаждения обеспечивает получение мелкодисперсной воздушно-жидкостной смеси (аэрозоли).
П р и м е р. В заготовках из алюминиевого сплава 1163Т7 сверлили отверстия диаметром 10 мм. Сверление осуществляли сверлами из быстрорежущей стали Р6М5 с углом 2 ϕ = 118о. Режим обработки: частота вращения сверла n = 1600 об/мин; скорость подачи vs = 71 мм/мин.
Охлаждение зоны обработки осуществляли двумя способами: по первому способу распыление жидкости осуществляли за счет энергии струи движущегося воздуха; по второму способу образование воздушно-жидкостной смеси производилось путем наложения на жидкость ультразвуковых колебаний частотой 2,64 МГц и мощностью 50 Вт.
Расход жидкости составлял в обоих случаях 400 г/ч. В качестве жидкости использовали спирт.
Результаты исследований приведены в таблице.
Из результатов исследований следует, что образование воздушно-жидкостной смеси путем наложения на жидкость колебаний ультразвуковой частоты способствует снижению параметра Rа шероховатости обработанных поверхностей на 35% и момента резания на 21% соответственно. Отмеченный эффект объясняется образованием мелкодисперсной воздушно-жидкостной смеси (аэрозоли), 80% частиц жидкости в которой имеют диаметр до 5 мкм. Удельная поверхность мелкодисперсной смеси гораздо выше, что способствует интенсификации функциональных свойств СОЖ в зоне резания. Кроме того, облегчается процесс проникновения мелкодисперсной жидкости в зону резания.
Заявляемый "Способ охлаждения" представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволяет улучшить качество обработанных деталей (снизить параметр Rа на 35% ) и снизить энергетические затраты на процесс резания (момент резания снижается на 21% ). (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 246168, кл. B 23 Q 11/10, 1960.
2. Худобин Л. В. , Бердичевский Е. Г. Техника применения смазочно-охлаждающих средств в металлообработке. М. : Машиностроение, 1977, с. 102-108.
Использование: обработка металлов резанием с использованием смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Сущность изобретения: согласно изобретению в зону обработки СОЖ подают в виде струи воздушно-жидкостную смесь, причем до смешивания СОЖ со сжатым воздухом на нее воздействуют ультразвуковыми колебаниями, частоту которых выбирают в диапазоне 1 - 77 МГц. 1 ил, 1 табл.
СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ, при котором в зону обработки подают смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ) в виде струи воздушно-жидкостной смеси, отличающийся тем, что на СОЖ, до смешивания ее со сжатым воздухом, воздействуют ультразвуковыми колебаниями, частоту которых выбирают в диапазоне 1 - 77 МГц.
