Использование кавитации при обработке смазывающе-охлаждающих жидкостей

Эффективность многих процессов в металлообработке зависит от состава и качества применяемых смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). СОЖ используется при резании лезвийным и абразивным инструментом, при пластическом деформировании металлов (листовая и объемная штамповка, выдавливание резьбы), на прокатных станах и т.д. Повышение производительности и качества обработки на металлорежущих станках, наряду с совершенствованием процессов резания, требует более тщательного подхода к выбору эксплуатационных свойств  СОЖ, особенно на финишных операциях.


Многие концентраты СОЖ используются в виде водных эмульсий, в которые обычно входят: нефтяная основа, эмульгаторы, ингибиторы коррозии металлов, смазочные и другие присадки. Виды и соотношение компонентов определяют различие в функциональных свойствах эмульсий и, соответственно,  области их применения [1,2]. Масляные эмульсии представляют сложную дисперсную (измельченную) систему, состоящую из двух нерастворимых жидкостей – масло и вода. Для получения качественной стойкой эмульсии частички масла (дисперсная фаза) должны равномерно располагаться в  воде (дисперсионная среда) с образованием коллоидного раствора однородной среды. Для предотвращения слипания капель масла в однородный сплошной слой в эмульсию вводится  эмульгатор, в качестве которого используются  растворимые в воде ПАВ. Устойчивость эмульсий «масло-вода» против разложения обуславливается гомогенностью,  мелкодисперсностью, качеством адсорбционной пленки и составом внешней среды.

В большинстве случаев процесс приготовления эмульсий на предприятиях заключается в предварительном смешении компонентов в малых емкостях с последующей подачей их в большой бак для смешения с водой. Иногда такие участки приготовления СОЖ занимают значительные площади часто на двух уровнях. Для получения стабильных эмульсий  рекомендуется использовать специальные перемешивающие устройства и установки. С целью продления срока службы эмульсий в приготовленную эмульсию перед эксплуатацией рекомендуется вводить бактерицидную присадку.

Нужно отметить, что во время эксплуатации СОЖ  возникают проблемы, связанные с появлением на поверхности маслянистых пятен (например, при утечках из гидросистемы), разложение эмульсии, появление гнилостного, сероводородного запаха, ухудшение технологических, антикоррозионных и санитарно-гигиенических свойств, образование линз с разной концентрацией и т.д. Все это снижает технологические возможности процесса обработки, нарушает санитарные нормы и требует значительных затрат на восстановление СОЖ.

Срок службы водных эмульсий составляет обычно от 1 до 9 мес. в зависимости от типа эмульсии, вида операций, обрабатываемого материала и других условий. Эффективность применения и срок службы СОЖ во многом определяет  очистка ее от органических и неорганических загрязнений и дезинфекция. Очистку и дезинфекцию циркуляционной системы рекомендуют  осуществлять при каждой плановой смене СОЖ, но не реже 1 раза в 1-3 мес. (согласно ГОСТ 12.3.025-80).

Технология очистки и дезинфекции централизованной системы подачи (циркуляции) СОЖ  трудоемка [2]. Она включает в себя: слив из системы отработанной эмульсии; механическую очистку, промывку горячим (60-70 С) моющим и дезинфицирующими растворами. Качество очистки контролируется визуально, а эффективность дезинфекции определяется по остаточному количеству микроорганизмов в промывочной воде. Оно не должно превышать 100 кл/мл.( ГОСТ 18963-73).

Возможность получения гомогенных мелкодисперсных эмульсий нужного состава с минимальной трудоемкостью и малыми энергозатратами обуславливается эффективной схемой их приготовления и рациональными аппаратными средствами. Комплексно решить эту задачу  удалось при создании специальной установки с использованием эффекта  кавитационной обработки СОЖ  в потоке.

Идея использовать кумулятивное действие схлопывающихся кавитационных пузырьков для интенсификации технологических процессов привела к созданию различных конструкций смесителей, в том числе гидродинамических кавитационных аппаратов.

Гидродинамическая кавитация обусловлена сильным локальным понижением давления вследствие больших скоростей течения жидкости. Присутствующие в жидкости пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком жидкости и попадая в область давления меньше критического, приобретает способность к неограниченному росту. Переходя в область повышенного давления, кавитационные пузырьки резко захлопываются.

