О.В. Новик, В.В. Калмыков

О.В. Новик, В.В. Калмыков
НАУЧНОЕ НАСЛЕДИЕ А.Л. ЧИЖЕВСКОГО В СОВРЕМЕННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
На первом международном конгрессе в Нью-Йорке в 1939 году,
посвященном биологической физике и биологической космологии, Александр
Леонидович Чижевский был назван «Леонардо да Винчи ХХ века». Это
сравнение и на сегодняшний день не кажется удивительным. Идеи
выдающегося русского ученого до сих пор находят новые воплощения в
современной науке и технике. Наряду с такими выдающимися учеными, как К.
Э. Циолковский и В. И. Вернадский, он положил начало новому космическому
мировоззрению.
С 16 лет Чижевский начал разрабатывать гипотезу о влиянии солнечной
активности на биологические и социальные процессы. Примерно в это же
время он стал исследовать влияние искусственно ионизированного воздуха на
животные организмы и человека. В своих публикациях А.Л. Чижевский
предрекал, что область применения искусственной ионизации воздуха
безгранична и оказался пророчески прав.
Многие идеи Чижевского были впоследствии подхвачены научным
сообществом, развиты и реализованы. Например, появилось понятие
аэроионификация. Он впервые экспериментально пытался установить факт
противоположного
физиологического
действия
положительных
и
отрицательных ионов в воздухе на живые организмы, применил искусственную
аэроионификацию. В ряде своих научных работ, посвященных воздействию
отрицательно заряженных ионов кислорода, Чижевский приписывал им
положительный физиологический эффект. В настоящее время в ряде стран
аэроионифицируют больничные палаты, санатории, учебные аудитории,
служебные помещения, офисы, залы для физкультуры и спорта, заводы и
фабрики, частные квартиры и т. д.
Достаточно было, к примеру, всего лишь одного из таких его достижений,
как открытие возможности управления химическими процессами при помощи
электричества, чтобы его имя навсегда вошло в историю науки.
Сегодня идеи великого ученого нашли применение
в области
машиностроения. В настоящее время метод электроокраски стал основным на
любом крупном предприятии, имеющем дело с покраской материалов и
поверхностей: вагоны метро, самолеты, океанские лайнеры — все это
окрашивается в электрическом поле по методу Чижевского. В частности,
многие автоконцерны применяли ионизацию лакокрасочного тумана для
наиболее плотного и равномерного покрытия кузовов автомобилей. Эффект
«металлик» так популярный среди автомобилистов был бы не возможен без
работ Чижевского. Исследования последних лет еще более расширили
применение идеи ионизации в казалось бы совершенно далеких от
первоначально задуманных целей.
В условиях присоединения России к Всемирной торговой организации,
когда обостряющаяся конкуренция заставляет повышать качество выпускаемой
продукции, очень востребованными являются новые методы металлообработки.
Предъявление новых требований к защите окружающей среды и охраны
труда на предприятиях повлекло за собой исследования, направленные на
оптимизацию процессов в зоне резания, а также исключение вредных факторов,
влияющих как на рабочего и зону обслуживания, так и на окружающую среду.
Исследования многих авторов показали эффективность теплоотвода
ионизированным воздухом на порядок выше, чем воздухом при традиционных
схемах охлаждения. Существуют исследования, доказывающие значительное
увеличение эффективности воздуха как СОТС (смазочно-охлаждающего
технологического средства), если его предварительно ионизировать, так как при
этом, кроме значительного снижения тепловыделения, происходит смазка
контактных поверхностей инструмента и заготовки тонкой оксидной пленкой.
Область применения воздуха как СОТС ограничивалась его меньшей
эффективностью по сравнению с жидкими средствами, такими как эмульсии,
масла, мыльные растворы и другие. При охлаждении обычным воздухом
отсутствует эффект смазки. Для полноценной замены жидких СОТС воздухом
используют так называемое СЭО (сухое электростатическое охлаждение) путем
подачи в зону резания ионизированного и озонированного воздуха высокоточным
коронным разрядом из специальной установки. А возникающая оксидная пленка на
обрабатываемой заготовке выполняет роль твердой смазки. СЭО позволяет
увеличить стойкость инструмента до 1,5 раз за счет уменьшения адгезионного
воздействия в контактной зоне с помощью эффекта электрической поляризации
Дерягина.
Использование воздуха в качестве СОТС имеет преимущества в
сравнении с жидкостными аналогами и в большей степени отвечает санитарногигиеническим требованиям, предъявляемым к организации производства.
Проблемы
рационального
применения
смазочно-охлаждающих
технологических средств определяются двумя основными факторами –
экономическим и экологическим. По оценкам специалистов и опыту
промышленных предприятий затраты на СОТС до 4 раз превышают расходы на
режущие инструменты и достигают 17 % себестоимости изготовления деталей
машин. В то же время СОТС являются загрязнителями окружающей среды, а на их
изготовление затрачивают значительное количество дефицитного сырья. При
правильно выбранном составе и способе использования СОТС можно резко
уменьшить силы трения в контактных зонах «инструмент–заготовка–стружка»,
уменьшить тепловыделение и усилить отвод тепла, а также обеспечить удаление
стружки и отходов обработки из зоны резания и с рабочих поверхностей станка. В
результате в существенной степени уменьшаются износ, затупление и засаливание
инструмента, повышаются его работоспособность и период стойкости. Все это
позволяет значительно повысить производительность обработки и улучшить
качество деталей. Поэтому совершенствование составов и техники подачи СОТС
является одним из основных направлений развития современной технологии
машиностроения.
