Улавливающее действие СОЖ при шлифовании и оценка его эффективности

Последние годы в нашей стране и за рубежом ведутся активные научные исследования, направленные на совершенствование способов подачи смазочно-охлаждающей технологической жидкости (СОЖ) и применение различных видов энергетического воздействия на нее [1–5]. Особенности применения СОЖ при абразивной обработке связаны со спецификой конструкции инструмента [6], режимами и способом обработки [7–11]. Основными действиями СОЖ являются: смазочное, охлаждающее, моющее, диспергирующее и антикоррозионное [12–14]. На сегодня известно более 2000 различных способов подачи СОЖ. После их систематизации было выделено 30 основных способов, значительное число их разновидностей и комбинаций [15].

Рис. 1. Устройство заградительного способа подачи СОЖ: 1 – круг шлифовальный; 2 – защитный кожух;

3 – заготовка; 4 – сопло; 5 – струя СОЖ; 6 – факел отходов шлифования

В 2002 году был разработан новый основной способ подачи СОЖ – заградительный, предназначенный для борьбы с факелом отходов, направленно движущимся из зоны резания и являющимся основным источником загрязнений в рабочей зоне шлифовщика (рис. 1) [14, 16].

В соответствии с ГОСТ 12.1.005–88 под рабочей зоной понимается пространство, ограниченное по высоте 2 м над уровнем пола или площадки, на которой находится место постоянного (более 50 % рабочего времени или более 2 ч непрерывно) пребывания работающего.

В заградительном способе подачи СОЖ улавливанию факела шлифования отводится основное значение, что достигается посредством вертикального расположения сопла для подачи СОЖ за зоной обработки так, что на пути факела создается заградительная штор а из жидкости, обеспечивающая его эффективное улавливание [16, 17].

Однако при заградительном способе не обеспечивается эффективная реализация СОЖ своих известных действий, что создало предпосылки к разработке в 2012 году комбин и рованного способа подачи СОЖ с применением заградительного способа. Методом анализа иерархий был проведен анализ основных способов подачи СОЖ и выявлены способы, пр и которых технологическая жидкость наиболее эффективно реализует свои функции: свободно падающей струей, напорной струей, гидроаэродинамический, в среде СОЖ. Наиболее значимые из них: свободно падающей струей, в среде СОЖ [17], (рис. 2), которы е легли в основу нового комбин и рованного способа подачи СОЖ [18] (рис. 3).

а)                                                                 б)

Рис. 2. Наиболее значимые способы подачи СОЖ при плоском шлифовании: а – поливом; б – шлифование в среде СОЖ; 1 – шлифовальный круг; 2 – защитный кожух;

3 – заготовка; 4 – сопло для подачи СОЖ

Рис. 3. Устройство комбинированной подачи СОЖ: 1 – деталь; 2 – шлифовальный круг; 3 – защитный кожух; 4 – сопла; 5 – трубопровод; 6 – штора из СОЖ; 7 – ванна из СОЖ; 8 – манометры; 9 – вентили

Сущность способа заключалась в том, что зона обработки по периметру полностью окружается шторами из СОЖ, а за счет наклона этих штор в зоне резания создавалась ванна из технологической жидкости. Вследствие этого, весь шлам, вылетающий из зоны резания, полностью гаранти- рованно улавливается защитными шторами из СОЖ, а в самой зоне резания создается ванна из технологической жидкости. Уловленные частицы шлама смываются в систему очистки СОЖ станка.

Как показала опытная эксплуатация, данное устро й ство имеет ряд недостатков [17, 19]:

– повышенный расход СОЖ;

– низкая эффективность при шлифовании пространственных деталей;

– повышенные энергозатраты системы подачи СОЖ станка.

Рис. 4. Новое устройство комбинированной подачи СОЖ при плоском шлифовании периферией круга: 1 – трубопровод; 2 – кожух станка; 3 – устройство комбинированной подачи СОЖ; 4 – стол магнитный;

5 – штора из СОЖ

С целью ликвидации указанных недостатков в 2014 году дан н ый способ доработан с учетом применени я гидроаэродинами-ческого способа подачи СОЖ и разработано н о вое устройство комбинированной подачи С О Ж (рис. 4). Устройст в о представляет собой моноблок, крепящийся к защитному к о жуху 2 станка, к нему присоединяются трубопроводы 1, обеспечивающие подачу С О Ж. Сама жидкость образует заградительный контур 5, меньшего перим е тра, чем в предшествующем устройстве [20] .