Таким образом, при расширении и сжатии кавитационной полости происходит своеобразная трансформация мощности. В конечной стадии захлопывания кавитационной полости возникают мощные кратковременные импульсы давления. Скорость смыкания полости при некоторых условиях возрастает до сверхзвуковой, что приводит к возникновению ударной сферической волны, значительному локальному повышению температуры и интенсивному выделению энергии в момент захлопывания полости. При захлопывании парогазовая смесь достигает температуры выше критической и адиабатически сжимается до высоких давлений. Давление газа внутри полости достигает весьма больших значений – десятков и сотен тысяч атмосфер [3]. При развитой кавитации внешним проявлением ее является акустический эффект в виде «шипения» со сплошным спектром от несколько сотен герц до сотен Кгц. Спектр расширяется в область низких частот по мере увеличения максимального радиуса пузырьков схлопывания.

Опыты, проведенные в Тамбовском государственном техническом университете [4], показали, что  наиболее перспективными для кавитационной обработки СОЖ  являются аппараты роторного типа. Обработка СОЖ (5% эмульсия Укринол -1 ТУ 38-101-197-76) в таком аппарате позволила, на операции точения стали 45,  повысить стойкость резца в 1.7 раза,  понизить шероховатость – в 1.3 раза.

На кафедре технологии машиностроения и металлорежущих станков НТУ «ХПИ» проводятся работы по совершенствованию и интенсификации процессов смешения различных жидких сред. В основу этих методик положен принцип обработки смесей в центробежных диспергаторах с интенсивным энергетическим воздействием на среду при кавитационной обработке.

Приготовление эмульсии в диспергаторе включает в себя два этапа. На первом этапе происходит интенсивное перемешивание всех вводимых компонентов и получение однородной гомогенной эмульсии (смеситель).  При дозированной подаче компонентов смешение выполняется в потоке за один проход.  На втором этапе  эмульсия проходит кавитационную обработку в специальных каналах ротора (диспергатор).  При этом образование и схлопывание каверн, сопровождающееся локальными микрогидроударами, приводит к созданию мелкодисперсной смеси.

Гидроудары и локальные всплески температур при схлопывании каверн приводят к разрушению  бактерий, что улучшает санитарно- гигиенические условия эксплуатации СОЖ и увеличивает период ее стойкости в 2 – 5 раз.

Предлагаемая схема централизованного приготовления и эксплуатации СОЖ (Рис.1) обеспечивает смешение необходимых компонентов в потоке и подачу готовой СОЖ в накопитель, а также восстановление (регенерацию) ее в процессе эксплуатации.

Диспергатор может  встраиваться в существующие технологические линии приготовления СОЖ, заменяя или дополняя имеющиеся узлы перемешивания. Особенностью данной технологической схемы является то, что диспергатор может выполнять и функции перекачивающего насоса, создавая рабочее давление на выходе до 3кГ/см2.

В зависимости от технологических особенностей и производительности диспергаторы могут иметь различные конструкции отдельных узлов и агрегатов.

Схема 1
Внедрение технологических линий (или отдельных роторных диспергаторов), обеспечивающих кавитационную обработку СОЖ позволяет значительно улучшить технологические свойства и повысить  стойкость  эмульсий, существенно упростить схему приготовления, уменьшить габариты установки (т.к. приготовление  смесей  выполняется  в потоке), значительно снизить энергозатраты на  приготовление СОЖ,  гибко  в  широких пределах изменять количество и состав смешиваемых компонентов  (в  зависимости от технологических требований к обработке резанием), снизить капитальные затраты.Роторные диспергаторы могут также найти успешное применение в термических цехах при приготовлении различных водомасляных эмульсий. Изменение соотношения «масло-вода» позволяет получить различные (переходные) режимы закалки, что обеспечит однородность структуры и требуемое качество деталей.

Литература

  1. Смазочно-охлаждающие средства, применяемые при шлифовании. Худобин Л.В. -М.; «Машиностроение», 1971. – 214с.
  2. Технологические рекомендации по применению смазочно-охлаждающего технологического средства «Универсал». http://nv2000.tele-kom.ru/recom_primen.htm

3.Федоткин И.М., Немчин А.Ф. Использование кавитации в технологических процессах. –К.: Вища школа. Изд-во при Киев. ун-те, 1984.- 68с.

4.Червяков В.М., Воробьев Ю.В., Родионов Ю.В. Использование роторного аппарата для приготовления высококачественной смазочно-охлаждающей жидкости.

 

Запись опубликована в рубрике Прогрессивные технологии. Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.