Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшегопрофессионального образования

«СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Машиностроительно-технологический институт

Кафедра технологии машиностроения

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Тема: Исследование утилизации стружки в механообрабатывающих производствах

Введение

В современной России процесс утилизации металлов и их последующая переработка, являются одним из самых полезных для экономики страны процессом. Этот вид отходов успешно переплавляется и используется в дальнейшем для изготовления различных материалов. Металлы, вообще, как вид полезных ископаемых играют огромную роль для любой страны. Именно поэтому так много внимания уделяется как утилизации металлов, так и их дальнейшей переработке. Наша организация осуществляет утилизацию металлов, делая свой вклад и в развитие экономики России, и в очищение просторов нашей огромной родины от неиспользуемого металлического мусора

В последние годы в мире сохраняется устойчивая тенденция к росту потребления металлов, причем темпы добычи и производства явно не успевают за ростом потребностей. Данная ситуация, конечно, находит свое отражение в росте цен на сырье. Поэтому инвестирование в переработку металлов становится все актуальней. Однако существуют и проблемы. Главная из которых состоит в том, что на сегодняшний день запасы дешевого металлического лома практически израсходованы, и источники его пополнения ограничены и не блещут разнообразием - в первую очередь, это отслужившие свой срок металлоемкие изделия и конструкции. В связи с этим более пристального внимания в качестве объектов пополнения сырьевой базы заслуживают отходы обработки металлов, в первую очередь, - металлическая стружка.

Строго говоря, вопрос переработки металлической стружки стоял всегда. Но до недавнего времени он был актуален почти исключительно в аспекте экологичной утилизации этого вида отходов. Использование стружки в качестве сырья для промышленного получения металлов долгие годы оставалось экономически нецелесообразным. Причин несколько. Во-первых, потребности в металле, а следовательно, и цены на сырье были гораздо ниже. Во-вторых, металлическая стружка характеризуется высокой степенью засоренности. Как следствие, издержки переработки не окупались реализацией полученного в результате переплавки металла.

Однако сегодня ситуация кардинально изменилась. Главным образом, потому что были разработаны технологии оптимальной с точки зрения вложений и отдачи первичной переработки (очистки) металлической стружки. Не вдаваясь в подробности описания этой технологии, отметим, что процесс переработки состоит из нескольких этапов, число которых находится в прямой зависимости от чистоты сырья и предъявляемых требований к качеству полученного металла. На современном рынке оборудования для переработки металлической стружки представлены изделия для решения самых разных производственных задач - от первичной утилизации до комплексной переработки. С экономической точки зрения наиболее привлекательным выглядит, конечно, создание комплексных систем.

Целью конструкторско-технологической практики является закрепление и углубление полученных знаний, пополнение их новыми сведениями по прогрессивной технологии, применению современного обрабатывающего оборудования, изучению систем автоматизированного проектирования, автоматизации и механизации технологических процессов; накопление практического опыта самостоятельной инженерной деятельности по технологии механической обработки деталей, конструированию технологической оснастки, измерительных и контрольных средств; сборке изделий машиностроения.

Охрана труда - это система законодательных актов, социально - экономических, организационных, технических, лечебно - профилактических мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность труда, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда.

Задача охраны труда - свести к минимуму возможности поражения или заболевания работающего при максимальной производительности труда.

Реальные производственные условия характеризуются наличием опасных и вредных производственных факторов. Опасные производственные факторы - такие, которые при определённых условиях приводят или внезапному резкому ухудшению здоровья.

Вредный производственный фактор - при определённых условиях приводящий к профессиональному заболеванию.

Несчастные случаи различают на: бытовые; связанные с работой; связанные не только с работой, но и производством.

Выбросы постоянно растущего промышленного производства вызывают загрязнения окружающей среды - воздуха, воды, почвы. Перед человечеством возникают глобальные проблемы охраны окружающей среды. Решение их позволит эффективно регулировать взаимоотношения м/у производственной технической деятельностью человека и окружающей его природной средой.

Разнообразное вмешательство человека в естественные процессы в понимая подними любые нежелательные для экосистем антропогенные изменения:

-- ингредиентное (ингредиент -- составная часть сложного соединения или смеси) загрязнение как совокупность веществ, количественно или качественно чуждых естественным биогеоценозам;

-- параметрическое загрязнение (параметр окружающей среды -- одно из ее свойств, например уровень шума, освещенности, радиации и т. д.), связанное с изменением качественных параметров окружающей среды;

-- биоценотическое загрязнение, заключающееся в воздействии на состав и структуру популяции живых организмов;

-- стациально-деструкционное загрязнение (стация -- место обитания популяции, деструкция -- разрушение), представляющее собой изменение ландшафтов и экологических систем в процессе природопользования.

До 60-х годов нашего века под охраной природы понималась в основном защита ее животного и растительного мира от истребления. Соответственно и формами этой защиты было главным образом создание особо охраняемых территорий, принятие юридических актов, ограничивающих промысел отдельных животных, и т. п. Ученых и общественность волновали прежде всего биоценотическое и частично стациально-деструкционные воздействия на биосферу. Ингредиентное и параметрическое загрязнение, конечно, существовало тоже, тем более что об установке очистных сооружений на предприятиях и речи не шло. Но оно не было столь многообразным и массированным, как теперь, практически не содержало искусственно созданных соединений, не поддающихся естественному разложению, и природа с ним справлялась самостоятельно. Так, в реках с ненарушенным биоценозом и нормальной скоростью течения, не замедляемой гидротехническими сооружениями, под влиянием процессов перемешивания, окисления, осаждения, поглощения и разложения редуцентами, дезинфекции солнечным излучением и др.загрязненная вода полностью восстанавливала свои свойства на протяжении 30 км от источников загрязнения.

