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.