Способы ввода технологической среды в зону резания

При подаче СОТС в зону резания она практически мгновенно попадает на площадки контакта рабочих поверхностей инструмента со стружкой и деталью. Проникновение это происходит под влиянием сил химического взаимодействия и через сеть субмикроскопических трещин и капилляров в зоне стружкообразования и на контактных площадках. Так, плексигласовый резец с полированными поверхностями может резать олово, свинец и другие мягкие материалы. Если нанести каплю окрашенной воды сбоку от места контакта стружки с передней поверхностью резца, можно заметить, как жидкость, быстро всасываясь, проникает в зону контакта и смачивает поверхности контактных площадок.

Возможные пути проникновения внешней среды в щелевые зазоры между режущим лезвием и стружкой весьма разнообразны. Это, в частности, может происходить вследствие образования тончайшей сетки капилляров в зоне контакта стружки с передней поверхностью и возникновения капиллярного эффекта. При обработке с низкими и средними скоростями резания контакт стружки с инструментом имеет точечный характер. В сечении, перпендикулярном к режущей кромке, формируются микронеровности и образуются капилляры размером 0,4...4 мкм, обеспечивающие постоянное поступление СОЖ, в том числе молекул жирных кислот, или ее паров на трущиеся поверхности. При этом скорость движения жидкости достигает 3...4 м/с. При скоростях резания свыше 100 м/мин контактная поверхность стружки сильно пластифицирована и размеры капилляров многократно уменьшаются. Смазывание в этом случае осуществляется воздухом или продуктами разложения СОЖ.

Другим механизмом, способствующим проникновению СОЖ, является вакуумный эффект вследствие высокочастотных разрушений наростов и колебательных процессов, имеющих место в зоне резания.

Еще один возможный путь проникновения молекул или ионов СОЖ - через толщу деформированной стружки или по плоскостям сдвига. Установлено, что вследствие наличия микротрещин и разрывов в зоне первичных деформаций плотность металла стружки на 2...3 % меньше плотности исходного материала.

Проникающее действие среды зависит как от ее физических свойств (размеры молекул и ионов, агрегатное состояние), так и от способа ее подвода в зону резания. Так, лучшему проникновению среды на тяжелонагруженные контактные поверхности способствует подача СОТС под давлением, которая имеет дополнительную кинетическую энергию.

Эффективность применения СОТС и экономические показатели их использования в значительной степени определяются способом подвода в зону обработки. Наибольшее разнообразие их используется при подаче СОЖ. Самое широкое распространение получила подача СОЖ свободно падающей струей (рис. 6, а) под давлением 0,02...0,03 МПа, что объясняется в первую очередь простотой реализации способа. Его эффективность зависит от расхода СОЖ, размеров, формы и траектории струи. Последняя в любом случае должна перекрывать всю зону контакта инструмента с заготовкой.

Рис. 6. Подача СОЖ свободно падающей струей (а) и через сопловые насадки (б)

При использовании указанного способа подачи СОЖ необходимо соблюдать следующие требования:

1) жидкость должна подводиться непрерывной струей с первого момента резания;

2) расход жидкости должен быть достаточно большим, но не более 15 л/мин, так как его дальнейшее увеличение нецелесообразно. С повышением давления жидкости период стойкости инструмента увеличивается, но до определенного предела. При различных видах обработки требуется разный расход охлаждающей жидкости. Так, например, при точении и сверлении рекомендуется подводить 10...12 л/мин жидкости, фрезеровании - 10...20, черновых зуборезных работах - 8...10, чистовых - 2...3, при протягивании - 10... 12 л/мин;

3) характер подвода, направление и форма струи должны быть отрегулированы в соответствии с проводимой обработкой. Например, при нарезании резьбы с большой скоростью СОЖ должна подаваться обильной струей. Струю направляют в то место, где отделяется стружка. Это позволяет отводить наибольшее количество теплоты;

4) необходимо следить за состоянием и расходом СОЖ, своевременно менять ее и доливать в баки. Предельный срок работы эмульсии при обработке стали достигает 30, а чугуна и латуни - 15 дней.