Конечно же, и раньше наблюдались отдельные очаги деградации природы в окрестностях наиболее загрязняющих производств. Однако к середине XX в. темпы ингредиентного и параметрического загрязнений возросли и качественный их состав изменился столь резко, что на значительных территориях способность природы к самоочищению, т. е. естественному разрушению загрязнителя в результате природных физических, химических и биологических процессов, была утрачена.

Способность почвы к самоочищению подрывается резким уменьшением в ней количества редуцентов, происходящим под влиянием неумеренного применения пестицидов и минеральных удобрений, выращивания монокультур, полной уборки с полей всех частей выращенных растений и т. д.

Объекты и принципы охраны окружающей природной среды

Под охраной окружающей среды понимают совокупность международных, государственных и региональных правовых актов, инструкций и стандартов, доводящих общие юридические требования до каждого конкретного загрязнителя и обеспечивающих его заинтересованность в выполнении этих требований, конкретных природоохранных мероприятий по претворению в жизнь этих требований. Только если все эти составные части соответствуют друг другу по содержанию и темпам развития, т. е. складываются в единую систему охраны окружающей природной среды, можно рассчитывать на успех.

Поскольку не была решена вовремя задача охраны природы от отрицательного воздействия человека, теперь все чаще встает задача защиты человека от влияния изменившейся природной среды. Оба эти понятия интегрируются в термине «охрана окружающей (человека) природной среды».

Охрана окружающей природной среды складывается из:

-- правовой охраны, формулирующей научные экологические принципы в виде юридических законов, обязательных для исполнения;

-- материального стимулирования природоохранной деятельности, стремящегося сделать ее экономически выгодной для предприятий;

-- инженерной охраны, разрабатывающей природоохранную и ресурсосберегающую технологию и технику.

В соответствии с законом «Об охране окружающей природной среды» охране подлежат следующие объекты:

-- естественные экологические системы, озоновый слой атмосферы;

-- земля, ее недра, поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух, леса и иная растительность, животный мир, микроорганизмы, генетический фонд, природные ландшафты.

Особо охраняются государственные природные заповедники, природные заказники, национальные природные парки, памятники природы, редкие или находящиеся под угрозой исчезновения виды растений и животных и места их обитания.

Основными принципами охраны окружающей природной среды должны являться:

-- приоритет обеспечения благоприятных экологических условий для жизни, труда и отдыха населения;

-- научно обоснованное сочетание экологических и экономических интересов общества;

-- учет законов природы и возможностей самовосстановления и самоочищения ее ресурсов;

-- недопущение необратимых последствий для охраны природной среды и здоровья человека;

-- право населения и общественных организаций на своевременную и достоверную информацию о состоянии окружающей среды и отрицательном воздействии на нее и на здоровье людей различных производственных объектов;

-- неотвратимость ответственности за нарушение требований природоохранительного законодательства.

Природоохранная деятельность предприятий

Природоохранной является любая деятельность, направленная на сохранение качества окружающей среды на уровне, обеспечивающем устойчивость биосферы. К ней относится как крупномасштабная, осуществляемая на общегосударственном уровне деятельность по сохранению эталонных образцов нетронутой природы и сохранению разнообразия видов на Земле, организации научных исследований, подготовке специалистов-экологов и воспитанию населения, так и деятельность отдельных предприятий по очистке от вредных веществ сточных вод и отходящих газов, снижению норм использования природных ресурсов и т. д. Такая деятельность осуществляется в основном инженерными методами.

Существуют два основных направления природоохранной деятельности предприятий. Первое -- очистка вредных выбросов. Этот путь «в чистом виде» малоэффективен, так как с его помощью далеко не всегда удается полностью прекратить поступление вредных веществ в биосферу. К тому же сокращение уровня загрязнения одного компонента окружающей среды ведет к усилению загрязнения другого.

Например, установка влажных фильтров при газоочистке позволяет сократить загрязнение воздуха, но ведет к еще большему загрязнению воды.

Уловленные из отходящих газов и сливных вод вещества часто отравляют значительные земельные площади.

Использование очистных сооружений, даже самых эффективных, резко сокращает уровень загрязнения окружающей среды, однако не решает этой проблемы полностью, поскольку в процессе функционирования этих установок тоже вырабатываются отходы, хотя и в меньшем объеме, но, как правило, с повышенной концентрацией вредных веществ. Наконец, работа большей части очистных сооружений требует значительных энергетических затрат, что, в свою очередь, тоже небезопасно для окружающей среды.

Кроме того, загрязнители, на обезвреживание которых идут огромные средства, представляют собой вещества, на которые уже затрачен труд и которые за редким исключением можно было бы использовать в народном хозяйстве.

Для достижения высоких эколого-экономических результатов необходимо процесс очистки вредных выбросов совместить с процессом утилизации уловленных веществ, что сделает возможным объединение первого направления со вторым.

Второе направление -- устранение самих причин загрязнения, что требует разработки малоотходных, а в перспективе и безотходных технологий производства, которые позволяли бы комплексно использовать исходное сырье и утилизировать максимум вредных для биосферы веществ.

Однако далеко не для всех производств найдены приемлемые техникоэкономические решения по резкому сокращению количества образующихся отходов и их утилизации, поэтому в настоящее время приходится работать по обоим указанным направлениям.

Заботясь о совершенствовании инженерной охраны окружающей природной среды, надо помнить, что никакие очистные сооружения и безотходные технологии не смогут восстановить устойчивость биосферы, если будут превышены допустимые (пороговые) значения сокращения естественных, не преобразованных человеком природных систем, в чем проявляется действие закона незаменимости биосферы.

Таким порогом может оказаться использование более 1% энергетики биосферы и глубокое преобразование более 10% природных территорий (правила одного и десяти процентов). Поэтому технические достижения не снимают необходимости решения проблем изменения приоритетов общественного развития, стабилизации народонаселения, создания достаточного числа заповедных территорий и других, рассмотренных ранее.

