нтенсификация процессов металлообработки потребовала применения специальных средств для отвода из зоны реза­ния теплоты, стружки, и мелких частиц, образовавшихся при резании, снижения сил трения. К таким средствам относятся смазочно-охлаждающие вещества, газовые средства и устройства для их подготовки и транспортирования к зоне реза­ния и обратно.

3.1. СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИЕ СРЕДСТВА

При обработке резанием основная часть механической энергии преобразуется в теплоту и лишь ее незначительная часть идет на изменение потенциальной энергии решетки обрабатываемого ме­талла. Мощность теплового потока определяется из выражения

Q„ = 0,0163Рги,

где Q0 — общая мощность теплового потока, Дж/с; Рг — танген­циальная составляющая силы резания, Н; v — скорость резания, м/мин.

Указанная мощность теплового потока (Q0) может быть пред­ставлена как сумма трех составляющих

Qo — Qa + Qt. п + Qt. 3> где <2Д — тепловая энергия деформации металла, Дж/с; QT„— тепловая энергия трения по передней грани инструмента, Дж/с; QT. з — тепловая энергия трения по задней грани инструмента Дж.

Выделившаяся теплота разогревает стружку, обрабатываемое изделие, инструмент, окружающую срёЬу. Тепловой баланс энер­гии резания

Qa + Qt. п + Qt. з = Qcrp + Qh3 + Qim + Qc> где Qcrp — теплота, передаваемая стружке, Дж; Q„3 — теплота, передаваемая изделию, Дж; QHH — теплота, передаваемая инстру­менту, Дж; Qc — теплота, передаваемая окружающей среде, Дж.

Левую часть уравнения баланса можно представить в виде

Qa + 0,0163 | FT, а + 0,0163vFT. 3t

где § — коэффициент усадки стружки; FT. „ — сила трения по передней поверхности инструмента, Н; fT. 3 — сила трения по задней поверхности инструмента, Н.

Численные величины и соотношения между членами левой части уравнения теплового баланса могут колебаться в широких пределах. Так, при средних скоростях резания (30—50 м/мин) и обработке пластичных металлов достигает 0,5Q0, а при обработке этих же материалов со скоростями ~200 м/мин доля снижается до 0,25 Q0. Силы трения в значительной степени определяются ха­рактером протекающих процессов — диффузионных, адгезион­ных и других, на интенсивность которых оказывают влияние тем­пература в зоне контактов, свойства обрабатываемого и инстру­ментального материалов. Численные величины и соотношения между членами правой части уравнения теплового баланса в еще большей степени зависят от условий обработки. Так, с увеличением скорости резания при точении пластичных материалов доля теп­лоты, передаваемая стружке, возрастает до 90%, при обработке титановых сплавов доля теплоты, уходящей в стружку, снижается, а доля теплоты, передаваемая резцу, возрастает и достигает 30%; при сверлении наибольшее количество теплоты передается обра­батываемому изделию.

При обработке резанием можно активно воздействовать как на левую, так и на правую часть уравнения теплового баланса. Одним из методов воздействия является применение смазочно-охлажда­ющих средств (СОС). Появление смазочно-охлаждающих средств явилось значительным достижением в металлообработке, привед­шим к резкому повышению скоростей резания, производительно­сти обработки, стойкости инструмента, снижению усилий резания, повышению качества обработанной поверхности. Как показывает само название, эти средства должны охлаждать зону резания, об­ладать смазывающей и моющей способностью, препятствовать диф­фузионному и адгезионному износам. Вместе с тем они не должны оказывать вредного влияния на окружающую среду.

Охлаждающее действие средств основано на эффекте теплооб­мена, когда нагретые до высоких температур инструмент, изделие и стружка передают часть теплоты, поступающей к кромкам, среде, либо когда обрабатываемое изделие или инструмент, охлаждаемые средой, за счет теплопередачи отводят из зоны резания часть тепло­вого потока. Кроме того, охлаждение зоны резания может осущесг — вляться за счет испарения среды, происходящего при поглощении тепловой энергии. Смазывающее воздействие средств сводится к образованию на трущихся поверхностях смазочной пленки, снижающей усилия резания и температуру в зоне резания. Сма­зочная пленка за счет молекулярного сродства с материалом ин­струмента или изделия, прочно удерживается на поверхностях прения даже при высоких давлениях, возникающих в процессе резания. Кроме смазывающего эффекта, пленки должны препят­ствовать адгезионному и диффузионному износу инструмента.

