Для чего нужна СОЖ
Следует сразу оговориться: как и во многих сферах техники и технологии, достаточно сложно найти однозначный ответ на поставленный вопрос, и обсуждаемая тема требует более подробного рассмотрения. Влияние СОЖ, или жидкие смазочно-охлаждающие технологические средства (далее СОТС), как следует из самого названия, выполняют две функции: смазка и охлаждение. В процессе резания поверхности инструмента и заготовки контактируют друг с другом.
Смазочный эффект СОЖ снижает возникающую силу трения и облегчает снятие материала. Механическая обработка сопровождается интенсивным тепловыделением, и температура в зоне резания высока. Охлаждающий эффект подвода СОЖ позволяет уменьшить термическую нагрузку на инструмент.
Кроме того, СОЖ улучшает удаление стружки и снижает концентрацию металлической пыли вокруг станка. Таким образом, применение СОЖ непосредственно связано с решением следующих задач:
улучшение технологических показателей точности и шероховатости, достигаемых обработкой;
повышение экономической эффективности выполняемой операции (рост производительности, увеличение стойкости инструмента, снижение затрат на инструмент);
охрана окружающей среды.
Фрезерование характеризуется прерывистым резанием, в процессе которого режущее лезвие (зуб) инструмента испытывает циклическую тепловую нагрузку. Зуб фрезы, входя в материал обрабатываемой заготовки и покидая его, находится под действием резкого изменения температуры окружающей среды. Режущая кромка пребывает в состоянии повторяющегося термического шока.
Современные тенденции применения СОЖ
Сегодня основным инструментальным материалом является твёрдый сплав – спекаемый металлокерамический продукт, получаемый технологией порошковой металлургии. Он достаточно чувствителен к существенному перепаду температур, вызывающему разрушение кромки. В данном случае подача СОЖ может усилить отрицательный эффект «шоковой терапии» фрезы, вольно или невольно способствуя её преждевременному износу. Избыточное тепло приводит к пластической деформации кромки, а значительная разница температур – к термическим трещинам.
Дополнительным осложняющим фактором становятся и особенности операции: фрезерование труднообрабатываемых материалов, черновое резание с большим припуском на проход и т. п. – в такой ситуации наблюдается усиленное теплообразование. Следовательно, наряду с бесспорными достоинствами применение СОЖ обладает не менее очевидными недостатками.
В то же время в ряде случаев подвод СОЖ просто необходим, так как без него производительное резание невозможно: например, фрезерование титана или жаропрочных материалов на основе никеля, различных марок нержавеющей стали аустенитной или аустенитно-ферритной (двухфазной) групп, высоколегированного износостойкого чугуна со специальными свойствами.
При обработке глубоких полостей или узких пазов подвод СОЖ существенно улучшает отвод стружки и предотвращает вторичное резание. Традиционно подвод смазочно-охлаждающей жидкости проводится под «низким» давлением (20 бар).
Прогресс станкостроения позволил использовать технологию подачи СОЖ под высоким давлением в районе 80 бар и намного больше. При использовании обычного метода подвода СОЖ усиленное выделение тепла приводит к образованию в зоне резания парового слоя, который затрудняет теплопередачу. Струя СОЖ под высоким давлением пробивает этот слой и устраняет указанное препятствие. Кроме того, она улучшает процесс резания металла и способствует образованию тонкой стружки.
Разумеется, чтобы воспользоваться преимуществами подвода СОЖ под высоким давлением, требуются особые станки или же проведение соответствующей модернизации имеющегося оборудования. Фрезерование без СОЖ и другие варианты.
Оставим в стороне те случаи, когда подача СОЖ буквально «жизненно» необходима для эффективного фрезерования.
Резание без СОЖ
Как уже отмечалось, черновое фрезерование со значительным объёмом удаляемого материала сопровождается интенсивным выделением тепла, и подача СОЖ может выступать здесь в роли разрушающего фактора, создавая стрессовую термическую нагрузку.
При сухой обработке температура твёрдосплавной режущей кромки тоже высокая, но при правильно установленных параметрах режима резания не превышает допустимых значений. Температура изменяется в достаточно узких пределах и не приводит к термическому шоку материала.