Виды и принципы работы очистного оборудования и сооружений

Многие современные технологические процессы связаны с дроблением и измельчением веществ, транспортированием сыпучих материалов. При этом часть материала переходит в пыль, которая вредна для здоровья и наносит значительный материальный ущерб народному хозяйству вследствие потери ценных продуктов.

Для очистки применяют различные конструкции аппаратов. По способу улавливания пыли их подразделяют на аппараты механической (сухой и мокрой) и электрической очистки газов. В сухих аппаратах (циклонах, фильтрах) используют гравитационное осаждение под действием силы тяжести, осаждение под действием центробежной силы, инерционное осаждение, фильтрование. В мокрых аппаратах (скрубберах) это достигается промывкой запыленного газа жидкостью. В электрофильтрах осаждение на электроды происходит в результате сообщения частицам пыли электрического заряда. Выбор аппаратов зависит от размеров пылевых частиц, влажности, скорости и объема поступающего на очистку газа, необходимой степени очистки.

Для очистки газов от вредных газообразных примесей используют две группы методов -- некаталитические и каталитические. Методы первой группы основаны на выведении примесей из газообразной смеси с помощью жидких (абсорберов) и твердых (адсорберов) поглотителей. Методы второй группы заключаются в том, что вредные примеси вступают в химическую реакцию и превращаются в безвредные вещества на поверхности катализаторов. Еще более сложный и многоступенчатый процесс представляет собой очистка сточных вод .

Сточными водами называются воды, использованные промышленными и коммунальными предприятиями и населением и подлежащие очистке от различных примесей. В зависимости от условий образования сточные воды делят на бытовые, атмосферные (ливневые, стекающие после дождей с территорий предприятий) и промышленные. Все они содержат в той или иной пропорции минеральные и органические вещества.

Сточные воды от примеси очищают механическими, химическими, физико-химическими, биологическими и термическими методами, которые, в свою очередь, подразделяются на рекуперационные и деструктивные.

Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку ценных веществ. При деструктивных методах вещества, загрязняющие воду, подвергают разрушению путем окисления или восстановления. Продукты разрушения удаляют из воды в виде газов или осадков.

Механическую очистку применяют при удалении твердых нерастворимых примесей, используя методы отстаивания и фильтрования с помощью решеток, песколовок, отстойников. Химические методы очистки применяют для удаления растворимых примесей с помощью различных реагентов, вступающих в химические реакции с вредными примесями, в результате чего образуются малотоксичные вещества. К физико-химическим методам относят флотацию, ионный обмен, адсорбцию, кристаллизацию, дезодорацию и т. д. Биологические методысчитаются основными для обезвреживания сточных вод от органических примесей, которые окисляются микроорганизмами, что предполагает достаточное количество кислорода в воде. Эти аэробные процессы могут протекать как в естественных условиях -- на полях орошения при фильтрации, так и в искусственных сооружениях -- аэротенках и биофильтрах.

Производственные сточные воды, не поддающиеся очистке перечисленными методами, подвергают термическому обезвреживанию, т. е. сжиганию, или закачке в глубинные скважины (в результате чего возникает опасность загрязнения подземных вод). Указанные методы осуществляются в локальных (цеховых), общезаводских, районных или городских системах очистки.

После того как решетки и прочие приспособления освободили воду от минеральных примесей, микроорганизмы, содержащиеся в так называемом активном иле, «съедают» органические загрязнения, т. е. процесс очистки обычно проходит несколько ступеней. Однако и после этого степень очистки не превышает 95%, т. е. полностью устранить загрязнение водных бассейнов не удается. Если к тому же какой-либо завод спустит в городскую канализацию свои сточные воды, не прошедшие предварительной физической или химической очистки от каких-либо ядовитых веществ на цеховых или заводских сооружениях, то микроорганизмы в активном иле вообще погибнут и для возрождения активного ила может понадобиться несколько месяцев.

Следовательно, стоки данного населенного пункта в течение этого времени будут загрязнять водоем органическими соединениями, что может привести к его эвтрофикации.

Одной из важнейших проблем охраны окружающей среды является проблема сбора, удаления и ликвидации или утилизации твердых производственных отходов и бытового мусора, которого приходится от 300 до 500 кг в год надушу населения. Она решается путем организации свалок, переработки мусора на компосты с последующим использованием в качестве органических удобрений или в биологическое топливо (биогаз), а также сжигания на специальных заводах. Специально оборудованные свалки, общее число которых в мире достигает нескольких миллионов, называются полигонами и представляют собой довольно сложные инженерные сооружения, особенно если речь идет о хранениитоксичных или радиоактивных отходов.

1. Утилизация стружки в механообрабатывающих производствах

Отходы стружки металлической получаются при резке металлов. Существует три вида металлической стружки, образующейся в зависимости от металла. Стружки: сливная, надлома, скалывания. Как вы могли заметить, это просто разновидность отхода и на утилизацию металла ее вид не влияет.

Эффективная утилизация металлической стружки, образующейся при механической обработке до настоящего времени представляет для машиностроительных предприятий серьезную проблему. Как правило, проектировщики механообрабатывающих производств не прорабатывали подробно схему ее использования и ориентировались, в основном, на централизованную систему бывших Вторметов, где имелись соответствующие технологии и мощности.

Кроме этого, данная стружка загрязнена всевозможными примесями: СОЖ, масло, влага, песок, шламы, древесина, цеховой мусор, в т.ч. ветошь после уборки, чистки и ремонта оборудования, выброшенная спецодежда т.е. целый "букет" засоренности, что усложняет проблему ее переработки на месте образования. ОТ заготовок, полученных литьем , получается чугунная стружка, образующаяся при механической обработке заготовок, получаемых литьем в кокиль на плакированный песок. Особенностью стружки является

содержание в ней кварцевого песка (внедренного при литье во внешнюю поверхность гильзы и частично остающегося на стружке при обточке), а также наличие агрессивной СОЖ, масла, влаги. Даже при непродолжительном хранении стружка интенсивно ржавеет и слеживается.

