Охлаждение и смазка при резании

Охлаждение и смазка при резании

Применение смазочно-охлаждающих сред при обработке резанием не всегда дает существенный положительный эффект. Поэтому при выборе и применении смазочно-охлаждающих сред следует учитывать физические условия, при которых их использование может быть наиболее эффективным. Применение смазочно-охлаждающих сред может преследовать несколько целей: предохранение инструмента, детали и станка от чрезмерного нагрева, повышение стойкости инструмента, уменьшение влияния нароста и снижение шероховатости обработанной поверхности, очищение зоны резания от мелкой стружки, уменьшение трения на поверхностях контакта инструмента с деталью и стружкой.

Различают 4 типа сред: водные, масляные, газообразные, твердые.

Смазочно-охлаждающая жидкость должна не только эффективно воздействовать на процесс резания, но и удовлетворять дополнительным требованиям: она должна быть дешевой, не должна быть токсичной или пожароопасной, вызывать коррозию станка или обработанной детали. Наиболее широко применяемые СОЖ можно разделить на две основные группы.

К первой группе относятся водные растворы (масляные эмульсии, растворы электролитов и поверхностно-активных веществ). Они имеют повышенные охлаждающие и невысокие смазывающие свойства. К недостаткам эмульсионных СОЖ относится их способность разлагаться при загрязнении, потеря антикоррозионных свойств. В связи с этим наблюдается тенденция к замене эмульсолов синтетическими жидкостями, не содержащими нефтяных масел.

Ко второй группе относят СОЖ на основе минеральных (или реже растительных) масел. Они обладают повышенным смазочным эффектом, но невыcоким охлаждающим. Кроме охлаждающего или смазочного эффекта некоторые СОЖ (или смаэочно-охлаждающие технологические среды) могут снижать сопротивление пластическим деформациям в тонких поверхностных слоях металла. Влияние СОЖ на прочностные характеристики материала связано с эффектом Ребиндера. Он заключается в том, что некоторые поверхностно-активные вещества, например четыреххлористый углерод, образуют твердые пленки в микротрещинах материала, препятствуя свариванию (схватыванию) материала в процессе пластических деформаций и «залечиванию» микротрещин. Таким образом, разрушение или отделение материала происходит при меньших деформациях и напряжениях.

В качестве поверхностно-активных присадок применяют олеиновую кислоту, нафтеновую кислоту, окисленный петролатум и некоторые эфиры. К химически активным присадкам относятся сера, фосфор, четыреххлористый углерод и соединения, содержащие азот.

Твердыми присадками служат вещества, имеющие слоистое строение: графит, дисульфид молибдена, сернистый титан, сернистый цинк и др. Вследствие молекулярной адсорбции поверхностно-активных веществ образуются физические пленки.

Они плохо противостоят воздействию нормальных нагрузок и температур. При химическом взаимодействии между СОЖ и смазываемыми поверхностями образуются химические пленки, более стойкие к повышенным температурам и нормальным давлениям и имеющие меньшее сопротивление сдвигу. Твердые присадки создают механические пленки, имеющие наиболее низкое сопротивление сдвигу.

Рекомендуемые материалы

Смазочное действие жидкостей растет с повышением проникающей способности веществ, входящих в состав СОЖ, и зависит от размеров и подвижности молекул и ионов и их взаимодействия с трущимися поверхностями. При наличии пластического контакта стружки с инструментом проникновение СОЖ в зону контакта затруднено.

Поэтому смазочный эффект проявляется в основном при скоростях (температурах), меньших, чем минимальные целесообразные скорости v_о, при которых на большей части длины контакта наблюдается упругое взаимодействие стружки с инструментом. Уменьшение сил адгезии уменьшает размеры и устойчивость нароста. Это благоприятно сказывается на шероховатости обработанной поверхности, однако чрезмерное уменьшение нароста может снизить его защитную роль, особенно при обработке быстрорежущими инструментами. В связи с этим для быстрорежущего инструмента наиболее эффективными являются СОЖ с умеренной смазочной активностью, которые не ослабляют в значительной мере защитное действие нароста. Для твердосплавных инструментов более эффективны активные СОЖ, снижающие силы адгезии и интенсивность изнашивания. С увеличением скорости резания смазочный эффект снижается.

Охлаждающее действие СОЖ сдерживается тем, что наиболее нагретые участки контакта инструмента со стружкой и деталью закрыты от непосредственного попадания жидкости. Распределения температуры в движущихся стружке и детали характеризуются весьма большими градиентами температуры вблизи контактных поверхностей и малыми градиентами при удалении от контактных поверхностей. Охлаждение в процессе резания движущихся стружки или детали с помощью СОЖ не может оказать какого-либо влияния на температуру контактных поверхностей. Единственным стационарным элементом системы «инструмент - стружка - деталь» является инструмент.

