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 [83].

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 эмуль — солов синтетическими жидкостями, не содержащими нефтяных масел.

Ко второй группе относят СОЖ на основе минеральных (или реже расти­тельных) масел. Они обладают повышенным смазочным эффектом, но невы­соким охлаждающим. Кроме охлаждающего или смазочного эффекта некото­рые СОЖ (или смазочно-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 поверхностно­активные 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 [83]. 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.

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 v0, 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, зубофрезеро — вании, 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.