Общая загрязненность неосушенной стружки СОЖ, влагой, маслом и песком составляет 10-15 %, что снижает металлургическую ценность стружки. Однако другой особенностью стружки является содержание в ней Si, Cr, Ni, Cu, V, Ti, Mo, B, которыми легируется гильзовый чугун, и что делает ее весьма привлекательной для переплава непосредственно на заводе.

К этому следует добавить, что количество образующейся стружки на средней величины заводе достаточно велико и составляет по году порядка 18-20 тыс. тонн.

Главным образом, в механообрабатывающем производстве предусмотрено частичное использование образующейся стружки в индукционных печах (ИП) литейного цеха россыпью после ее сушки на выходе из механического корпуса. Прямое использование неосушенной стружки в ИП промышленной частоты является невозможным по причине ее ошлакования и сильного дымления. Это резко ухудшает условия работы в литейном цехе, т.к. ИП не оборудованы системой удаления печных газов, поскольку проектом предусматривается использование при выплавке гильзового чугуна только чистых материалов. Поэтому с самого начала работы завода вся чугунная стружка отгружалась металлургическим предприятиям на переработку в доменном производстве.

В середине 80-х годов в СССР была предпринята попытка создать комплекс по очистке, сушке и горячему брикетированию чугунной стружки для ее вовлечения в плавку взамен чушкового доменного чугуна по методу ГАЗа.

Был разработан проект и смонтировано оборудование комплекса, включающего очистку от СОЖ, масла и влаги в центрифуге; холодное брикетирование стружки; подогрев брикетов в газовой печи до температуры 700 0С; уплотнение горячих брикетов на прессе и подача их в таре на плавильный участок.

Однако и данная технология оказалась неприемлемой. Полученные брикеты при загрузке их в крупную ИП промышленной частоты (ИЧТ-31) плавали на поверхности металла, ошлаковывались и не плавились. Проблема осталась, и сложилось мнение, что в условиях завода переработать стружку не представляется возможным и прямой ее путь - в доменный цех.

Из-за низкой продажной стоимости стружки возникают значительные убытки и поиски методов ее переработки продолжался.

В конце 90-х годов специалисты обратили внимание на возможность переплава стружки в дуговых печах. К этому времени был накоплен определенный опыт переплава стружки в дуговых печах переменного тока (ДСП) [1], в которых процесс плавки был осуществлен, но сопровождался значительным угаром металла.

Было решено для переплава стружки использовать дуговые печи постоянного тока нового поколения, для плавки черных и цветных металлов (ДППТНП) имеющие серьезные технико-экономические экологические преимущества перед (ДСП) [2], в частности низкий угар шихты.

По первоначальному замыслу предусматривалась подавать на переплавку неосушенную стружку непосредственно с участков механической обработки.

Содержание пыли в отходящих газах незначительно, поэтому создание системы пылеочистки печных газов не является актуальной.

По своим основным характеристикам стружка является идеальной шихтой для ДППТНП.

Блочный подход к решению задачи комплектации производств оборудованием для переработки и утилизации стружки дает уникальную возможность для пользователей получить оптимальную стружечную систему.

Основными блоками системы являются: дробилка, служащая для измельчения длинной витой стружки, центрифуга, для отделения остатков смазочно-охлаждающей жидкости, и брикетировочный пресс, предназначенный для получения стружечных брикетов.

Существует несколько способов сбора и транспортировки стружки на переработку. Это может быть стружечный конвейер, встроенный в пол цеха, который собирает стружку непосредственно от металлорежущих станков и передает в накопитель системы. В случае, если стружка от станков собирается в тележки или цеховую тару, то для перегрузки стружки из тары в систему удобно использовать скиповый подъемник. Также, и любые из агрегатов системы могут быть связаны транспортерами. При необходимости переработки мокрой стружки, транспортеры оснащаются баками сбора СОЖ, которая перекачивается обратно в станок. Если стружка загрязнена концевыми отходами и крупными кусками, предлагается установить вибросито - сепаратор концевых отходов.

В зависимости от задач пользователя комбинация оборудования оборудования подбирается индивидуально исходя из требуемой производительности, марки материала, вида и формы стружки, а также требуемой степени механизации. Система управления линией может быть, как выведена на единый пост управления, так и каждый агрегат может управляться индивидуально.

2. Методы стружкодробления в механообрабатывающих производствах

Стружку можно классифицировать по методам ее дробления, по форме и степени. По форме стружка различается на ленточную и спиральную. Ленточная стружка сходит в форме Проблема надежного дробления и удаления стружки из зоны резания имеет наиболее острое значение при использовании твердосплавных резцов и особенно при обработке пластичных материалов, когда из-за резко возросших скоростей резания значительно увеличивается объем образующейся стружки и изменяется ее форма. Нагретая до высоких температур стружка в виде непрерывной ленты наматывается на заготовку и резец, портит обрабатываемую поверхность и представляет собой серьезную опасность для рабочих, поэтому станочнику приходится часто останавливать станок для ее удаления.

Для получения транспортабельной формы стружки в виде отдельных кусочков, сегментов, колец, коротких завитков или сплошной пружины применяют специальные способы стружкозавивания и стружколомания. Обычно для этого на передней поверхности резца на пути сходящей стружки создают специальные препятствия в виде лунок, канавок, сферических выступов или углублений вдоль режущей кромки, а также накладных нерегулируемых уступов и регулируемых стружколомов. Примеры таких устройств приведены на рис. 1.