В зависимости от вида обработки* характера износа инстру­мента, свойств инструментального и обрабатываемого материалов, способа подвода в зону резания, влияние смазочно-охлаждающих средств меняется, что необходимо учитывать при их работе. Так, при черновых работах преобладающее значение имеет теплоотвод из зоны резания, следовательно, среда должна обладать наиболь­шими охлаждающими свойствами, смазочное воздействие среды при этом не имеет существенного влияния (при обработке обычных кон­струкционных материалов). При чистовых операциях преобладаю­щее значение имеют смазывающие свойства средств, обеспечиваю­щие повышение качества поверхности и незначительно — стой­кость инструмента. При обработке труднообрабатываемых мате­риалов преобладающими являются адгезионный и диффузионный износы, поэтому средства должны обеспечить, в первую очередь, снижение этих вредных явлений за счет создания оксидных или иных пленок, препятствующих схватыванию обрабатываемого материала с материалом инструмента, охлаждающее действие COG при этом может оказывать заметное влияние на эффективность СОС, а может и не оказывать такого влияния (на протекание диф­фузионных процессов охлаждающее действие СОС значительно, так как снижает температуру в зоне контакта, а значит и скорость диффузии). Строго говоря, каждая конкретная пара инструмент— обрабатываемое изделие, каждый режим и условия обработки требуют специального СОС, с помощью которого можно наивыгод­нейшим образом вести обработку резанием. Очевидно, что осущест­вить это, как правило, невозможно (за исключением ограничен­ного числа автоматизированных операций в массовом производ­стве). В связи с этим необходимо обеспечить рациональное исполь­зование существующих унифицированных средств для большин­ства условий обработки резанием. При этом, разумеется, эффек­тивность использования средств будет несколько ниже эффектив­ности специальных средств, однако экономически это оправдано.

Современные средства разделяются на жидкие, газообразные и твердые. Они могут при своем использовании вступать в контакт с зоной резания или не находиться в непосредственном с ней кон­такте. Наибольшее распространение получили смазочно-охлаждаю­щие жидкости (СОЖ), непосредственно подводимые в зону реза­ния. Можно объединить все известные виды СОЖ в три группы:

1- я группа — минеральные масла различной вязкости с добавт ками присадок — антифрикционных, противозадирных, смачивав ющих, антипенных, антикоррозийных, бактерицидных;

2- я группа — масляные эмульсии, получаемые растворением эмульсола в воде, эмульсолы включают в себя базовое масло, эмульгатор или стабилизатор (обычно это соли жирных кислот, например мыло), антифрикционные и другие присадки, перечис­ленные выше;

3- я группа — синтетические или химические жидкости на вод­ной основе* не содержащие масло. К ним относятся растворы элек-.

тролитов, многокомпонентные коллоидные растворы органических и неорганических веществ, к которым добавляются вещества, пас­сивирующие поверхности обрабатываемого изделия, смачивающие вещества, различные присадки.

Синтетические СОЖ (3-я группа) обладают перед СОЖ 1-й и 2-й групп более высокими охлаждающими свойствами, устойчивостью против разложения и при обработке труднообрабатываемых мате-> риалов намного эффективнее остальных видов СОЖ-

По назначению СОЖ можно разделить условно на универ­сальные и специальные. Такое разделение необходимо для СОЖ, так же как и для инструмента в связи с появлением значительной номенклатуры СОЖ, затрудняющих подбор СОЖ. Неправильный же выбор СОЖ может не только не дать положительных ре­зультатов, но, наоборот, снизить эффективность обработки. В на­стоящее время нет четкого разделения СОЖ по указанным груп­пам и их универсальность может быть оценена по рекомендуемой области применения.

В табл. 3.1 приведены некоторые составы СОЖ, нашедшие при­менение в промышленности и области их применения.

Кроме этих жидкостей в промышленности используются керо­син (ГОСТ 4753—68) — когда водные растворы и масла не обеспе­чивают заданного качества, например при резьбонарезании, а также СОЖ 3-й группы с сильными окисляющими свойствами (в их состав входят перекись водорода, перекись бензола, йоди­стый калий, озон и поверхностно-активные вещества). За счет создания на режущих гранях инструмента защитных окисных пленок, образованных под действием этих кислородосодержащих СОЖ, стойкость инструмента повышается до двух раз по сравне­нию с инструментом, охлаждаемым стандартными эмульсиями, шероховатость обработанной поверхности улучшается на 0,5—. 1 класс, силы резания и температура на гранях резца снижаются.

