KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 6 nr Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 006 EUGENE FELDSHTEIN, RADOSŁAW MARUDA WARUNKI PRZEPŁYWU CIEPŁA W CZASIE CHŁODZENIA STREFY SKRAWANIA MGŁĄ EMULSYJNĄ Przedstawiono wyniki badań wpływu chłodzenia mgłą emulsyjną na warunki odprowadzania ciepła ze strefy skrawania. Ustalono wpływ przepływu powietrza i emulsji na średnicę i liczbę kropelek mgły emulsyjnej. W wyniku obliczeń ustalono warunki chłodzenia, w których wyparuje całkowita liczba kropelek spadających na powierzchnie nagrzane strefy skrawania. Ustalono również skuteczność odprowadzania ciepła przez mgłę emulsyjną w procesie toczenia. Słowa kluczowe: mgła emulsyjna, wymiana ciepła 1. WPROWADZENIE Podstawowe zadania, jakie stawia się mediom chłodząco-smarującym podczas obróbki, to: odprowadzenie ciepła ze strefy skrawania oraz tworzenie warstewki smaru na powierzchniach styku. Największym problemem w obróbce z wykorzystaniem medium chłodząco-smarującego jest określenie jego właściwej ilości [9]. Przykładowo, gdy główny składnik emulsji woda paruje, powstają pęcherzyki. Zbyt duża ilość wody powoduje duże zagęszczenie baniek pary na powierzchni obrabianego materiału, które łącząc się, tworzą jakby plamy pary. Warstwa taka odrywa się trudniej od nagrzanej powierzchni, a w czasie, kiedy przywiera do materiału obrabianego, izoluje go od wody, zatem odparowanie maleje. Tworzenie się na powierzchni błon parowych jest charakterystyczne dla tych warunków parowania. Zjawisko to można nazwać wrzeniem błonowym. Oczywiście, powstające błony nie są trwałe, rozrywają się ustawicznie, powstają nowe, w sumie pogarsza to jednak poważnie wymianę ciepła podczas skrawania [3]. Rozpylona ciecz (mgła) paruje znacznie skuteczniej niż zwarty strumień cieczy, a przez to pochłania większą ilość ciepła [5]. Przez pojęcie dostarczania minimalnej ilości medium smarującego w postaci aerozolu rozumie się dostarczanie owego medium w postaci kropelek w sprężo- Prof. dr hab. inż. Mgr inż. Instytut Budowy i Eksploatacji Maszyn Uniwersytetu Zielonogórskiego.
0 E. Feldshtein, R. Maruda nym powietrzu. Medium czynnego w postaci aerozolu zużywa się mniej niż 50 ml/h [9, 10]. Bardzo ważne jest również to, że narzędzie, obrabiany materiał i wióry pozostają wówczas suche. Ze względu na tak małe ilości używanego medium bardzo często nie możemy go zobaczyć gołym okiem, co utrudnia określenie jego prawidłowej ilości. Zwiększenie jego dozowania prowadzi często do powstawania wilgotnych wiórów, które w utylizacji nie mogą być zakwalifikowane jako suchy materiał, a także do pokrycia narzędzia powłoką składającą się z drobnych kropelek emulsji i odłamków wiórów [9]. Do obróbki z użyciem minimalnej ilości medium chłodząco-smarującego najbardziej się nadają emulsje ze względu na zawartość w nich wody oraz oleje ze względu na właściwości smarujące. W tych warunkach obniżenie temperatury podczas procesu obróbki następuje w znacznym stopniu przez obniżenie sił tarcia w strefie skrawania. Po za tym dostarczane do miejsca obróbki sprężone powietrze pomaga w odprowadzaniu wiórów [9]. Podawanie mgły emulsyjnej do strefy skrawania odbywa się dwoma metodami. Pierwsza polega na tym, że wylot dyszy zamontowany jest bezpośrednio przy strefie skrawania [4], a w drugiej medium jest natryskiwane z pewnej odległości [8]. Tę drugą metodę wykorzystano w badaniach.. WARUNKI BADAŃ W wyżej wymienionych warunkach duże znaczenie ma