Лунки (рис. 1, а, б) и уступы (рис. 1, в), применяемые на черновых и получистовых операциях, получают путем вышлифовывания алмазными кругами у проходных резцов с напайными твердосплавными пластинами. К сожалению, они не универсальны, так как для каждого обрабатываемого материала и определенного режима резания требуется определять опытным путем их параметры f, r,a,b и др., обеспечивающие нужную форму стружки.

Хорошо показала себя заточка фасок переменной ширины вдоль главной и вспомогательной режущих кромок с отрицательным передним углом (рис. 1, г). Ребро, образующееся при их пересечении, обеспечивает надежное дробление стружки при точении высоколегированных сталей, но несколько снижает стойкость резца.

Накладные стружколомающие элементы используются двух типов: нерегулируемые (рис. 1, д) и регулируемые (рис. 1, е). Первые выполняются в виде пластины, напаиваемой сверху режущей пластины. В отличие от лунок и уступов, такой стружколом не снижает прочности режущей пластины, но требует предварительного экспериментального определения положения относительно главной режущей кромки. При переточке резцов необходима перепайка накладной пластины, что неудобно, поэтому такие стружколомы применяются крайне редко.

Накладные регулируемые стружколомы представляют собой самостоятельные устройства, закрепляемые на суппорте станка. Их рабочая часть выполняется в виде напайной твердосплавной пластины-уступа, устанавливаемой в определенном положении относительно режущей кромки, которое обеспечивает надежное дробление или завивание стружки. Устройство позволяет регулировать положение такого уступа относительно режущей кромки при смене режимов резания. Недостатком уступа является сложность и громоздкость конструкции, ухудшающие условия отвода стружки

У резцов, оснащенных СМП, стружколомающие канавки и уступы получают методом прессования. При этом форма передней поверхности принимает порой экзотический вид с использованием лунок, канавок и уступов переменных глубины, высоты и ширины. Некоторые примеры оформления таких пластин приведены на рис. 2.

Здесь эффект стружкодробления достигается как за счет изменения ширины площади контакта стружки с передней поверхностью резца, так и за счет силового воздействия на сходящую стружку. Кроме того, эффект усиливается за счет изменения по длине режущей кромки условий контакта стружки с передней поверхностью резца и улучшения условий подвода СОЖ в область контакта.



Рис.1 Способы стружкодробления

Рис.2 Виды твердосплавных СМП.

В автоматизированном производстве применяют также кинематический способ дробления стружки, заключающийся в использовании принудительных колебаний резца в направлении подачи. При этом толщина стружки меняется и стружка распадается на отдельные кусочки. Следует отметить, что этот метод несколько снижает стойкость инструмента и требует применения специальных устройств, встраиваемых в механизм подачи станка, что усложняет конструкцию последнего.

1. Управление процессом стружкодробления

В настоящее время в машиностроении можно выделить широкий класс изделий, автоматизация и управление механической обработкой которых требует особого подхода при решении задач по повышению эффективности процесса резания. К данному классу относятся, прежде всего, изделия из коррозийно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов с аустенитной структурой, обрабатываемые на высокопроизводительном автоматизированном оборудовании. С технологической точки зрения желательно в процессе резания иметь сливную стружку, поскольку она является показателем устойчивости технологической системы, обеспечивает высокое качество обработанной поверхности и гарантированную стойкость инструмента, что особенно важно при автоматизации этого процесса. В реальных условиях обработки заготовок образование сливной стружки соответствует очень узкому диапазону состояния технологической системы в процессе резания, который не всегда совпадает с рекомендуемыми режимами резания и стойкостью инструмента для обеспечения необходимой производительности [1, 2]. Следует также отметить, что сливная стружка существенно затрудняет эксплуатацию технологического оборудования, работающего в автоматизированном цикле, является причиной преждевременного износа и аварий станков и приспособлений, может вызывать травмы обслуживающего персонала, затрудняет процесс комплексной механизации и автоматизации уборки стружки и ее последующей переработки. Таким образом, формирование отрезков стружки заданной длины является одной из важнейших задач в области лезвийной обработки. Особую актуальность задача управления процессом стружкодробления приобретает при обработке изделий на автоматических станках, станках типа CNC и при использовании роботов-манипуляторов.

2. Предпосылки и средства для решения проблемы

Одним из наиболее эффективных методов, позволяющих надежно управлять процессом дробления сливной стружки при чистовой и получистовой обработке, является создание предварительного локального криогенного воздействия (ЛКВ) на внешней поверхности срезаемого слоя, производимое по определенным законам. Особенность процесса точения заготовок, подвергнутых такому воздействию, заключается в периодическом изменении условий резания по сравнению с исходным материалом. Данный метод дает возможность обеспечить автоматизацию и управление процессом стружкодробления, совершенствуя технологию механической лезвийной обработки в широком диапазоне материалов и режимов резания. Преимуществом данного метода является повышение эффективности лезвийной обработки на станках-автоматах и станках с ЧПУ за счет автоматизации и управления процессом стружкодробления на основе предварительного ЛКВ на обрабатываемый материал. Для достижения этой цели требовалось решить следующие задачи: - исследовать кинематические характеристики процесса точения при ЛКВ на обрабатываемы материал; - разработать способ и устройство для осуществления процесса точения при ЛКВ на обрабатываемый материал; - разработать динамическую модель технологической системы с учетом реологических особенностей стружкообразования и с использованием явления фазового перехода в металлах при ЛКВ для оценки стабильности и надежности сегментирования и дробления стружки в области неустойчивого процесса резания; - создать программный комплекс для управления процессом стружкодробления на основе метода ЛКВ на обрабатываемый материал и алгоритмы для автоматизации выбора способа и параметров этого воздействия.

Теоретические и экспериментальные исследования в области механической обработки металлов резанием позволили глубже понять многие явления в их взаимосвязи и тем самым способствовали совершенствованию технологии обработки металлов.