В нижней части устройство снабжено рядом нерегулируемых сопел 1–7, спозиционированных, как показано на рис. 5, за счет которых, вокруг зоны резания формируется сплошная заградительная штора из СОЖ, улавливающая все отходы шлифования и пары СОЖ. За счет комбинации не менее 6 основных способов подачи (поливом в зону обработки, поливом вне зоны обработ- ки на периферию круга и на заготовку, шлифование в среде СОЖ, гидроаэродинамический, заградительный) нейтрализуется негативное влияние периферийных воздушных потоков на действие СОЖ, а при контакте круга с заготовкой мгновенно в зоне резания формируется проточная динамическая пространственная ванна из технологической жидкости.

Рис. 5. Конструктивные особенности нового устройства комбинированной подачи СОЖ: 1 – сопло тыльное; 2 – сопло конструктивное; 3 – сопло фронтальное; 4 – 7 – сопла контурные

Устройство снабжено винтами 1 (рис. 6), обеспеч и вающими регулировку положения устройства при износе или правке шлифовального круга.

Общеизвестно, что шлифование сопровождается пылевыделением, ин т енсивност ь которого зависит от обрабатываемого материала, используемого абразивного инструмента и техники подачи СОЖ.

Пыль при шлифовании представляет собой аэродисперсную систему, в которой дисперсионной средой является воздух рабочей зоны, а в дисперсную фазу входят взвешенные твердые частицы обрабатываемого материала, абразива и связки шлифовального к руга, а также распыленная СОЖ.

Рис. 6. Регулировка нового устройства комбинированной подачи СОЖ по высоте

При работе шлифовального станка пыли выделя е тся до 30 г/ч на 1 кВт мощности д исперсностью от 0,1 до 200 мкм. Благодаря сравнительно быстрому оседанию кру п ных пыле в ых частиц (от 10 мкм и более), в воздухе производственных помещений преобладают пылевые частицы до 10 мкм, причем 70–90 % из них составляют частицы размером до 5 мкм.

Одним из самых распространенных опасных ве щ еств, выделяющихся при шлифовании, является диоксид кремния (SiO 2 ), поступающий из зоны резания в виде аэрозолей дезин т еграции и конденсации и составляющий до 70 % от общей массы пыли. Диоксид кремния относится к 3 классу опасности, его ПДК в рабочей зоне состав л яет 2 мг/м³ [21].

На основании развития техники подачи СОЖ, возможно говорить о выделении нового функционального действия (свойства) СОЖ – улавливающего, которое заключается в снижении концентрации вредных веществ в рабочей зоне оператора станка за счет нейтрализации факела отходов шлифования и аэрозолей дезинтеграции и конденсации из зоны резания путем их физическо- го улавливания и отвода технологической жидкостью.

Рис. 7. Оценка улавливающего действия СОЖ для разработанных способов: 1 – заградительный; 2 – комбинированный; 3 – новый комбинированный (прогнозируемое значение)

Численно улавливающее дей с твие СОЖ возможно оценить че р ез безразмерный коэффициент улавливания µ по формуле:

К ц =        ,

ПДК где К – концентрация вредных выбросов в рабочей зоне, мг/м3; ПДК – предельно допустимая концентрация вредного вещества в рабочей зоне, мг/м3.

Улавливающее действие СОЖ можно считать удовлетворительным при значении коэффициента ц < 1 и чем меньше это значение, тем эффективнее улавливающее действие СОЖ. Следует учитывать, что интенсивное попадание раскаленных отходов из зоны резания в СОЖ интенсифицирует ее испарение и нагрев, способно резко изменить ее состав и структуру [12, 13], поэтому в каждом конкретном случае процесс улавливания требует взвешенного подхода.

Результаты испытаний рассмотренных способов подачи СОЖ представлены на рис. 7. Анализируя полученные данные можно сделать вывод, что наиболее эффективным, с точки зрения улавливания и нейтрализации факела отходов шлифования и аэрозолей дезинтеграции и конденсации из зоны резания, является устройство доработанного, с учетом применения гидроаэроди-намического, комбинированного способа подачи СОЖ [14, 22].