Если оценивать только охлаждающее влияние СОЖ, то единственным реальным путем снижения температуры контакта инструмента со стружкой и деталью является охлаждение именно находящегося длительное время под действием источников тепла режущего инструмента.

Однако и здесь возможности снижения температуры, как правило, невелики. Они зависят от доли тепла, отводящегося из зоны резания через инструмент. При малых значениях критерия Пекле (при малых скоростях резания) через инструмент может отводиться относительно много тепла (несколько процентов от мощности резания).

При интенсификации резания доля теплового потока в инструмент снижается и составляет обычно менее 1 %. В связи с этим охлаждение инструмента целесообразно и эффективно именно при малых критериях Пекле: при резании конструкционных сталей инструментами из быстрорежущих (или инструментальных) сталей, обработке труднообрабатываемых материалов (например никелевых сплавов), нарезании резьбы или отрезке, сверлении, зубофрезеровании, обработке небольших деталей на станках автоматах и т.д. При черновой обработке конструкционных сталей твердосплавными резцами (например при обдирке прокатных валков) применение СОЖ не дает существенного эффекта.

Более того, при прерывистом резании твердосплавными инструментами с высокими скоростями (температурами) использование СОЖ может вызвать увеличение интенсивности изнашивания и даже разрушение режущего лезвия из-за увеличившихся циклических термических напряжений.

При прерывистом резании более прочными быстрорежущими инструментами целесообразно применять среды, обладающие не только высокой охлаждающей, но и высокой смазочной способностью.

При использовании СОЖ следует по возможности применять жидкости на водной основе, поскольку они более экономичны и обладают лучшими санитарно-гигиеническими показателями. Однако с экологической точки зрения стремятся полностью отказаться от применения СОЖ или заменить их экологически безопасными способами. К таким относится микрокапсулирование СОТС.

Масляными эмульсиями называют раствор эмульсола в воде определенной концентрации. Они имеют молочно-белый цвет и представляют собой сложную систему, состоящую из двух нерастворимых жидкостей - воды и масла. Сильно диспергированное масло (внутренняя дисперсная фаза) распределено в воде (внешняя дисперсная фаза). Для предотвращения слияния капель масла в сплошной слой в эмульсии существует третий компонент - эмульгатор. Эмульгаторами являются поверхностно-активные вещества - мыла, растворимые в воде. Таким образом, во внешней фазе, представляющей собой раствор мыла в воде, распределены мельчайшие капельки масла, окруженные мыльной оболочкой (внутренняя фаза),

Эмульсии изготовляют из эмульсолов различных составов. Наиболее распространенными являются эмульсолы марок Э-2, ЭТ-2, НГЛ-205 и СДМУ, основой которых (около 75%) является минеральное масло средней вязкости («Индустриальное 12» или «Индустриальное 20») с различными добавками. Например, в эмульсол Э-2 вводят масляный асидол (низкомолекулярная нафтеновая кислота), являющийся высокоэффективным поверхностно-активным веществом и одновременно эмульгатором, каустическую соду и этиловый спирт. В эмульсол ЭТ-2 входит смесь масляного асидола и галлового масла, в эмульсол НГЛ-205 - сульфонат натрия, пассивирующие добавки и водорастворимые ингибиторы коррозии, в эмульсол СДМУ - дисульфид молибдена. Кроме товарных эмульсолов существуют специальные, активированные олеиновой кислотой, касторовым маслом, канифолью и другими поверхностно-активными веществами, масляным коллоидным графитом. Если эмульсия предназначена для обработки труднообрабатываемых материалов, то в состав эмульсола вводят присадки серы, хлора, фосфора, цинка и азота, которые придают эмульсии способность сохранять смазочные свойства в условиях высоких, контактных давлений и температур.

Для повышения смазочных свойств минеральных масел к ним иногда добавляют (до 30%) растительные масла и животные жиры. Такие смеси называют компаундированными маслами. Они обладают лучшими смазочными свойствами по сравнению с чистыми минеральными маслами и применяются при выполнении ответственных операций. Значительно чаще минеральные масла активируют поверхностно-активными и химически активными присадками, такими, как олеиновая кислота, окисленный петролатум, керосин, четыреххлористый углерод и сера.

