Физические механизмы эффективности сухого электростатического охлаждения

№117-1,

технические науки

В статье проведен анализ физики процесса резания с использованием сухого электростатического охлаждения и выделены три механизма, обеспечивающие его эффективность: охлаждение, разупрочнение и пассивация поверхности.

Похожие материалы

Одна из проблем, стоящих сегодня перед обрабатывающей промышленностью, заключается в том, как сократить использование смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). Использование СОЖ в механической обработке значительно улучшили производительность и качество обрабатываемых деталей. Тем не менее, применение СОЖ ввиду доказанной токсичности и неудовлетворительных санитарно-гигиенических условий, влияет на здоровье человека и окружающую среду, так же данный способ охлаждения значительно сказывается на стоимости производства. Эти проблемы побудили многих исследователей искать альтернативные методы охлаждения, заменяя чрезмерное использование смазочно-охлаждающие жидкости.

Переход к обработке без охлаждения (сухое резание) обеспечивает положительный экологический эффект и некоторую экономию за счет исключения необходимости в закупке и утилизации значительных объемов воднодисперсных и масляных смазывающе-охлаждающих технологических жидкостей. Но при этом снижается производительность и повышаются расходы на инструмент.

В связи с этим активно разрабатываются новые альтернативные технологии охлаждения при резании, позволяющие вести обработку более эффективно, чем всухую, но при этом не оказывающие значительного воздействия на окружающую среду. К ним относятся охлаждение с минимальным количеством жидкости, распыленном в воздушном потоке, использование твердых смазок, криогенное охлаждение и др.

Одна из эффективных альтернатив — применение технологии сухого электростатического охлаждения (СЭО). Электростатическая охлаждающая технология использует ионизированные частицы и воздушный поток для смазки и охлаждения зоны резания.

Схема технологии сухого электростатического охлаждения, показанная на рисунке 1, предусматривает размещение вблизи зоны резания заземленного воздушного сопла с избыточным давлением P и центрально расположенной иглой, на которую подается электрическое напряжение Uэ, величина которого обеспечивает горение коронного разряда на выходе сопла.

Схема сухого электростатического охлаждения
Рисунок 1. Схема сухого электростатического охлаждения

По данным российских и зарубежных исследователей [1,2] эффективность сухого электростатического охлаждения (СЭО) сопоставима с обработкой с жидким охлаждением и значительно превосходит «сухое» резание. Причем, использование в качестве охлаждения просто струи воздуха не приводит к существенному эффекту.

Переходя к оценке физических механизмов эффективности СЭО в первую очередь необходимо описать физические условия в зоне резания, в частности это

  1. Высокая температура, возникающая при пластической деформации обрабатываемого материала в зоне резания, при трении стружки по передней поверхности резца и при трении задней поверхности резца об обработанную поверхность;
  2. Деформационные процессы, вызывающие отделение стружки;
  3. Образование ювенильных (не окисленных) поверхностей заготовки и стружки, обладающих повышенной адгезией по отношению к материалу режущего клина и вызывающих изнашивание.

С дугой стороны, поток воздуха модифицированного коронным разрядом привносит в зону резания следующее:

  1. Поток быстро двигающихся заряженных частиц, скорость которых складывается их скорости воздушного потока и скорости электростатического притяжения;
  2. Поверхностный электрический заряд, привносимый в зону резания заряженной воздушной струей;
  3. Повышенную концентрацию озона в зоне резания, что обеспечивает лучшую окисляющую способность среды.

На основании перечисленных факторов, эффективность СЭО определяется взаимным влиянием трех основных факторов: охлаждение под действием высокоскоростных заряженных частиц, обладающих вследствие электростатического притяжения большей проникающей способностью; разупрочнение обрабатываемого материала под влиянием поверхностного электрического заряда, облегчающего переход от деформации к зарождению трещины разрушения и рост трещины; пассивацию ювенильных поверхностей с образованием окисных пленок которые препятствуют схватыванию с материалом режущего клина и играют роль твердой смазки.

Список литературы

  1. Ахметзянов И.Д., Ильин В.И., Кирий В.Г. Влияние униполярного коронного разряда на процесс обработки резанием. // Межвуз. сб. Электрофизические процессы в сильных электрических и магнитных полях. Чебоксары, ЧувГУ, 1987, 148 с
  2. Liu Xin, Xu Wen, Sun Jing. (2011). Experimental Research on the Dry Electrostatic Cooling Assisted Machining for Hardened Steel. Advanced Materials Research. 189-193. 3026-3030. 10.4028/www.scientific.net/AMR.189-193.3026.