В процессе шлифования, являющемся одним из методов окончательной обработки заготовок деталей машин, обеспечение высокого качества их поверхностного слоя затруднено вследствие высоких температур, возникающих в зоне резания. Одним из путей снижения температур является рациональное применение высокоэффективных и дорогостоящих составов смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). Ультразвуковая техника подачи СОЖ позволяет существенно улучшить качество обработанных деталей и уменьшить расход дорогостоящих абразивных кругов и правящих инструментов при использовании минимальных объемов любых составов жидкостей.
Качественные характеристики деталей машин (микро- и макрогеометрия, микротвердость, остаточные напряжения и др.), определяющие их эксплуатационные характеристики, в большинстве случаев формируются при операциях шлифования. Этот процесс характеризуется высокой тепловой напряженностью и большой вероятностью появления в поверхностных слоях шлифованных деталей дефектов в виде прижогов и микротрещин, снижающих эксплуатационные свойства деталей. Одним из наиболее рациональных путей снижения тепловой напряженности процесса шлифования и улучшения качества шлифованных деталей является применение эффективной техники подачи СОЖ.
Многочисленными лабораторными исследованиями и опытом промышленности доказана высокая эффективность разработанной в Ульяновском государственном техническом университете ультразвуковой (УЗ) техники подачи СОЖ к торцам шлифовального круга на керамической связке, при которой жидкость подают к торцовым поверхностям круга 2 через полуоткрытые насадки (рис. 1). Под действием центробежных сил СОЖ, проникшая в поровое пространство шлифовального круга, перемещается к его периферии, и проникает в зону шлифования, благодаря чему существенно увеличивается расход жидкости через эту зону и интенсифицируется ее действие. В процессе правки шлифовального круга СОЖ проникает в зону контакта правящего инструмента и шлифовального круга. Ультразвуковые колебания, накладываемые на насадки для подачи СОЖ, способствуют интенсификации фильтрации жидкости через поровое пространство круга и транспортировки ее в зону шлифования и правки круга. Увеличение скорости и расхода СОЖ через поры круга при наложении УЗ-колебаний является результатом действия ударных волн от захлопывающихся кавитационных полостей, локализованных в сечениях поровых каналов.
Применение ультразвуковой техники подачи СОЖ эффективно при использовании обычных низконапорных (до 0,05 МПа) насосов для подачи жидкости и относительно малом (до 40 дм3/мин) ее расходе. Использование нового ультразвукового генератора «Техма-2М» с амплитудно-модулированной формой сигнала позволяет существенно интенсифицировать пропитку порового пространства круга и расход СОЖ через зону шлифования и правки в сравнении с традиционной синусоидальной формой сигнала.
К настоящему времени разработаны и испытаны устройства для реализации ультразвуковой техники подачи СОЖ различных габаритных размеров и новые малогабаритные ультразвуковые генераторы, отличающиеся современной элементной базой, малыми размерами и потребляемой мощностью.
Лабораторные и производственные испытания показали, что по сравнению с традиционной подачей СОЖ поливом ультразвуковая техника при обработке заготовок из материалов, широко используемых в различных отраслях промышленности, обеспечивает: снижение на 20—45% силы шлифования и контактных температур; улучшение качественных и эксплуатационных характеристик шлифованных деталей; увеличение в несколько раз периода стойкости шлифовальных кругов и правящих инструментов и соответствующее сокращение их расхода.
Использование ультразвуковой техники подачи СОЖ в условиях действующего производства на станках моделей 3М151, 3Т161ЕИ, 3М153У, 3Е183А, 3Е184Е, 3Л722В, 3Е711ЕВ1, 3Е710В1, 3К823В, ЛШ-220, ЛШ-233, ВТ92Ф2, станках фирм G.Magerle (Щвейцария), ELB.SCHLIFF (Германия), Kikinda (Югославия), Matrix (Великобритания) и др., обеспечивает увеличение периода стойкости кругов на керамической связке и алмазных правящих инструментов в 2—3 раза при одновременном повышении производительности обработки, заданного качества и эксплуатационных характеристик шлифованных деталей.