Большое распространение получили минеральные масла, активированные серой - сульфофрезолы. Сулъфофрезол состоит из осерненного нигрола или масляного гудрона - основы, полученной варкой с 10-12% серы, смешанной с индустриальным маслом. Содержание серы в сульфофрезоле не должно быть меньше 1,7%. Благодаря присутствию серы сульфофрезол хорошо сохраняет смазочные свойства при высоких контактных давлениях и температурах.

Наиболее высокими смазочными свойствами обладают чистые и активированные минеральные масла и сульфо-фрезол. Однако вследствие низкой теплопроводности и теплоемкости охлаждающее действие этих жидкостей незначительно.

Выбор СОЖ определяется характером операции резания и родом обрабатываемого и инструментального материалов. Строго говоря, для каждой комбинации операция - обрабатываемый материал - инструментальный материал существует определенная, наиболее эффективная жидкость. Однако для уменьшения номенклатуры СОЖ сходные по контактным процессам на поверхностях инструмента и тепловой напряженности операции выполняются с применением жидкости одного сорта.

Подачу СОЖ в зону резания осуществляют поливом свободно падающей струей или в распыленном состоянии. Полив свободно падающей струей является наиболее старым, универсальным и достаточно надежным способом подачи СОЖ в зону резания. Струю жидкости направляют так, чтобы она омывала как стружку, так и инструмент. Скорость падения струи должна составлять 60-80 м/мин, а расход жидкости зависит от вида обработки. Например, расход жидкости составляет: при точении – 10-15, при сверлении – 8-10, при нарезании резьбы метчиком – 2-3 и при фрезеровании - 7-20 л/мин. Этому способу присущи серьезные недостатки: 1) сильное разбрызгивание жидкости при высоких скоростях вращения детали и инструмента; 2) невозможность наблюдения за местом обработки; 3) большой расход жидкости; 4) вследствие постоянной циркуляции в замкнутой системе жидкость постепенно нагревается и частично теряет свои охлаждающие свойства.

Подача СОЖ тонкой струей осуществляется со стороны задней поверхности инструмента с низким и высоким давлением. При низком давлении (1-2 кгс/см²) струя жидкости выходит из насадка с отверстием диаметром 2-3 мм. При высоком давлении (15-20 кгс/см²) диаметр отверстия насадка составляет 0,5-1 мм. Во втором случае повышается охлаждающий эффект от применения СОЖ и уменьшается ее расход до 0,3-0,5 л/мин. Общим недостатком струйной подачи СОЖ является трудность обеспечения точного направления струи в зону резания и необходимость тщательной очистки жидкости во избежание засорения отверстия насадка. Струйную подачу жидкости применяют только при работе на специальных станках.

Подачу распыленной жидкости осуществляют в зависимости от типа инструмента как со стороны задней, так и передней поверхности. Распыленная жидкость представляет собой прозрачную смесь мельчайших капелек жидкости с воздухом. Для образования воздухо-жидкостной смеси и подачи ее в зону обработки применяют специальные установки, приводящиеся в действие сжатым воздухом давлением 2-4 кгс/см². Распыленная водная или масляная СОЖ поступает в зону резания из сопла, имеющего несколько отверстий диаметром около 2 мм. Распыленная жидкость оказывает повышенное смазочное и охлаждающее действие. Скорость струи распыленной жидкости составляет около 300 м/с, что интенсифицирует отбор тепла от нагретых поверхностей инструмента и детали. Высокая степень измельчения капелек жидкости приводит к тому, что, попадая на нагретые поверхности инструмента, стружки и детали, частицы жидкости превращаются в пар и тем самым отбирают тепло не только путем конвективного теплообмена, но и за счет испарения. Температура воздухо-жидкостной смеси при выходе из сопла падает и на расстоянии 20 мм от него составляет 2-10^оС, что также усиливает охлаждающее действие СОЖ. Измельченные капельки жидкости и ее пары вместе с воздухом легче проникают на контактные поверхности инструмента, усиливая смазочное действие.

Для распыления рекомендуют масло «Индустриальное 20» и 1,5%-ную эмульсию. Расход масла составляет 0,5-3 г/ч, а эмульсии (в зависимости от вида обработки) 200-400 г/ч, что значительно меньше, чем при других способах подачи СОЖ. Распыление жидкости целесообразно применять в тех случаях, когда полив жидкостью невозможен или когда он малоэффективен (например, на сложных операциях обработки труднообрабатываемых материалов), а также когда необходимо постоянное наблюдение за местом обработки (например, при фрезеровании по разметке).

Применение при резании СОЖ уменьшает силу резания, улучшает качество обработанной поверхности и в большинстве случаев повышает стойкость инструмента.