Подача СОЖ под давлением 0,1...2 МПа через сопловые насадки (рис. 6, б) применяется в целях увеличения расхода СОЖ, проходящей через зону обработки, и вымывания из этой зоны стружки. Последнее обстоятельство особенно важно для автоматизированного оборудования. Разновидностью подачи СОЖ под давлением является с т р у й н о-н апорный способ. В этом случае тонкую струю СОЖ направляют в зону контакта инструмента с заготовкой со стороны задней поверхности лезвия. Эффективность подачи СОЖ под давлением значительно выше, чем при поливе (свободно падающей струей), однако этот способ сложнее и дороже. Подача жидкости осуществляется с помощью насосов через фильтр и гибкий шланг с насадкой, имеющей отверстие диаметром 0,4...0,6 мм. Расстояние от выходного отверстия до лезвия резца должно быть как можно меньше, чтобы уменьшить рассеивание струи. К недостаткам высоконапорного охлаждения следует отнести необходимость точного и непрерывного попадания струи в зону резания, сложность защиты от брызг, необходимость оснащения станка специальным насосом. При охлаждении такого вида период стойкости резцов из быстрорежущей стали возрастает в 3-7 раз по сравнению с использованием обычного охлаждения и в 10-20 раз по сравнению с точением всухую. Применение высоконапорного охлаждения при обработке резцами, оснащенными твердым сплавом, менее эффективно. Период стойкости таких резцов возрастает лишь в 1,5 раза по сравнению с обычным охлаждением, да и то не всегда.

При использовании станков с ЧПУ получила распространение подача СОЖ в распыленном состоянии (рис.7). В этом случае СОЖ с помощью сжатого воздуха распыляется на мельчайшие капельки и вместе с воздухом в виде тумана с большой скоростью (до 200...300 м/с) подается в зону резания. Расход жидкости очень мал. Период стойкости инструмента повышается в 2-4 раза по сравнению с обычным охлаждением свободно падающей струей и в 2 раза по сравнению с высоконапорным охлаждением. Кроме того, охлаждение распыленной жидкостью более удобно, так как не требует точного направления струи.

Рис. 7. Подача СОЖ в распыленном состоянии

Высокая эффективность СОЖ в распыленном состоянии объясняется следующим:

1) скорость истечения струи воздушно-жидкостной смеси составляет примерно 300...330 м/с, что в 300 раз больше скорости свободно падающей струи при охлаждении поливом; такая скорость способствует интенсивному конвективному теплообмену ме­жду двухфазной струей и охлаждаемой зоной (нагретой поверхностью детали или режущего инструмента);

2) температура смеси при выходе из сопла находится в пределах 3...12 °С и может быть даже ниже нуля, что также повышает интенсивность конвективного теплообмена;

3) попадая на нагретую поверхность, частицы СОЖ превращаются в пар, отбирая с единицы поверхности значительное количество теплоты; в то же время струя воздушно-жидкостной смеси обладает достаточной кинетической энергией, чтобы быстро разрушать возникающую в охлаждаемой зоне паровую оболочку;

4) частицы распыленной СОЖ, обладая относительно большой кинетической энергией и значительным избытком свободной энергии, интенсивно проникают в зону контакта режущего инструмента с обрабатываемой деталью, в результате чего улучшается смазочная способность СОЖ;

5) вместе с частицами СОЖ в зону резания поступает и воздух, благодаря чему трущиеся поверхности взаимодействуют не только с СОЖ, но и с кислородом воздуха; при этом на поверхности металла образуются пленки оксидов, усиливающие слой защиты от непосредственного контакта трущихся поверхностей.

Следует отметить, что расход масел в десятки раз меньше, чем расход СОЖ на водной основе - соответственно 1...5 и 200...400 г/ч. При этом:

- частицы распыленной СОЖ имеют размеры от 1 до 150 мкм (средний размер 12...25 мкм);

- расстояние между каплями - более 25 их диаметров;

- через поперечное сечение струи за секунду проходит несколько сот миллионов капель;

- удельная поверхность распыленной СОЖ в 700 раз больше, чем жидкости.