В качестве СОЖ могут также использоваться отработанные масла, в которые целесообразно добавлять различные присадки.

Физико-химические свойства СОЖ изменяются под действием ультразвуковых и магнитных полей, светового облучения. Эти явления используются для повышения эффективности СОЖ. За последние годы появились данные о положительном влиянии ка­витации при подаче СОЖ — Введение кавитационных камер в тру­бопроводах на пути СОЖ может способствовать повышению ее эффективности.

Газовые средства применяются в виде чистых газов, смесей газов либо смеси газа с небольшими количествами смазочно-ох — лаждающих жидкостей (газово-жидкостная среда) или с части­цами твердых смазочно-охлаждающих средств. В виде охлаждаю­щих газовых средств используются воздух, кислород, углекислота, азот. Охлаждение может быть контактным, когда струя газовой сре­ды подводится непосредственно в зону резания, или бесконтактным, когда отвод теплоты осуществляется за счет циркуляции в теле

инструмента сжиженных газов или жидко-металлических хладо — агентов за счет поглощения теплоты при^ изменении агрегатного состояния вещества, находящегося в корпусе инструмента. Наи­более распространенной газовой средой, непосредственно подво­димой к зоне резания, является атмосферный воздух или воз­душно-эмульсионные смеси.

Особенно эффективно охлаждение газовыми средствами с ми­нусовыми температурами (воздух при минус 10—16 °С, углекис­лота и др.). Эффект при их использовании создается не только за счет охлаждения зоны резания, но и за счет охлаждения об­рабатываемого изделия, что вызывает его охрупчивание (т. е. сни­жение пластичности), снижение износа по передней грани инстру­мента. Эффективность газовых средств заключается не только в интенсивном охлаждении за счет высоких скоростей обдува зоны резания, но и в их способности выносить из зоны резания мель­чайшие частицы продуктов резания, что в ряде случаев (чистовая обработка) является одним из важнейших требований к СОС.

Твердые смазочно-охлаждающие средства применяются в виде твердых пленок, наносимых на поверхность инструмента, тепло — йроводящих вставок, прилегающих к нагревающимся поверхно­стям и отводящих теплоту, мелких частиц, добавляемых к сма­зочно-охлаждающим жидкостям или газовым средам, подающимся к зоне резания (частицы графита, дисульфита молибдена и др.). В качестве примера пленочных покрытий можно привести никель — фосфорные покрытия на инструментах из быстрорежущих сталей, обеспечивающие снижение трения и температуры инструмента, повышения производительности механической обработки жаро­прочных сталей в 1,2 раза.

Эффективность применения СОЖ и газовых средств во многом зависит от способа подвода в зону резания и их расхода. Известны следующие способы подвода СОС при точении: со стороны перед­ней грани, со стороны задней грани, комбинированный, с двух сторон, внутренний подвод через корпус инструмента с непосред­ственным контактом охлаждающих средств с зоной резания, вну­тренний подвод через корпус инструмента без контакта с зоной резания. В работе [9] показано, что температура резания сни­жается главным образом за счет снижения температуры контакт­ной зоны резец — стружка, которая при охлаждении со стороны передней поверхности почти не изменяется и несколько снижается при охлаждении со стороны задней поверхности. Высоконапорное охлаждение более эффективно со стороны передней поверхности. Для подвода СОС в зону резания рассмотренными двумя способами необходимо установить соответствующим образом сопло охлаж­дающего трубопровода, имеющегося на большинстве станков. Струю при подводе со стороны передней поверхности рекомен­дуется направлять так, чтобы длинная сторона эллипса факела струи была направлена в направлении схода стружки.

При обработке отверстий (сверление, зенкерование, разверты­вание, резьбонарезание) от способа подачи СОС зависит не только стойкость инструмента, но и качество обрабатываемой поверх­ности. При вертикальном расположении отверстия и охлаждении «поливом» СОС проникает только на глубину одного—трех диа­метров (при сверлении) и в этом случае способствует снижению температур. При горизонтальном же расположении отверстий во время обработки и охлаждении поливом СОС проникает на 1 — 1,5 диаметра по глубине, поэтому оно менее эффективно и в дан­ном случае необходимо напорное охлаждение, При развертыва­нии, зенкерованим, нарезании резьбы СОС помимо охлаждения должно обеспечить вынос из зоны резания частиц обрабатывае­мого металла и металла инструмента, являющихся причиной сни­жения качества обработанной поверхности. В этом случае целе­сообразно также высоконапорное охлаждение.