В последние годы в Калужской области открыто множество
высокотехнологичных машиностроительных производств автомобильного
кластера. В ближайшее время начнет работу новый завод корпорации
«Фольксваген» по производству двигателей для автомобилей. Это производство
сопряжено со значительным объемом лезвийной металлообработки, где процессы
резания потребуют эффективных подходов к их реализации.
Анализ результатов исследований показывает, что при обработке с подачей
в зону резания охлажденного ионизированного воздуха наблюдается
существенное повышение стойкости режущего инструмента по сравнению с
обработкой без охлаждения и незначительное снижение по сравнению с
поливом эмульсией. Величина шероховатости поверхности при подаче
охлажденного ионизированного воздуха существенно меньше, чем при
отсутствии охлаждения и незначительно отличается от варианта обработки с
поливом эмульсией.
Экспериментально доказана возможность ионизации воздуха устройством,
работающим на принципе вихревого энергетического разделения газов.
Наибольшее влияние на эффективность работы ионизатора оказывают
влажность и давление воздуха. Величина средней шероховатости обработанной
поверхности при использовании вихревого ионизатора сравнима с величиной
средней шероховатости при поливе эмульсией. При этом она в 2,5 раза ниже,
чем при отсутствии охлаждения и в 1,8 раза ниже, чем при охлаждении обдувом
сжатым воздухом. Стойкость режущего инструмента при охлаждении
ионизированным воздухом незначительно (на 5÷10 %) уступает стойкости
инструмента при охлаждении поливом эмульсией.
Рис.1 Диаграмма зависимости средней шероховатости (Ra) обработанной
поверхности при отсутствии охлаждения; при охлаждении обдувом сжатым
воздухом; поливом жидкостями; подачей в зону резания ионизированного
воздуха от вихревого ионизатора.
Рис. 2. Схема сухого электростатического охлаждения ионизированным
воздухом.
Устройство для охлаждения зоны резания металлорежущего станка (рисунок
2) содержит вихревую трубу 1 с сопловым вводом 2, через который в нее подается
воздух от источника сжатого воздуха 3, например, от компрессорной установки.
Патрубок вывода горячего потока 4 соединен с ионизатором 5, выполненным в
виде кольцевого положительного электрода 6 и игольчатого отрицательного
электрода 7, которые подсоединены к электрическому источнику питания 8. В зоне
прохождения ионизированного потока воздуха установлен эжектор 9,
подключенный через трубное пространство рекуперативного теплообменника 10 к
увлажнителю 11. Патрубок вывода холодного потока 12 соединен через
межтрубное пространство теплообменника 10 с атмосферой.
Исследованиями установлено[1]:
 охлажденный в вихревой трубе ионизированный воздух, увеличивает
стойкость инструмента при обработке стали 45 до 10 раз по сравнению с
резанием «всухую» и до 1,5 раз по сравнению с применением эмульсии;
снижает температуру в контактной зоне в 2-3 раза; улучшает
характеристики процесса резания и качество обработанной поверхности;
 уменьшение величины остаточных напряжений на10-15% при обработке с
использованием охлажденной ионизированной среды по сравнению с
резанием «всухую» и использованием эмульгированных и масляных
жидкостей;
 увеличение условного угла сдвига и уменьшение поверхностных
значений твердости с 260 до 240 кг/мм2 и глубины деформированного
слоя при резании в среде охлажденного ионизированного воздуха по
сравнению с обработкой «всухую», что объясняется изменением условий
взаимного перемещения сопряженных поверхностей инструментального
и обрабатываемого материала;
 уменьшение коэффициента трения на 25-30% при применении
охлажденной ионизированной среды по сравнению с трением на воздухе,
что обусловлено интенсивным формированием оксидов железа (FeO и
Fe3O4) на трущихся поверхностях.
Такой способ охлаждения зоны резания находит широкое применение
при обработке легированных, коррозионностойких и жаропрочных сталей,
сплавов на основе никеля, вольфрама, а также в металлообработке, где
применение
охлаждающих
жидкостей
недопустимо,
например,
в
электровакуумной промышленности.
Кроме того, охлажденный ионизированный воздух не вызывает трещин на
инструменте
при высокоскоростных методах обработки, где высокие
температуры в зоне резания ускоряют процесс образования защитных окисных
пленок.
К настоящему времени создано большое разнообразие технических
средств
для
подготовки
ионизированных
газов,
в
том
числе
многофункциональных вихревых устройств для подачи СОТС в зону резания в
распыленном состоянии, а так же устройств для увлажнения и
кондиционирования воздуха.
Данные возможности стали доступными для современного машиностроения
благодаря использованию и развитию идей нашего земляка, великого русского
ученого Александра Леонидовича Чижевского. Существует уверенность, что и в
будущем ученые найдут новые способы применения его научного наследия в
самых неожиданных проявлениях для пользы человечества.
Список литературы
1. Курапов К.В., Наумов А.Г., Федулов Е.А. Повышение охлаждающей
способности ионизированного воздуха // Физика, химия и механика
трибосистем: Межвуз. сб. науч. тр. Иваново: 2007. Вып. 6. С.112-113.
2. Климочкин К.О., Есов В.Б. Модернизация системы охлаждения
металлорежущих станков с применением устройства охлаждения
ионизированным воздухом (УОИВ). - Ремонт, Восстановление,
Модернизация, 2011.
3. Худобина Л. В. Смазочно-охлаждающие технологические средства и их
применение при обработке резанием: справочник - М. :Машиностроение,
2006. - 544 с.