Техническая характеристика УЗ-техники подачи СОЖ:
Концентрация механических примесей в СОЖ, г/дм3, не более
0,2
Тонкость очистки СОЖ, мкм
10-15
Расход СОЖ через один УЗ-насадок, дм3/мин
10-15
Рабочее давление СОЖ в УЗ-насадке, МПа
0,02-0,1
Количество УЗ-насадков:
при высоте круга до 25 мм
свыше 25 мм
1
2
Масса УЗ-насадка в сборе, кг, не более
4
Ультразвуковые генераторы УЗУ-0,25 (мощность 250 Вт), Техма-02, Техма-2М (50 Вт)
Частота УЗК, кГц
Частота модулирующего сигнала, кГц
18,6-19,5
1,0
Амплитуда колебаний насадка, мкм
4-5
Стоимость — не более 10% от стоимости шлифовального станка
Срок окупаемости — не более 1,1 – 1,5 лет.
Обобщенные данные по сравнительной технологической эффективности УЗ-техники подачи СОЖ при шлифовании заготовок, полученные по результатам производственных испытаний и внедрения в производство, представлены в таблице.
Сравнительная технологическая эффективность УЗ-техники подачи СОЖ при шлифовании (в относительных показателях)
Материал заготовки
Вид шлифования Период стойкости круга ?с Шероховатость шлифованной поверхности Rа Производительность
Стали:
30Х, HRC 55
Совмещенное
10—15
0,5—0,9
1,1—1,3
20ХГНМ, HRC 55
Торцекруглое
2—2,1
0,9—1
1,1—1,2
20Х2НМ, HRC 58
Круглое
наружное
4,4—5
0,5—0,6
1—1,1
30ХГСН2А, HRC 45—48
Бесцентровое
19,5—20
0,4—0,5
1,1—1,15
30ХГСА, HRC 45—48
Бесцентровое
8,8—9,5
0,8—0,85
1,1—1,12
40ХН2МА, HRC 48
Бесцентровое
7,8—8
0,8—0,85
1,1—1,15
16Х11Н2В2МФ, HRC 45—48
Бесцентровое
6,0—6,5
0,9—0,95
1—1,15
ХВГ, HRC 60—62
Резьбошлифование
2,2—2,5
0,95—1
1—1,1
40Х9С2 (в состоянии поставки)
Фасонное
2,5 – 2,6
0,95 – 1
1,1 – 1,15
18Х2Н4МА, НВ 269
Фасонное
2,5—3
0,8—0,9
1,1—1,15
50Г, HRC 52—56
Фасонное *
1,2
0,8—0,9
1,1—1,2
Высокопрочный чугун ВЧ50 в состоянии поставки Круглое наружное*
2,5—2,8
0,9—1
1,1—1,15
Жаропрочные
сплавы:
ВЖ98 (в состоянии поставки)
Круглое наружное
2,8—3
0,7—0,9
1,1—1,2
ЦНК7 (в состоянии поставки)
Глубинное
2—2,2
0,8—1
1,4—2,4
ЖС6К-ВИ (в состоянии поставки)
Плоское глубинное
4—4,2
0,85—0,9
1,3—1,5
Титановый сплав ВТ16, HRC 33—38 Бесцентровое*
6,4—7
0,7—0,75
1,1—1,2
Примечания: 1. За единицу приняты значения, полученные при шлифовании с подачей СОЖ поливом, а при глубинном шлифовании напорной (до 1 МПа) струей к зоне обработки. 2. Использованы СОЖ: * — синтетические; в остальных случаях — водомасляные эмульсии.
Источниками экономической эффективности от внедрения являются: снижение расхода шлифовальных кругов и правящего инструмента в 1,5—2 раза, увеличение периода стойкости кругов в 2—5 раз, увеличение ресурса обработанных деталей до 50% или увеличение производительности шлифования на 25—30% при неизменном периоде стойкости кругов и качестве деталей.