При обработке отверстий стержневыми инструментами широко применяется подача СОЖ под давлением через каналы в теле инструмента с выходом в зону резания (рис. 8). В результате облегчается не только надежный подвод СОЖ к контактным площадкам, но и удаление стружки из этой зоны. Такой способ охлаждения даже при обработке высокопрочных сталей позволяет увеличивать скорость резания на 25...40 %. Для подачи жидкости через внутренние каналы вращающихся инструментов применяются специальные патроны. Период стойкости сверл с внутренним подводом СОЖ повышается в 3-10 раз по сравнению с обычными сверлами.

Рис.8. Подача СОЖ через каналы в теле инструмента с выходом в зону резания:

а - спиральное сверло; б - эжекторное сверло

Аналогичные явления наблюдаются при подаче СОЖ через поры и каналы в шлифовальном круге за счет действия центробежных сил (рис.9).

Рис.9. Подача СОЖ через поры и каналы в теле шлифовального круга

При токарной обработке иногда используют подачу СОЖ через каналы в инструменте без выхода ее в зону резания (рис. 10, а). В этом случае СОЖ выполняет только функцию охлаждения. Разновидностью такого способа является использование для охлаждения тепловых труб (рис.10, б). В общем случае они представляют собой герметичные контейнеры, внутренняя поверхность стенок которых покрыта слоем капиллярно-пористого материала, называемого фитилем. После создания в тепловой трубе вакуума фитили 2 заполняют рабочей жидкостью, например ацетоном. Тепловая труба работает следующим образом. Теплота, подведенная к наружному концу трубы, будет поглощаться в виде скрытой теплоты парообразования при испарении рабочей жидкости. Поглощенная теплота переносится паром к холодному концу трубы 3, где происходит конденсация пара. Образующаяся при конденсации жидкость под действием капиллярных сил возвращается по порам фитиля к горячему концу тела резца 1. Использование тепловой трубы позволяет уменьшить температуру резания на 200 °С и бо лее, повысить период стойкости резца более чем вдвое. Твердые смазочные материалы вводятся в зону резания в результате периодической или непрерывной обмазки рабочих поверхностей инструмента. При шлифовании хорошо зарекомендовали себя круги, пропитанные такими материалами, как сера, углеводородные и кремнийор-ганические соединения.

Рис.10. Подача СОЖ через каналы в теле инструмента без выхода в зону резания:

а - резец с каналом; б - резец с тепловой трубой

Резание в сухую

 

Смазочно-охлаждающие жидкости в последние годы все чаще рассматриваются как нежелательный фактор в производстве. Это обусловлено экономическими и экологическими причинами, в том числе все более жестким международным законодательством об охране окружающей среды.

Согласно имеющимся данным, в крупносерийном производстве (автомобильная промышленность) на долю действий, связанных с применением СОЖ (доставка, использование, регенерация и т.д.), приходится от 7,5 до 17 % общих производственных затрат, тогда как расходы на инструмент составляют только 4 %. Весьма значительны затраты на последующую утилизацию и регенерацию СОЖ. В частности, в середине 90-х гг. прошлого века в Германии в течение года на утилизацию отправляли свыше 750 ООО т СОЖ при затратах до 1500 марок на утилизацию одной тонны, причем затраты эти непрерывно возрастали.

Важную роль играют также экологические последствия от использования СОЖ. С одной стороны, учитывается их отрицательное влияние на окружающую среду, с другой - вредное воздействие на здоровье работников. В результате применения СОЖ возрастает угроза кожных (до 30 % всех профессиональных заболеваний), аллергических и онкологических заболеваний вследствие контакта человека с канцерогенными веществами (ароматическими углеводородами, оксидами и мылами металлов, продуктами бактерицидного разложения и т.д.).