При выполнении анализа работ, посвященных изучению процессов стружкообразования и сегментированию стружки в технологической системе механической обработки резанием, было установлено влияние методов и способов дробления стружки в процессе токарной обработки на основные физические закономерности процесса резания.

Анализируя особенности механизма сегментации стружки, можно утверждать, что универсального метода, позволяющего надежно дробить стружку, в настоящее время не существует. Однако на основе предложенной классификации методов и способов стружкодробления выявлены наиболее перспективные из них. К этим методам относится метод предварительного локального криогенного воздействия на обрабатываемую поверхность срезаемого слоя заготовки. Данный метод позволяет без существенного изменения в технологической системе и дополнительных источников энергии осуществить на этапе обработки металлов резанием управление процессом стружкообразования. В последующем при лезвийной механической обработке режущая кромка инструмента в плоскости резания пересекается с зоной локального криогенного воздействия. Зона локального криогенного воздействия, находясь в метастабильном состоянии по сравнению с основным металлом, создает мгновенное изменение напряженно-деформированного состояния с последующим отделением отрезков стружки от обрабатываемого материала. При этом необходимо совместить обеспечение устойчивости процесса резания и одновременно получение отрезков стружки рациональной длины. Длина отрезков стружки , которая образуется при пересечении зоны локального физического воздействия плоскостью резания, регламентируется длиной витков в диапазоне 100…200 мм и определяется плоскостью резания зон локального криогенного воздействия.

Расчетные виброперемещения для подсистемы инструмента при обработке заготовки с локальным криогенным воздействием, проводившиеся в области автоколебательного процесса, показали стабильность стружкодробления. Проводившиеся в этой области экспериментальные исследования виброперемещений при обработке заготовок из стали показали, что автоколебания не оказывают влияния на устойчивость процесса стружкодробления

Автоматизация выбора параметров локального воздействия в зависимости от режимов обработки осуществляется программно-методическим комплексом в два этапа: на первом этапе определяется целесообразность криогенного воздействия; на втором производится расчет параметров криогенного воздействия и затем процесс точения заготовки. При этом обеспечивается устойчивое отделение отрезков стружки в 37 коррозионных и жаростойких сталях с аустенитной структурой в условиях автоматизированной механической лезвийной обработки.

Разработан метод стружкодробления, основанный на использовании явления изменения упруго-диссипативных свойств в жаростойких и корозионностойких сталях аустенитного класса при локальном криогенном воздействии на обрабатываемую поверхность заготовки, позволяющий обеспечить при последующей обработке периодическое изменение условий резания по сравнению с исходным материалом. На основании полученных кинематических характеристик созданы устройства для предварительного нанесения линии локального криогенного воздействия.

С технологической точки зрения желательно в процессе резания иметь сливную стружку, поскольку она является показателем устойчивости технологической системы, обеспечивает высокое качество обработанной поверхности и гарантированную стойкость инструмента, что особенно важно при автоматизации этого процесса. В реальных условиях обработки заготовок образование сливной стружки соответствует очень узкому диапазону состояния технологической системы в процессе резания, который не всегда совпадает с рекомендуемыми режимами резания и стойкостью инструмента для обеспечения необходимой производительности.

Развитие автоматизированных производств и роботизированных технологических комплексов в машиностроении требует решения задачи автоматизации отвода и уборки стружки, образующейся при обработке на металлорежущих станках. Особое значение отвод стружки из зоны резания имеет при малолюдной технологии.

Известные способы транспортирования стружки с помощью ленточных, винтовых, скребковых конвейеров и других транспортных средств широко применяют в промышленности. Однако они имеют два существенных недостатка - это невозможность отвода стружки из зоны резания и малая эффективность при транспортировке сливной стружки.

Таким образом, формирование отрезков стружки заданной длины, является одной из важнейших в области лезвийной обработки.

Одним из наиболее эффективных методов, позволяющих надежно управлять процессом дробления сливной стружки, является создание предварительного локального термического воздействия (ЛТВ) на внешней поверхности срезаемого слоя, производимое по определенным законам. Особенность процесса точения заготовок, подвергнутых такому воздействию, заключается в периодическом изменении условий резания по сравнению с исходным материалом. Данный метод дает возможность обеспечить автоматизацию и управление процесса стружкодробления, совершенствуя технологию механической лезвийной обработки в широком диапазоне материалов и режимов резания.

Предприятием КЕМЕТ разработано много видов аппаратов для дробления металлической стружки. Приведено описание одной из них.

При проектировании и эксплуатации твердосплавных резцов важно получить форму стружки, удобную для удаления и безопасную для рабочего. Такая стружка может быть в виде отдельных кусочков, коротких завитков спиральной или плоской пружины, сплошной спиральной пружины.

Табл. 1 Дробилка металлической стружки серии S

	Главным принципом работы дробилки металлической стружки является измельчение стружки за счет трения витков друг о друга, без резания или ударов. Такое дробление стружки позволяет расходовать минимум энергии и иметь очень небольшой износ рабочих частей стружкодробилки. Дробилка разрывает плотные комки длинной сливной витой металлической стружки и дробит ее на мелкие части. Металлическая стружка измельчается для уменьшения в несколько раз объема, а также перед такими операциями как осушение в центрифуге или брикетирование. Дробилка работает с большинством типов материалов независимо от формы металлической стружки и предназначена для переработки следующих материалов: * стальная стружка из углеродистой стали * нержавеющая стружка * стружка из стали с прочностью на разрыв до 1200Н/мм2 и выше * алюминиевая стружка * медная стружка * титановая стружка Производительность дробилки для стальной стружки составляет от 300 до 10000 кг/час. В зависимости от потребности дробилка может поставляться как индивидуальным блоком, так в составе комплексной линии переработки и брикетирования металлической стружки. В линию могут входить: стружкодробилка, центрифуга, брикетировщик и транспортеры.