średnica kropelek zawartych w mgle emulsyjnej oraz przepływ czynnego medium przez strefę skrawania. Do tworzenia rozpylonej mgły użyto specjalnego urządzenia, mającego dwie dysze do regulacji przepływu powietrza i substancji czynnej, które podano cechowaniu. Zmierzono ślady średnic kropelek po styku z płaską powierzchnią, imitującą powierzchnię czynną strefy skrawania. Uwzględniono przy tym, że kropelka cieczy, zderzając się z ciałem twardym, zniekształca się tak, że średnica znaku jej kontaktu z powierzchnią ciała D = m d [7], gdzie: D średnica kropelki na powierzchni; d średnica kropelki w powietrzu; m,5 [6] współczynnik zniekształcenia kropelki. Medium czynne w badaniach stanowiła emulsja OPORTET RG- o stężeniu 4%. Cechowanie przyrządu odbywało się w temperaturze otoczenia. W czasie cechowania uzyskano zależności określające liczbę kropelek N spadających na 1 mm powierzchni w ciągu 1 s oraz ich średnią średnicę d: N =,56L 0,58 E 0,19 P 1,77 [szt/mm ] (1) d = 35,9L,368 E 1,094 P,914 [μm] ()
Warunki przepływu ciepła w czasie chłodzenia 1 gdzie: L odstęp dyszy od powierzchni [m], E przepływ emulsji [g/min], P przepływ powietrza [m 3 /h]. Zakresy zmian warunków tworzenia mgły emulsyjnej są następujące: przepływ emulsji E = 1,5 3,6 g/min, przepływ powietrza P = 4,7 6,9 m 3 /h oraz odległość dyszy od powierzchni czynnej L = 0,3 0,5 m. Typowe zależności przedstawiono na rys. 1. a) 60,00 N [szt/mm ] 45,00 30,00 15,00 0,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 P [m 3 /h] b) 18,00 15,00 1,00 D [μm] [ 9,00 6,00 3,00 0,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 P[m 3 /h] dla E=1,6 [g/min] dla E=3,6 [g/min] dla E=,8 [g/min] Rys. 1. Zależność liczby (a) i średnic (b) kropelek od przepływu powietrza i emulsji przy odstępie dyszy od powierzchni czynnej L = 0,4 m Fig. 1. Dependence of number (a) and diameter (b) of drops in relation to air and emulsion flow with the distance of L = 0.4 m between the nozzle and active surface
E. Feldshtein, R. Maruda 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Ciepło, wnikajac w kropelkę, z początku ogrzewa ją do temperatury nasycenia Θ n, a następnie wyparowuje. Dla pierwszej części tego procesu równanie bilansu ciepła wygląda następująco [7]: πd α 4 πd 6 ( Θn Θ0 ) t1 = cp ( Θn Θ0 gdzie: t 1 czas nagrzania; α współczynnik wnikania ciepła; c p objętościowe ciepło właściwe; Θ 0 temperatura medium na wylocie z dyszy; D średnica kropelki na powierzchni; d średnica kropelki w powietrzu. Z tego wzoru otrzymujemy czas nagrzewania kropelki: 3 ) (3) cpd t1 = (4) 3 αm gdzie m współczynnik zniekształcenia kropelki. Dla procesu wrzenia kropelki równanie bilansu ciepła wygląda tak [7]: πd α 4 πd n (5) 6 ( Θ Θ ) t = ρr s gdzie: r ciepło parowania emulsji; Θ s temperatura nagrzanej powierzchni [1]; ρ gęstość emulsji. Wstępnie można przyjąć, że wartość Θ s jest średnią temperaturą strefy styku wiór ostrze przedmiot obrabiany i najbliższych obszarów elementu i wióra. Stąd t 3 αm = ρrd 3 ( Θ Θ ) Całkowity czas wyparowania jednej kropelki s n (6) t w = t 1 + t (7) Uwzględniając średnicę oraz liczbę kropelek spadających w czasie 1 s na nagrzaną powierzchnię, można określić warunki wyparowania wszystkich kropelek. Wykres pokazujący zmianę czasu wyparowania dla E =,6 g/min, P = = 4,7 6,9 m 3 /h przedstawiono na rys.. Do obliczeń przyjęto pole powierzchni czynnej wyparowania 0 mm, co odpowiada polu powierzchni styku z przylegającym wiórem i powierzchnią natarcia.