Известно, что резание всухую приводит к повышению температуры и, как следствие, ускоренному изнашиванию инструмента, возрастанию термических напряжений в детали, ее тепловым деформациям и прочим отрицательным последствиям. Эти воздействия можно уменьшить следующим образом (рис. 11):

 

 

Рис. 11. Средства, позволяющие осуществлять резание без либо с минимальным использованием СОТС

□ выбирая технологию обработки, не требующую использования СОЖ;

□ изменяя конструкцию и геометрию инструмента (размеры поверхностей, контактирующих с деталью и стружкой);

□ используя износостойкие покрытия, препятствующие поступлению теплоты в инструмент;

□ подбирая марки инструментальных материалов с повышенными теплостойкостью и теплопроводностью;

□ используя твердые, газообразные смазочные вещества либо СОЖ с минимальным расходом (менее 100 мл/ч) в распыленном состоянии.

Применение СОЖ в малых количествах не требует значительных затрат на ее очистку и утилизацию, но в то же время обеспечивает снижение коэффициентов трения и адгезии на контактных площадках. Мелкую стружку и пыль из зоны резания можно удалять с помощью сжатого воздуха. При этом нагретая стружка не накапливается в поддоне и не передает свою теплоту металлорежущему станку, не остается на зажимных элементах приспособления, не вызывает ускоренного изнашивания направляющих станка.

Основная проблема при резании всухую - правильный выбор инструментального материала с учетом специфики процесса обработки. Например, при обработке сталей главной проблемой является высокая температура резания, при обработки чугуна и силуминов - интенсивное абразивное изнашивание инструмента, при обработке алюминия - склонность стружки к схватыванию с инструментом и деталью. Различия между резанием всухую и с использованием СОЖ зависят также от вида обработки (рис. 12). Легко заметить, что максимальный эффект от сухой обработки наблюдается при фрезеровании, поскольку прерывистое резание способствует охлаждению лезвий фрезы.

 

Рис. 12. Изменения стойкости (в процентах) инструментов при резании всухую и с использованием СОЖ (уровень стойкости 100 %):

1 - серый чугун; 2 - сфероидальный чугун; 3 - сталь с s_в < 900 МПа; 4 - сталь с s_в > 900 МПа; 5 - нержавеющие стали; 6 - алюминий

Режущие инструменты при сухой обработке должны обеспечивать приемлемые условия резания и иметь высокую стойкость. Поскольку прочность и износостойкость инструментальных материалов снижаются по мере роста температуры, для обработки рекомендуется использовать в первую очередь твердые сплавы и минералокерамику. Если невозможно исключить использование инструментов из быстрорежущей стали, следует наносить на них покрытия типа TiAlN. Снижение адгезии и сил трения между инструментом и стружкой возможно при нанесении на инструмент алмазных либо алмазоподобных пленок. Эффективность различных покрытий при фрезеровании всухую и с использованием СОЖ показана на рис. 13, 14.

Рис. 13. Влияние покрытия на износ фрез при обработке стали 42СгМо4 всухую и с использованием 5%-й эмульсии (и = 200 м/мин; S₂ = 0,05 мм; t = 12 мм; путь резания 50 м)

Рис. 14. Влияние покрытия на износ концевых фрез при обработке силумина AlZnMgCul,5 ( v = 1000 м/мин; S_z = 0,07 мм; t = 6 мм): 1 - покрытие отсутствует; 2 - аморфное покрытие типа С:Н; 3 - покрытие WC; 4 - алмазное покрытие; 5 - с расходом СОЖ 10 мл/ч; 6 - с расходом СОЖ 40 мл/ч

 

Сверление всухую или с использованием сжатого воздуха приводит к худшим результатам, чем сверление с СОЖ, однако резание с распыленной СОЖ также может обеспечить хорошие результаты. Здесь, однако, многое зависит от состава технологической среды (рис. 15).

 

Рис. 15. Влияние условий охлаждения на путь резания при сверлении серого чугуна типа СЧ25 сверлами из твердого сплава К20 с покрытием TiN ( v = 120 м/мин; S_a = 0,3 мм/об; диаметр сверла 10 мм)

 

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: