ПРИМЕНЕНИЕ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИ РЕЗАНИИ МАТЕРИАЛОВ

Смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС) широко используют в механообработке для улучшения обрабатываемости материалов и применяют в виде жидкостей, газов, консистентных (пластичных) и твердых смазок. Из них наибольшее применение получили жидкие СОТС, которые принято называть смазочно-охлаждающими жидкостями (СОЖ).

На процесс резания СОЖ влияют главным образом через смазывающее, охлаждающее и моющее действия.

Смазывающему действию СОЖдолжно предшествовать проникновение среды на контактные площадки инструмента и заготовки.

Согласно последним исследованиям поступление СОЖ в контактную зону может происходить по следующим схемам (рис. 8.7):

а) через сеть капилляров между поверхностями заготовки и инструмента;

б) через полости, возникающие при периодических срывах нароста;

в) при нарушении сплошности контакта между поверхностями заготовки и инструмента, вызванного колебаниями;

г) путем диффузии через трещины и другие дефекты, возникающие при образовании стружки в процессе пластической деформации.

а) б) в) г)

Рис. 8.7. Схемы поступления СОТС в контактную зону при резании:

а - через сеть капилляров между поверхностями заготовки и инструмента; б - через полости, возникающие при периодических срывах нароста; в - при нарушении сплошности контакта между поверхностями заготовки и инструмента; г - путем диффузии через трещины и другие дефекты в стружке

Несмотря на малые размеры капилляров (1...4 мкм), на низких и средних скоростях резания обеспечивается постоянное поступление в зону резания ионов и молекул СОЖ и ее паров. При резании на высоких скоростях и с большими подачами условия проникновения СОЖ ухудшаются из-за резкого роста контактных давлений и температуры, при этом смазочный материал поступает в зону резания в виде паров - продуктов разложения СОЖ.

Благоприятные условия для проникновения СОЖ создает высокая реакционная способность новых, свежеобразованных (ювенильных) поверхностей стружки и заготовки, которые как насос притягивают молекулы и ионы смазывающих материалов. При этом проникающая способность СОТС зависит от размеров молекул и ионов, а также от их способности адсорбироваться (концентрироваться) на трущихся поверхностях. Наибольшую проникающую способность имеют ионы галогенов (хлора, брома, фтора, йода) и молекулы некоторых органических кислот (олеиновой, стеариновой и др.).

Смазывающее действие СОЖ проявляется за счет образования пленок на поверхностях трения, которые по своей природе могут быть физическими, образуемыми за счет молекулярной адсорбции, или химическими - за счет химических реакций с вновь образуемыми поверхностями стружки и заготовки. Эти тончайшие пленки снижают силы трения, ослабляют или экранируют адгезионное взаимодействие между инструментом, стружкой и заготовкой, что приводит к снижению износа инструмента и уменьшению шероховатости обработанной поверхности.

Смазывающее действие СОЖ вызывает уменьшение шероховатости обработанной поверхности. Поэтому жидкости, обладающие повышенным смазывающим действием, используют на чистовых операциях, при резании на малых скоростях, а также на высоких скоростях, например, при использовании инструментов с выглаживающими элементами, таких как сверла и развертки одностороннего резания. В этих случаях используют масляные СОЖ с противоизносными и противозадирными присадками (S, Cl, P). Водные эмульсии на этих операциях из-за возникновения вибраций, как правило, не применяют.

Охлаждающее действиеСОЖ заключается в отводе теплоты резания от наиболее нагретых участков инструмента и заготовки путем конвективного теплообмена, т.е. теплообмена, связанного с движением жидкости и ее теплопроводностью. При этом теплоотвод проявляется тем эффективнее, чем выше теплопроводность, удельная теплоемкость, смачиваемость СОЖ и чем выше скорость ее движения через зону резания. При правильном выборе способа подвода СОЖ температуру резания можно снизить на 100.. .200 °С.

Моющее действиеСОЖ заключается в удалении из зоны резания продуктов износа инструмента и заготовки в виде твердых частиц карбидов, мелкой стружки и т.п., усиливающих абразивный износ инструмента и повышающих шероховатость обработанной поверхности. Моющее действие улучшается за счет введения в СОЖ эмульгаторов - поверхностно-активных веществ (ПАВ), уменьшающих поверхностное натяжение жидкости.

Кроме указанных трех основных свойств, СОЖ должны: 1) обладать стабильностью при хранении и эксплуатации; 2) не вызывать коррозию деталей станка, инструмента и заготовки; 3) не разлагаться под действием бактерий; 4) не оказывать вредного воздействия на окружающую среду и здоровье рабочих. Для этого в состав СОЖ вводят антикоррозионные, противоизносные, противозадирные, антипенные, бактерицидные и другие присадки.

Все СОЖ по физико-химическим особенностям основы делятся на водные и масляные.

Водные СОЖобладают наилучшим охлаждающим действием, однако их смазывающее действие выражено слабо. Кроме того, эти СОЖ могут вызывать сильную коррозию деталей станков, инструментов и заготовок. Водные СОЖ применяют при обработке металлов с высокими скоростями резания и большими контактными напряжениями, т.е. там, где охлаждение играет первостепенную роль (точение, сверление, шлифование и др.).

Водные СОЖ подразделяют на четыре группы: 1) растворы электролитов; 2) масляные эмульсии; 3) синтетические СОЖ; 4) полусинтетические СОЖ.

Растворы электролитов представляют собой растворы солей неорганических кислот (соды, буры, хлористого калия, натрия и др.) концентрацией не более 2 % во избежание выпадения твердых минеральных отложений. Растворы электролитов прозрачны, и поэтому их применяют на операциях, требующих визуального контроля над процессом резания. Они обладают высокой охлаждающей способностью, снижают коррозионную агрессивность и улучшают функциональные свойства воды.

Масляные эмульсии изготавливают на основе концентрата, называемого эмульсолом, который состоит из масляной основы, эмульгатора, а также большого числа противоизносных, противозадирных и других присадок. Масляная основа эмульсола представляет собой смесь различных минеральных масел, например, индустриального, объемом до 70...85 %. Эмульгаторы предотвращают слипание капель масла и играют роль смазочных веществ и ингибиторов (замедлителей) коррозии. В качестве ингибиторов коррозии используют, например, кальцинированную соду, тринатрийфосфат и др. Содержание последних в эмульсии составляет 0,5...5,0 %. Для защиты от микроорганизмов в СОЖ добавляют бактерицидные присадки (до 0,05... 0,15 %).

В механообработке наиболее распространенными являются эмульсолы марок ЭТ-2, НГЛ-205, Аквол, Укринол и др.

В настоящее время при лезвийной обработке высоколегированных, жаропрочных и коррозионно-стойких сталей в водные СОЖ часто вводят полимерные высокомолекулярные соединения с определенными заранее заданными свойствами. При их использовании в зоне резания под воздействием температуры и давления происходит разрушение полимера с образованием различных активных продуктов, которые взаимодействуют с обрабатываемым и инструментальным материалами.

Основными компонентами синтетических СОЖ являются водорастворимые органические вещества, в основном поверхностно-активные вещества (ПАВ), при отсутствии в их составе минерального масла. Это прозрачные растворы, обладающие стабильными свойствами.

В состав полусинтетических СОЖ входят маловязкие минеральные или синтетические масла, органические жидкости и водорастворимые полимеры. Такие СОЖ называют микроэмульсиями, так как они обладают высокой степенью дисперсности (измельчения), увеличивающей их проникающую способность.

Масляные (углеводородные) СОЖ состоят из минерального масла, к которому добавляют специальные присадки различного назначения, улучшающие их свойства.

Достоинствами масляных СОЖ являются хорошие смазывающие и антикоррозионные свойства, недостатками - низкая (в 5...8 раз ниже, чем у водных СОЖ) охлаждающая способность, теплопроводность и теплоемкость, высокая себестоимость и повышенная пожароопасность. Поэтому масляные СОЖ применяют в основном на операциях, характеризуемых большими контактными давлениями и малым тепловыделением, требующих смазывающего действия СОЖ (резьбонарезание, протягивание, зубона-резание, глубокое сверление).

Одной из важнейших характеристик масляных СОЖ является их вязкость. При этом чем ниже вязкость СОЖ, тем лучше она проникает в зону резания и тем выше ее моющее и охлаждающее действия.

Противоизносные присадки снижают износ режущих инструментов за счет образования химических пленок. В качестве таких присадок чаще всего используют фосфорорганические соединения (0,15...5,0%).

Противозадирные присадки за счет образования пленок, выдерживающих высокое давление, предотвращают схватывание поверхностей режущих инструментов с поверхностями стружки и заготовки и уменьшают износ инструментов при высоких температурных и механических нагрузках.

Для стабилизации масляных СОЖ применяют антиоксиданты. Для уменьшения теплообразования, ухудшающего охлаждающее действие СОЖ, добавляют антипенные присадки, а для уменьшения образования тумана, ухудшающего условия работы и увеличивающего расход СОЖ, вводят антитуманные присадки.

Основным компонентом масляных СОЖ являются масла: минеральные (до 70...90 %), индустриальные (И-5А, И-20А) и авиационные (МС-8, МС-14 и др.). В качестве дополнительных компонентов применяют технические растительные масла (рапсовое, касторовое, подсолнечное и др.) и в малых количествах технические животные жиры, которые в основном используются для получения олеиновой кислоты.

На эффективность СОЖ большое влияние оказывает также способ ее подачи в зону резания. Наиболее часто применяют три способа подачи СОЖ (рис. 8.8): 1) поливом; 2) напорной струей со стороны задней поверхности инструмента; 3) через отверстия в инструменте.

Способ подачи СОЖ поливом наиболее прост, но и наименее эффективен.

а) б) в)

Рис. 8.8. Способы подачи СОЖ в зону резания:

а - поливом сверху; б - напорной струей со стороны задней поверхности;

в - через отверстие в инструменте

Способ подачи СОЖ напорной струей более эффективен, чем поливом. Применение такого способа охлаждения позволяет, например, при точении коррозионно-стойкой стали повысить стойкость быстрорежущих резцов в 5...7 раз при малом расходе СОЖ (0,3...0,5 л/мин). К числу недостатков охлаждения напорной струей следует отнести необходимость создания специальных устройств для подачи СОЖ и ее тонкой очистки, а также высокий уровень шума. Этот способ подачи СОЖ применяется сравнительно редко и, главным образом, на специальных станках при резании труднообрабатываемых материалов.

Напорная подача СОЖ в зону резания осуществляется через внутренние отверстия в самом инструменте. Особенно высокий эффект достигается при работе концевых инструментов для обработки отверстий (сверла, зенкеры, развертки, метчики). При этом обеспечивается не только хорошее проникновение СОЖ, но и надежное удаление стружки, несущей основную долю теплоты резания.

Из-за больших затрат на СОЖ, ее утилизацию и очистку от нее стружки в последние годы наметилась тенденция по экономичному ее использованию или отказу от ее применения («сухая обработка») там, где это возможно. Если применение «сухой обработки» невозможно, например при сверлении, то используют распыленные СОЖ, которые получают путем смешивания жидкости с воздухом или инертными газами, подаваемыми под большим давлением. При этом в качестве жидкости обычно используют минеральные масла или эмульсии, подаваемые с расходом 20...30 г/ч. Распыленная жидкость имеет лучшую проникающую и охлаждающую способность, но требует специальных устройств для ее подачи и удаления из зоны резания.