Наибольший эффект при обработке отверстий дает внутренний (через каналы в инструменте) подвод СОС в зону резания, обеспе­чивающий, во-первых, наиболее эффективное охлаждение режу­щих кромок, так как струя холодной СОС подается прямо к ним, во-вторых, вынос стружки и частиц металла из зоны резания струей СОС. Внутренний подвод СОС в зону резания эффективен и при фрезеровании закрытых поверхностей, таких, как Т-образ — цые и шпоночные пазы.

При обработке глубоких отверстий получают распространение своеобразные методы подвода и отвода СОЖ — эжекторный метод н метод БТА. При эжекторном методе (рис. 3.1) СОЖ под большим (100—350 МПа) давлением подводится в зону резания через щель
между наружной и внутренней трубами, а стружка отводится через внутренний канал внутренней трубы. Щель между трубами соединяется небольшими по диаметру наклонными или радиаль­ными отверстиями, направленными к центру сверла, за счет чего

и создается эффект эжекции. Метод применяется на специальных станках для глубокого сверления, требует тщательной подготовки и очистки СОЖ, подаваемой под большим давлением (до 350 МПа) и с большим расходом. В связи с необходимостью иметь две трубы, 0 2 габариты (по диаметру)

^ этой системы ограничены;

применяются при диаметре I |~h сверления свыше 20 мм.

Интересным методом подвода является метод БТА, исполь­зуемый при обработке глубоких отверстий специальными свер­лами, трепанирующими и раскатывающими головками, хонинго- вании отверстий. Этот метод заключается в том, что жидкость через специальный торцовый патрон / (см. рис. 3.2, а) и зазор

между обрабатываемым отверстием изделия 2 и наружной поверх­ностью инструмента подается в зону резания и через внутренний канал в инструменте отводится из зоны резания вместе со струж­кой. Метод достаточно эффективен, позволяет подавать значитель­ные объемы СОЖ в зону резания, но требует специальной системы подготовки и подачи СОЖ в зону резания, специальных станков для его использования. Применяется при обработке отверстий диаметром от 6 мм.

При обработке отверстия глубиной до пяти—семи диаметров на обычных станках токарной, сверлильной или расточной групп внутренний подвод СОЖ и газовых средств в зону резания осу­ществляется через отвер­стия в корпусе инстру­мента с помощью специ­альных патронов. На рис. 3.2, бив приведены конструкции применяю­щихся патронов для под­вода средств к концевому инструменту. Конструк­ции патронов достаточно просты и не нуждаются в описании. При исполь­зовании внутреннего ох­лаждения подвод СОЖ может осуществляться о постоянным давлением, с пульсирующим (с частотой 30—50 пульсаций в ми­нуту) давлением, с чере­дующимся пульсирующим потоком жидкости и газа. Пульси­рующий поток СОЖ, по данным зарубежных фирм, повы­шает стойкость спиральных сверл до 1,8 раза по сравнению с вну­тренним охлаждением потоком с постоянным давлением. Пульси­рующий поток жидкости и газа создается в специальной системе подготовки СОС либо при использовании специальных патронов (рис. 3.3).

Целесообразность использования пульсирующего потока жид­кости и газа в качестве СОС при внутреннем его подводе будет рассмотрена ниже.

Эффективность использования охлаждающего свойства СОС за­висит от количества СОС и скорости движения потока СОС в зоне резания. В еще большей степени от скорости потока зависит спо­собность СОС выносить стружку из зоны резания по стружечным канавкам инструмента. Для перемещения частиц стружки необхо­димо обеспечить достаточную скорость потока. При разработке. нового металлорежущего оборудования не представляет большого труда обеспечить требуемые характеристики системы охлаждения
(расход, давление, способ подвода и т. д.). Сложнее обстоят дела с использованием внутреннего охлаждения на существующем обо­рудовании, в частности на вертикально-сверлильных станках. Обычно эти станки имеют маломощный (0,125 кВт) электронасос типа П22 с подачей 22 л/мин жидкости вязкостью не более 1,5 9Е, с нежесткой характеристикой зависимости расход — напор (кри­вая 1) рис. 3.4. Потери напора в трубопроводах, каналах сверла, патроне обычно составляют около 4—8 м (3—6 МПа). При таком падении напора электронасос может обеспечить подачу жидкости в слишком малом объеме, что снизит эффективность использова­ния сверл. Применение пульсирующего по­тока жидкости или жидкости и газа в этом случае поможет не только решить эту про­блему, но и обеспечить при небольших за­тратах на патрон значительное повышение производительности обработки.