Для получения такой стружки применяют различные способы завивания и дробления стружки, а именно: определенную геометрию режущей части резца; уступы и лунки на передней поверхности резца; накладные стружколомы нерегулируемые и регулируемые; экранные стружколомы; вибрационное резание с использованием вынужденных колебаний или автоколебаний. Стружколомаиие при помощи специально подобранной геометрии не требует дополнительных приспособлений и легко осуществляется. Подбор геометрических параметров у таких резцов производится так, чтобы обеспечить при резании завивание стружки и ее направление на деталь, в результате чего она ломается.

Компанией АТМ ( Австрия) разработан измельчитель металлической стружки.

Измельчение длинной металлической стружки необходимо для автоматической обработки стружки и экономической транспортировки.

Рис.3 Измельчитель металлической стружки

7 преимуществ:

· Высокая производительность при минимальных расходах энергии

· Низкий уровень звукового давления

· Хороший доступ к измельчительной камере

· Может встраиваться в любую систему обработки металлической стружки

· Длительный срок службы, низкий износ приемника дробилки

· Низкие расходы на техническое обслуживание и легкая замена изнашиваемых деталей

· Не требуется специальных фундаментов.

Работа

Длинная металлическая стружка подается в бункер измельчителя посредством системы конвейерной транспортировки стружки или другими способами.

При помощи системы контроля уровня в бункере измельчителя измельчитель автоматически включается.

Густая металлическая стружка в бункере измельчителя извлекается при помощи разрывающего крюка.

Поддерживаемая бункером и разрывающими крюками, она попадает в зону измельчающего инструмента, где и измельчается.

Короткая поломанная стружка затем выгружается из лотка при помощи двух объединенных чистящих лопаток.

Маленькие твердые части пройдут через измельчитель без проблем.

Большие по размеру части и концы брусков и т.д. контролируются посредством автоматического реверсивного цикла.

Привод выключается, и автоматически запускается реверсивный цикл, с тем, чтобы освободить заблокированный материал.

Если это оказывается невозможным после выполнения нескольких вращений зева дробилки по часовой и против часовой стрелки, измельчитель останавливается.

Заблокированный материал можно затем извлечь через дверцу люка.

Здесь характерное исполнение STEIMEL с наклонной осью сводит к минимуму любые просыпания металлической стружки или утечки хладагента.

Автоматическая разблокировка твердого металла (опция “E”)

Все модели измельчителей могут оснащаться опциональной системой освобождения объемного металла.

В этих машинах сечение передней части камеры окончательного измельчения открывается гидравлически таким образом, что заблокированный материал освобождается от дробленой стружки.

После освобождения неровной детали камера тонкого измельчения снова возвращается в рабочий режим при помощи гидравлического цилиндра.

Опциональный гидравлический сепаратор может направлять объемный материал в контейнер (дополнительное оборудование).

Конструкция

Камера измельчения

· Корпус измельчителя представляет собой прочную сварную стальную конструкцию.

· Вся камера измельчения имеет облицовку из марганцевой стали.

· Измельчающие части изготовлены из специального закаленного сплава. Все дробящие части могут быть быстро заменены.

Загрузочная воронка

· Нижняя часть подающего бункера, а также бункер и разрывающие крюки изготовлены из марганцевой стали.

· Геометрия загрузочной воронки предотвращает образование пробок и служит для оптимальной подачи металлической стружки в камеру измельчения

Дробление стружки обеспечивают резцы со стружкозавивающими элементами [1-5]. В существующих методах расчета геометрических параметров стружкозавивающих элементов используют различные критерии способности стружки к дроблению.

Например, в качестве критерия способности стружки к дроблению предложена величина относительной деформации стружки

(2)

где R - радиус завивания стружки, мм; a' - толщина стружки, мм.

Предельное относительное удлинение стружки, которое достигается к моменту ее разрушения при дроблении, также может быть применено в качестве критерия способности стружки к дроблению [2]

 (3)

где e_j - обобщенная характеристика прочности материала стружки при изгибе; R_max - максимальный радиус завивания стружки, мм;

c - коэффициент расположения нейтральной линии стружки при изгибе.

Эксперименты в данном случае проводились с готовой стружкой на специальной установке без учета параметров режима обработки и геометрических параметров инструмента, с помощью которого была получена эта стружка. Конструкция установки позволяла разогреть стружку до требуемой температуры.

В качестве критерия способности стружки к дроблению также предложена комплексная величина [3]

(4)

где

r₀ - радиус первоначального завивания стружки, мм;

a - толщина среза, мм.

Индексы 1 и 2 при переменных r₀ и a соответствуют двум опытам в эксперименте по дроблению стружки. С помощью данного критерия можно без экспериментов с готовой стружкой на специальной установке оценить способность стружки к дроблению.

Изучив сущность известных критериев способности стружки к дроблению, можно сделать выводы о том, что первый и второй критерии отражают только связь относительной деформации стружки с радиусом завивающего компонента резца и толщиной стружки. Эти критерии не учитывают технологические параметры обработки заготовки реальным инструментом. Третий критерий учитывает величину продольной подачи и главный угол в плане инструмента. Однако не известна область его применения. Не ясно, справедлив ли этот критерий только для одного вида стружки или для всех возможных видов стружки в пределах допустимых параметров режима обработки.

Поэтому целью проводимых исследований являлся выбор эффективного критерия способности стружки к дроблению и определение закономерностей его изменения.

Предполагалось экспериментально оценить эффективность известных критериев способности стружки к дроблению, считая коэффициент расположения нейтральной линии стружки постоянным. Принимаем в критериях (1), (2) и (3) в качестве радиуса завивания стружки радиус витка стружки, который в различных опытах при изменении продольной подачи имеет различную величину. Таким образом, оцениваемые критерии примут вид

Значения коэффициентов

(4)

(5)

(6)

где

r₁, r₂ - радиусы витка стружки из разных опытов, мм.