Исследование влияния трех видов СОЖ (эмульсия, масляная и вода) и двух способов подачи (напорный, поливом) на основные характеристики процесса резания при точении сталей, выполненное, показало, что наиболее эффективным является подвод СОЖ напорной струей со стороны задней поверхности резца.

В последнее время всё шире применяются другие виды СОТС.

ГазообразныеСОТС по сравнению с жидкостями обладают высокой проникающей способностью и поэтому находят применение при резании с большими скоростями и подачами. Их применяют в основном в смеси с СОЖ, распыленными в виде аэрозолей, либо в виде активных (углерод, углекислый газ) или инертных (азот, аргон) газов. При этом наиболее дешевым и доступным газообразным СОТС является воздух.

ПластичныеСОТС применяют в виде консистентных смазок. Они занимают промежуточное положение между маслами и твердыми СОТС и состоят из двух компонентов: жидкой основы (масло) и загустителя (5...30 %), в ячейках которого удерживается масло. Типы загустителей: мыльные, углеводородные (парафин), неорганические (силикагель) и органические (красители, полимеры и др.). Пластичные сvазки лучше жидких смазок удерживаются на поверхностях при тяжелых режимах трения в основном при обработке давлением. При резании они применяются весьма ограниченно из-за трудностей введения в зону резания, невозможности сбора, очистки и повторного использования. Поэтому пластичные смазки применяют в основном на ручных операциях с низкими скоростями резания путем периодического смазывания инструмента кистью, шприцами и т.п., например, при нарезании резьбы метчиками и плашками, развертывании, полировании и др.

ТвердыеСОТС (тальк, графит, дисульфид молибдена, воск, парафин и др.) применяют в основном в качестве наполнителей жидких и пластичных СОТС. В чистом виде твердые СОТС применяют крайне редко, например, при обработке отверстий малого диаметра, при нарезании резьбы в металлах, склонных к налипанию на инструмент. Твердые СОТС обеспечивают низкий коэффициент трения (для графита f_тр = 0,04, для дисульфида молибдена f_тр = 0,03) и выдерживают высокие температуры и давления.

КапсулированныеСОТС представляют собой набор отдельных мелких, размером от нескольких микрометров до 1...2 мм и более частиц-капсул. Последние состоят из СОТС, заключенного, например, в желатиновую оболочку. Для улучшения смазочного действия СОТС в их состав в качестве присадок вводят трибоактивные (от греч. tribos - трение) элементы (сера, фосфор, йод). Для придания капсулам направленного движения в сторону режущей кромки инструмента в их оболочку вводят магнетит Fe₃O4. В результате действующая магнитная сила всегда направлена в сторону пространственной неоднородности магнитного поля, которую при резании представляет режущая кромка инструмента.

ШЛИФОВАНИЕ

Шлифование осуществляется абразивными инструментами и применяется в основном для выполнения чистовых операций. Шлифование иногда используют вместо лезвийных инструментов на обдирочных операциях для снятия больших припусков. Это объясняется его высокой производительностью, достигаемой за счет очень большой суммарной активной длины режущих кромок зерен инструмента и высоких скоростей резания (v = 30... 60 м/с и более). Шлифование обеспечивает минимальную шероховатость и высокую точность при обработке различных материалов, в том числе труднообрабатываемых, а также материалов, не поддающихся обработке лезвийными инструментами.

К недостаткам шлифования относятся: 1) высокий уровень энергии, затрачиваемой на удаление единицы объема припуска (примерно в 10 раз больший, чем при лезвийной обработке); 2) высокая мгновенная температура (1000... 1600 °С), приводящая к появлению прижогов на обработанной поверхности; 3) шаржирование обработанной поверхности частью выкрошившихся зерен, что ускоряет износ сопрягаемых деталей машин.

Указанные недостатки исправляются путем совершенствования способов шлифования, создания новых абразивных материалов и конструкций абразивных инструментов, оптимизации режимов обработки, применения высокоэффективных СОЖ и способов их подвода в зону резания.