Количество охлаждающей жидкости, по­даваемой в зону резания, зависит от условий обработки. В числе условий — оптимальная температура в зоне резания.

Охладить зону резания до нормальных температур невозможно: контактные слои стружки и инструмента всегда нагреты до высоких температур, давление в этой зоне чрезвычайно высокое и проникновение в эту зону охлаждающих жидкостей невоз­можно. Стремление охладить зону резания преследует цель поддержать в этой зоне оптимальную температуру, что и определяет объем подводимой жидкости. Количество жидкости зависит и от метода обработки: при токарных работах значительная часть жидкости рассеи­вается вращающейся заготовкой без соприкосновения с зоной обработки, находясь с ней в контакте в течение незначитель­ного времени; при обработке отверстий с охлаждением поливом жидкость в еще более значительных количествах разбрасывается вращающимся инструментом (или заготовкой), а при горизонталь­ном ее расположении — под действием собственной массы жидкости.

При внутреннем подводе СОЖ происходит наиболее полное использование объема подаваемой жидкости и можно наиболее эффективно управлять процессом охлаждения зоны резания. Воз­можность регулировать при этом температуру близлежащих к зоне резания слоев режущей части подтверждено испытаниями. Так, при работе спиральным сверлом с пластинкой из твердого сплава, приклеенной к корпусу клеем, теряющим прочность при 40 °С, и внутренним подводом СОЖ, пластинка прочно удерживалась клеем в широком диапазоне скоростей резания. Таким образом,
при сохранении высокой температуры в контактной зоне, темпе­ратура корпуса инструмента и пластинки оставалась достаточно низкой.

Обычно объем СОЖ, подаваемой в зону резания, колеблется в пределах 5—90 л/мин в зависимости от типа станка и диаметра обработки (90 л/мин — на тяжелых сверлильных станках, у наи­более распространенных станков средней мощности объем жидко­сти, подаваемой насосом, — 22 л/мин) Нормативы режимов реза­ния рекомендуют объем СОЖ в пределах 5—10 л/мин. Специаль­ные станки могут иметь системы подготовки и подачи СОЖ объемом до 200 л/мин (станки для глубокого сверления эжекторными сверлами, сверлами БТА и т. д.).

Предельное значение объема СОЖ, рассчитанное из условия теплообмена между охлаждающей жидкостью и нагретым инстру­ментом, стружкой, зоной резания, имеет гораздо меньшее значе­ние, чем рекомендуемые нормативами резания. При этом надо учитывать, что к предельному состоянию — полному отводу теп­лоты Q0, выделяющемуся при резании, не следует стремиться из-за наличия зон оптимальных температур, до которых и целе­сообразно охлаждать зону резания.

На ряде отечественных предприятий получило распростране­ние охлаждение газовой средой — воздухом с распыленной в виде тумана жидкостью. Расход жидкости при этом не превышает 150 г/ч, давление воздуха в сети 20—40 МПа.

Газоэмульсионная смесь создается в специальных бачках-рас­пылителях или в соплах-распылителях и подводится к задней поверхности инструмента по трубопроводу или через внутренние каналы в корпусе инструмента.

Охлаждение зоны резания может осуществляться также и за счет предварительного охлаждения обрабатываемого изделия и его последующей установки для обработки на станок.

Существуют и другие (кроме СОС) способы снижения темпе­ратуры в зоне резания. К этим способам следует отнести: исполь­зование инструмента с перемещающимися режущими кромками («ротационное» резание), инструмента с более теплопроводным материалом режущей части, конструкций с увеличенными тепло­отводящими поверхностями и т. д. Эффективность различных спо­собов зависит от конкретных условий обработки и применительно к этим условиям их и целесообразно выбирать.