Warunki przepływu ciepła w czasie chłodzenia 3 t w [s] 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0 5 10 15 0 5 30 d[μm] Rys.. Czas wyparowania kropelek spadających na nagrzaną powierzchnię w czasie 1 s w zależności od średnicy kropelki przy przepływie emulsji E =,6 g/min i przepływie sprężonego powietrza P = 4,7 6,9 m 3 /h Fig.. Evaporation time of drops that are falling down on hot surface during 1 second, in relation to drop diameter and with emulsion flow of E =.6 g/min and with compressed air flow of P = = 4.7 6.9 m 3 /h Na rysunku 3 przedstawiono zależność wyparowania wszystkich kropelek z nagrzanej powierzchni w czasie 1 s w zależności od przepływu emulsji i przepływu powietrza. Wraz ze wzrostem przepływu powietrza kropelki spadające w strefie skrawania zmniejszają swoją średnicę, co powoduje, że całkowity czas ich wyparowania jest krótszy. Na wykresie można zauważyć, że tylko przy dużym przepływie emulsji i małym przepływie powietrza na powierzchni obrabianej pozostają kropelki emulsji. t w [s] 1, 1 0,8 0,6 0,4 0, 0 4,5 5 5,5 6 6,5 7 P [m 3 /h] E=1,8 [g/min] E=,6 [g/min] E=3,6 [g/min] Rys. 3. Czas wyparowania wszystkich kropelek spadających na nagrzaną powierzchnię w czasie 1 s w zależności od przepływu powietrza i emulsji Fig. 3. Evaporation time of all drops that are falling down on the hot surface during 1 second, in relation to air and emulsion flow
4 E. Feldshtein, R. Maruda Takie warunki tworzenia mgły powodują, że wszystkie kropelki spadające na nagrzaną powierzchnię w ciągu 1 s odparują z tej powierzchni. Wówczas wszystkie związki chemiczne lub inne substancje czynne zawarte w mgle emulsyjnej pozostaną na powierzchniach elementu, wióra i ostrza, a następnie na powierzchniach styku. W ten sposób powstaje warstewka filmu smarnego powodującego m.in. zmniejszenie tarcia oraz wpływającego korzystnie na kształt wióra []. Rozpatrzmy przepływ ciepła w wybranych warunkach toczenia. Energia cieplna, która jest przejmowana przez mgłę emulsyjną w ciągu 1 s, to Q = Q 1 + Q (8) gdzie: Q 1 energia cieplna niezbędna do nagrzania kropelek; Q energia cieplna niezbędna do wyparowania kropelek. Wartości Q 1 i Q są następujące: πd 6 3 1 ( 0 ) 0, 006 3 4 K Q = Θ n Θ m W (9) πd πk Q 3 = drρ 0,133 W (10) 6 8 gdzie: K =,77 10 stężenie medium chłodzącego w mgle emulsyjnej, d = 8 μm średnica kropelki. Wartości K i d dobrano dla E =,6 g/min i P = 5,5 m 3 /h. Z obliczeń wynika, że Q = 0,139 W. Ciepło wytwarzane podczas toczenia w ciągu 1 s (moc skrawania) gdzie: F c siła skrawania; v c prędkość skrawania. Siłę skrawania F c można obliczyć ze wzoru [8]: F = a c p Q c f k = F v (11) c0,4 c f c 0,4 sinκ r 0,9 (1) Przy prędkości skrawania v c = 00 m/min, posuwie f = 0, mm/obr, głębokości skrawania a p = 1 mm, oporze właściwym skrawania stali węglowej k c = 000 MPa, kącie przystawienia κ r = 48 siła skrawania F c = 530 N, natomiast moc skrawania Q c 1750 W. Wartość kąta przystawienia obliczono, uwzględniając długość czynnej krawędzi skrawającej dla r ε = 0,8 mm.