Рассмотрим влияние СОЖ на стойкость инструмента. Уменьшение работы резания и улучшение отвода тепла из зоны резания при применении СОЖ способствует снижению температуры резания. Последнее уменьшает интенсивность изнашивания инструмента и повышает период стойкости. Из рисунка также видно, что для повышения стойкости инструмента более эффективными являются СОЖ не на масляной, а на водной основе. Эффект от применения определенной СОЖ зависит также от рода обрабатываемого материала.

21 Конструктивное поведение - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

Подачу СОЖ в зону резания осуществляют поливом свободно падающей струей или в распыленном состоянии. Полив свободно падающей струей является наиболее старым, универсальным и достаточно надежным способом подачи СОЖ в зону резания. Струю жидкости направляют так, чтобы она омывала как стружку, так и инструмент. Скорость падения струи должна составлять 60-80 м/мин, а расход жидкости зависит от вида обработки. Например, расход жидкости составляет: при точении – 10-15, при сверлении – 8-10, при нарезании резьбы метчиком – 2-3 и при фрезеровании - 7-20 л/мин. Этому способу присущи серьезные недостатки: 1) сильное разбрызгивание жидкости при высоких скоростях вращения детали и инструмента; 2) невозможность наблюдения за местом обработки; 3) большой расход жидкости; 4) вследствие постоянной циркуляции в замкнутой системе жидкость постепенно нагревается и частично теряет свои охлаждающие свойства.

Подача СОЖ тонкой струей осуществляется со стороны задней поверхности инструмента с низким и высоким давлением. При низком давлении (1-2 кгс/см²) струя жидкости выходит из насадка с отверстием диаметром 2-3 мм. При высоком давлении (15-20 кгс/см²) диаметр отверстия насадка составляет 0,5-1 мм. Во втором случае повышается охлаждающий эффект от применения СОЖ и уменьшается ее расход до 0,3-0,5 л/мин. Общим недостатком струйной подачи СОЖ является трудность обеспечения точного направления струи в зону резания и необходимость тщательной очистки жидкости во избежание засорения отверстия насадка. Струйную подачу жидкости применяют только при работе на специальных станках.

Подачу распыленной жидкости осуществляют в зависимости от типа инструмента как со стороны задней, так и передней поверхности. Распыленная жидкость представляет собой прозрачную смесь мельчайших капелек жидкости с воздухом. Для образования воздухо-жидкостной смеси и подачи ее в зону обработки применяют специальные установки, приводящиеся в действие сжатым воздухом давлением 2-4 кгс/см². Распыленная водная или масляная СОЖ поступает в зону резания из сопла, имеющего несколько отверстий диаметром около 2 мм. Распыленная жидкость оказывает повышенное смазочное и охлаждающее действие. Скорость струи распыленной жидкости составляет около 300 м/с, что интенсифицирует отбор тепла от нагретых поверхностей инструмента и детали. Высокая степень измельчения капелек жидкости приводит к тому, что, попадая на нагретые поверхности инструмента, стружки и детали, частицы жидкости превращаются в пар и тем самым отбирают тепло не только путем конвективного теплообмена, но и за счет испарения. Температура воздухо-жидкостной смеси при выходе из сопла падает и на расстоянии 20 мм от него составляет 2-10^оС, что также усиливает охлаждающее действие СОЖ. Измельченные капельки жидкости и ее пары вместе с воздухом легче проникают на контактные поверхности инструмента, усиливая смазочное действие.

Для распыления рекомендуют масло «Индустриальное 20» и 1,5%-ную эмульсию. Расход масла составляет 0,5-3 г/ч, а эмульсии (в зависимости от вида обработки) 200-400 г/ч, что значительно меньше, чем при других способах подачи СОЖ. Распыление жидкости целесообразно применять в тех случаях, когда полив жидкостью невозможен или когда он малоэффективен (например, на сложных операциях обработки труднообрабатываемых материалов), а также когда необходимо постоянное наблюдение за местом обработки (например, при фрезеровании по разметке).

Применение при резании СОЖ уменьшает силу резания, улучшает качество обработанной поверхности и в большинстве случаев повышает стойкость инструмента.

Рассмотрим влияние СОД на стойкость инструмента. Уменьшение работы резания и улучшение отвода тепла из зоны резания при применении СОЖ способствует снижению температуры резания. Последнее уменьшает интенсивность изнашивания инструмента и повышает период стойкости. Из рисунка также видно, что для повышения стойкости инструмента более эффективными являются СОЖ не на масляной, а на водной основе. Эффект от применения определенной СОЖ зависит также от рода обрабатываемого материала.