Выдвигается гипотеза, заключающаяся в том, что величина критерия способности стружки к дроблению должна быть постоянной для одного вида (класса) стружки и в пределах родственных видов. При определении зависимости критерия способности стружки к дроблению от величины продольной подачи коэффициент расположения нейтральной линии стружки можно считать постоянным.

Экспериментальная часть исследования выполнена на токарно-винторезном станке. Заготовка диаметром 63 мм из нержавеющей стали Х18Н10Т продольным точением обрабатывалась резцом [3]. В качестве режущего и стружкозавивающего элементов использованы пластины из твердого сплава ВК8.

Все параметры при проведении экспериментов оставались постоянными. Эксперименты проводились без смазочно-охлаждающей жидкости и состояли из восьми опытов, в каждом из которых изменялась только величина продольной подачи.

В каждом опыте измерялись толщина стружки a', ширина стружки b', радиус витка стружки r и определялся вид (класс) стружки [4, 6, 7] (табл. 1).

Для расчета величины критериев (5) и (6) необходимо определить коэффициент расположения нейтральной линии стружки с, который рекомендуется выбирать, исходя из отношения толщины стружки a' к ее ширине b'. При значениях a'/b' от 0,2 до 0,5 рекомендуемая величина с = 0,38, при a'/b' < 0,2 -- с = 0,44, а при a'/b' > 0,5 -- с = 0,33 [2]. Во всех экспериментах только крайние значения отношения a'/b' выходили из диапазона от 0,2 до 0,5.

Таблица 2 - Результаты экспериментов

s, мм/об	v = 39,6 м/мин	v = 79 м/мин	v = 158 м/мин
	a', мм	b', мм	g, мм	вид	a', мм	b', мм	g, мм	вид	a', мм	b', мм	g, мм	вид
0,07	0,2	1,1	8	4	0,2	1,2	4,84	14	0,2	1,2	1,5	17
0,11	0,3	1,4	10	3	0,3	1,25	6,66	17	0,35	1,3	2,55	23
0,15	0,4	1,5	7	7	0,35	1,3	5,24	17	0,5	1,3	2,26	23
0,21	0,6	1,55	6,4	19	0,4	1,3	4,06	16	0,5	1,3	1,78	22
0,30	0,7	1,6	6	22	0,5	1,35	3,85	15	0,65	1,35	1,58	22
0,39	0,8	1,6	5,6	23	0,65	1,35	2,73	19	0,7	1,3	1,5	21
0,43	0,8	1,6	5,8	23	0,7	1,38	2,14	22	0,8	1,3	1,18	21
0,47	0,9	1,7	4,8	23	0,8	1,4	2,64	22	0,8	1,4	1,16	21

Величины критериев способности стружки к дроблению для этих крайних значений отношения толщины стружки к ее ширине, рассчитанные при значениях коэффициента расположения нейтральной линии стружки 0,44 и 0,33, а не 0,38, отличались от значений критерия из полученной общей закономерности в 3--5 раз. Это подтвердило предположение о постоянстве коэффициента расположения нейтральной линии стружки. Ведь даже незначительное изменение коэффициента расположения нейтральной линии стружки в пределах сотых долей для начальных и конечных опытов делает невозможным применение критериев (5) и (6). Таким образом, для определения закономерности изменения критерия способности стружки к дроблению в зависимости от величины продольной подачи коэффициент расположения нейтральной линии стружки следует считать постоянным.

Критерии (4) и (5) можно рассчитать для каждого опыта. Критерий (6) рассчитывается по данным двух опытов.

Для расчета величины критерия (6) необходимо знать толщину среза материала в каждом опыте. Величина толщины среза материала рассчитывалась по формуле [5]

a = s ^. sinj , (7)

где a - толщина среза, мм; s - продольная подача, мм/об; j - главный угол резца в плане, градус.

Результаты расчетов величины критерия способности стружки к дроблению представлены в табл. 2.

Таблица 3

Значения критериев (4), (5), (6)
s, мм/об	v = 39,6 м/мин	v = 79 м/мин	v = 158 м/мин
	4	5	6	4	5	6	4	5	6
0,07	0,013	0,016	0,86	0,021	0,027	1,25	0,07	0,09	1,06
0,11	0,015	0,019	0,63	0.023	0,029	1,00	0,07	0,10	1,00
0,15	0,029	0,038	0,43	0,035	0,044	0,98	0,12	0,18	1,00
0,21	0,049	0,064	1,00	0,052	0,068	1,01	0,16	0,24	1,00
0,30	0,062	0,082	1,04	0,069	0,092	1,00	0,26	0,43	1,00
0,39	0,077	0,103	1,00	0,135	0,194	1,00	0,30	0,54	1,00
0,43	0,074	0,099	1,01	0,196	0,301	1,00	0,51	1,31	1,00
0,47	0,104	0,143	1,00	0,179	0,270	1,00	0,53	1,38	1,00

Графики изменения критериев (4), (5), (6) способности стружки к дроблению в зависимости от величины продольной подачи для скорости резания v = 39,6 м/мин показаны на рис. 1.

На графиках изменения критериев (4) и (5) можно выделить три участка: -- участок возрастания (e=0,013-0,049, s=0,07-0,21 мм/об); -- участок стабилизации (e=0,062-0,074, s=0,21-0,39 мм/об); -- участок возрастания (e=0,074-0,143, s=0,39-0,47 мм/об).

Рис.4 Графики изменения критериев

Абсолютная величина разности между максимальным и минимальным значениями критерия (5) равна только 0,12, а критерия (4) - 0,09 (см. таблицу 2). Следовательно, критерии (4) и (5) обладают минимальной информативностью о способности стружки к дроблению в данном эксперименте (v = 39,6 м/мин).