Warunki przepływu ciepła w czasie chłodzenia 5 Przyjmując typową wartość współczynnika skrócenia wióra dla stali węglowej K l =,5 i odpowiednio prędkość spływu wióra v ch = v c /K l = 80 m/min, można obliczyć pole powierzchni czynnej wióra, który będzie usunięty w ciągu 1 s. Pole powierzchni wióra powstającego w ciągu 1 s w przybliżeniu wynosi 1300 mm. Jeśli z 1 mm nagrzanej powierzchni w ciągu 1 s odprowadza się 0,139 W ciepła, to całkowita ilość ciepła odprowadzana przez mgłę emulsyjną w tych warunkach wyniesie 180 W. Stosunek ilości ciepła odprowadzanego przez mgłę emulsyjną do ilości ciepła wytwarzanego w procesie skrawania w zależności od posuwu i średnicy kropelek przedstawiono na rys. 4. Ponieważ w wymianie ciepła w strefie skrawania uczestniczą także nagrzane powierzchnie noża i elementu obrabianego, prawdopodobne jest, że mgła emulsyjna odprowadza ponad 50% ciepła powstającego w procesie skrawania. 50,00% 40,00% 30,00% 0,00% 10,00% 0,00% 0,05 0,15 0,5 0,35 0,45 0,55 d=0,005[mm] f [mm/obr] d=0,0[mm] Rys. 4. Skuteczność odprowadzania ciepła przez mgłę w procesie toczenia Fig. 4. Effectiveness of heat abstraction through the mist in the process of turning 4. WNIOSKI 1. W zależności od parametrów tworzenia mgły emulsyjnej można uzyskać różne średnice i różną liczbę kropelek wprowadzonych do strefy skrawania.. W skutecznie dobranych warunkach można uzyskać trwały film smarny zmieniający oddziaływanie tribologiczne materiału obrabianego i materiału ostrza skrawającego. W tym przypadku mgła emulsyjna występuje jako środek transportu wszelkich dodatków eksploatacyjnych. 3. Mgła emulsyjna skutecznie odprowadza ciepło ze strefy skrawania. W zależności od warunków tworzenia mgły i parametrów skrawania odprowadza się 5 40% całkowitej ilości ciepła, w niektórych warunkach wartość ta sięga ponad 50%.
6 E. Feldshtein, R. Maruda LITERATURA [1] Âŝericyn P.I., Fel štejn E.È., KucerV.M., Šaraf A.H., Diallo Û., Modelirovanie i issledovanie teplovyh processov v tehnologičeskoj stanočnoj sisteme metodom konečnyh èlementov, Vesci AN Belarusi, Seryâ fizyko-tèhničnyh nauk, 1993, nr 1, s. 11 117. [] Feldshtein E., Maruda R., Wpływ sposobu chłodzenia strefy skrawania na proces tworzenia wióra i łamania wióra, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 004, vol. 4, nr 1, s. 3 34. [3] Hobler T., Ruch ciepła i wymienniki, Warszawa, WNT 1986. [4] Klušin M.I., Tihonov V.M., Troickaâ D.A., Ohlaždenie i smazka raspylennymi židkostâmi pri rezanii metallov, Gorki, Volgo-vâtskoe knižnoe izdatel stvo 1966. [5] Oczoś K.E., Rozwój innowacyjnych technologii ubytkowego kształtowania materiałów. Cz. 1. Obróbka skrawaniem, Mechanik, 00, nr 8 9, s. 537 550. [6] Proskurâkov Û.G., Petrov V.N., Tonkoraspylennoe ohlaždenie režuŝih instrumentov, Moskva, Mašgiz 196. [7] Reznikov A.N., Reznikov L.A., Teplovye processy v tehnologičeskih sistemah, Moskva, Mašinostroenie 1990. [8] Sandvik Coromant C-110:-POL/01, katalog, 00. [9] Schmidt J., Lang H., Dyck M., Trockenbearbeitung ist wirtschaftlich und umweltfreundlich, Maschinenmarkt, 001, Nr 9, s. 0 3. [10] Weniger ist oft mehr, Maschine + Werkzeug, 1996, Nr 9, s. 81 84. Praca wpłynęła do Redakcji 7.03.006 Recenzent: dr hab. inż. Adam Miernikiewicz THE CONDITIONS OF HEAT FLOW WHEN COOLING OF A CUTTING ZONE BY EMULSION MIST S u m m a r y The results of researches of influence of an emulsion mist cooling on the heat removal from cutting zone are described in the paper. The influence of pressure air flow and emulsion flow on diameters and numbers of drops of a mist are defined. Cooling conditions when all drops are evaporated from heated up cutting zone are calculated. Heat removal efficiency of emulsion mist cooling when turning carbon steel is defined, too. Key words: cooling by emulsion mist, heat exchange