Другой пример – высокоскоростное фрезерование, в первую очередь, закалённых сталей твёрдостью HRC 45 и выше. Резание в этом случае отличается снятием тонкой стружки, и в качестве СОЖ настоятельно рекомендуется использовать только воздух. В обоих приведенных случаях отказ от СОЖ кардинально повышает стойкость инструмента.
Другими немаловажными факторами, без учёта которых всестороннее рассмотрение вопроса невозможно, являются экономика охлаждения и безопасность труда. В серийном производстве расходы на режущий инструмент составляют примерно 3% стоимости операции механической обработки. Доля затрат, связанных с СОЖ (приобретение, обслуживание, фильтрация и т.д.), по оценкам различных источников в ряде случаев приближается к 12 и даже 17%. Длительное воздействие смазочно-охлаждающей жидкости способствует развитию профессиональных заболеваний у персонала. Совершенствование международных и национальных стандартов, отраслевых нормативных документов и внутризаводских инструкций ужесточает требования к СОЖ и, несомненно, сказывается на её стоимости.
Станки, предназначенные для сухого фрезерования, при прочих равных условиях конструктивно проще, а следовательно, и дешевле: отсутствуют насос для подачи СОЖ, система её переработки и т.п. Указанные факторы совсем не второстепенны при поиске ответа на наш вопрос о необходимости использования СОЖ.
Фрезерование с минимальным количеством смазки
В соответствии с этим методом обработка осуществляется в окружении масляного тумана, аэрозоля, образуемого подачей сжатого воздуха и малого количества СОЖ непосредственно на режущий инструмент. В зависимости от конструктивных особенностей станка и фрезы подвод аэрозоля бывает внешним и внутренним (через корпус инструмента). Основная задача метода – обеспечить надёжное смазывание режущей кромки фрезы. Так как потребляется лишь минимально необходимое количество СОЖ, эффективность использования смазочноохлаждающей жидкости резко возрастает.
Заготовка и образуемая стружка остаются практически сухими, что помогает предотвратить слипание стружки и значительно облегчает её переработку.
Этот метод повышает стойкость режущего инструмента. Сухим остаётся также и рабочее пространство станка. Следовательно, его различные части находятся в более благоприятных условиях эксплуатации, и срок их службы увеличивается. Новые решения предлагает также криогенное охлаждение. Создание окружающей среды очень низкой температуры исключает перегрев инструмента и приводит к повышению его стойкости. Комбинируя криогенное охлаждение с этими принципами метода, можно организовать более действенную минимальную подачу хладоагента (например, жидкого азота) в зону резания через внутренние каналы в корпусе фрезы.
Некоторые криогенные системы рассчитаны на использование углекислого газа (CO2 ) низкой температуры, подаваемого под давлением. В любом случае частицы хладоагента, попадая на режущую кромку, эффективно отводят образующееся тепло. Принципиальные преимущества очевидны, но криогенное охлаждение – дорогостоящая технология, требующая особой конструкции станка.
Во многих случаях не только повышается смазочно-охлаждающий эффект, но также и улучшается процесс удаления стружки. Конструкция инструмента, предназначенного для фрезерования с подачей СОЖ под высоким давлением и криогенного охлаждения, требует особого внимания: профиль внутренних каналов, их размеры, уплотняющие элементы – все эти, на первый взгляд, второстепенные детали приобретают важное значение для обеспечения нормального режима течения СОЖ. Важным звеном являются специальные сопла, устанавливаемые на выходе каналов. С их помощью удаётся оптимизировать скорость СОЖ и направить его на необходимый участок.
Охлаждение сменной многогранной пластины из твёрдого сплава
«Ключом» становится сам твёрдый сплав и особенно его покрытие, создающее барьеры для проникновения тепла в тело пластины. Стойкость покрытия к термическому шоку прямо связана с сопротивляемостью тепловому разрушению.
Покрытия различаются по своим свойствам, и одни из них более подходят к обработке с подачей СОЖ, другие – менее. Однако малый по своим размерам микромир покрытий так богат факторами, прямо влияющими на состояние своего макроокружения – собственно пластину, что данная тема заслуживает отдельного обсуждения.
материал взят из статьи А. ПЕТРИЛИН "ФРЕЗЕРОВАНИЕ С СОЖ ИЛИ БЕЗ – РЕШЕНИЕ ЗА ВАМИ"
