1.1. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием
В зависимости от физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки, технологического метода обработки, режимов резания и материала режу щего инструмента используют различные смазочно- охлаждающие технологические средства (СОТС), которые делят на следующие группы:
Жидкие составы:
на водной основе: растворы минеральных электролитов, эмульсии, растворы мыл;
на углеводородной основе: минеральные, животные и рас-тительные масла; минеральные масла, в состав которых добавляют противоизносные и противозадирные присадки, содержащие фосфор, серу, хлор;
расплавы металлов, солей и других веществ.
Газы и газообразные вещества: инертные и активные газы СО2, ССЦ, N2, сжатый возду х;
Твердые вещества: порошки парафина, петролатума, битума; мыльные порошки.
Пластичные смазки: на углеводородных, мыльных, смешанных и других загустителях. Основными компонентами смазок являются минеральные и синтетические масла, мыло, твердые углеводороды и органические материалы.
Массовый характер использования СОЖ в машиностроении, в частности, в металлообработке, обуславливает необходимость системной классификации. В таблице 1.1 приведена одна из широко распространенных классификаций СОТС (в источнике СОЖ) [3].
Таблица 1.1
Классификация СОТС СОТС Обозна-чение СОТС Обозна-чение Газообразные: Г Быстроиспаряющиеся И инертные, Г1 Расплавы: Рс активные. Г2 металлов, Pel Жидкие: солей, Рс2 водосмешиваемые, В других веществ. РсЗ в виде эмульсии: Э Твердые: Т грубые дисперсии, Э1 твердые, Т1 микроэмульсии; Э2 мягкие металлы, Т2 дающие прозрачные Р органические, ТЗ растворы смешанные, Т4 растворы на основе: другие. Т5 органических веществ, Р1 Пластичнее смазки: П неорганических ве-ществ,
смеси неорганических веществ с органически-ми; Р2 РЗ из углеводородных
загустителей,
на мыльных загустителях, П1 П2 масляные: первой группы, второй группы, М Ml М2 на смешанных загус-тителях,
на других загустителях. ПЗ Г14 третьей группы. МЗ В промышленных масштабах в настоящее время с учетом рыночно
го спроса, в основном, используются масляные, эмульсионные, синтетические и полусинтетические СОЖ, а также смазки и пасты [18-27).
Газы и газообразные вещества, твердые вещества и пластичные смазки применяются сравнительно редко.На выбор состава СОЖ для различных операций механической обработки оказывают влияние материалы инструмента и заготовки, режимы резания и, как следствие, температура и давление в зонах их контакта.
При черновой и иолучистовой обработке металлов резанием, когда необходимо обеспечить сильное охлаждающее действие среды, широко применяют водные эмульсии. Расход СОЖ, используемой в процессе резания, зависит от технологического метода обработки, размеров заготовки, станка, обрабатываемого материала и режимов резания. Как правило, он находится в пределах от 5 до 150 л/мин. Обильную подачу жидкости используют при работе инструментов, армированных пластинками твердого сплава, что способствует их равномерному охлаждению и предохраняет от растрескивания.
При чистовой обработке, когда требуется получить высокое качество обработанной поверхности, используются масляные СОЖ, обладающие более высокой смазочной способностью, чем водные. Следует отметить, что их стоимость выше, чем водных СОЖ, а санитарно- гигиенические условия труда рабочих при использовании масляных СОЖ хуже.
Для обеспечения противоизносного и противозадирного действия в СОЖ добавляют химически активные вещества: фосфор, серу, хлор. Под влиянием высоких температур и давлений эти вещества образуют с материалом контактирующих поверхностей соединения (фосфиды, хлориды, сульфиды), снижающие силы трения.
Пластичные смазки на основе минеральных, растительных или синтетических масел и загустителей применяются при сверлении, резьбона- резании, развертывании легированных, коррозионно-стойких сталей, трудно обрабатываемых материалов. Их наносят на инструмент кистью. При обработке заготовок из хрупких материалов (чгугунов, бронз), когда образуется элементная стружка, в качестве охлаждающей среды в ряде случаев используют сжатый воздух или углекислоту.
Особое место в физико-химических явлениях, сопровождающих резание металла в водородсодержащих средах, занимает процесс переноса водорода в поверхностные слои обрабатываемого материала и стружки, что может привести к охрупчиванию обрабатываемого металла [3].
Водород в зоне резания может образоваться в атомарной форме вследствие электро- и химико-термического разложений СОЖ.
Такой водород по микродефектам материала диффундирует в поверхностный слой. При этом металлические связи заменяются слабыми водородными, материал охрупчивается, что приводит к снижению сил резания. Влияние водорода, образующегося из воды, смазок и пластмасс, на тончайшие по-верхностные слои металла впервые открыли и исследовали российские трибологи Д.Н. Гаркунов и А.А. Поляков. Этот процесс в узлах трения они назвали как водородное изнашивание [69].В различных отраслях машиностроения, в том числе и в автомо-бильной промышленности, возникают задачи изготовления широкой номенклатуры деталей небольших партий с минимальными материальными затратами. Среди характерных требований заказчиков к технологам и проектировщикам металлорежущего оборудования имеют место весьма специфические, к которым можно отнести:
возможность снятия больших припусков с обильной подачей СОЖ;
исключение из технологического процесса операций большой длительности за счет интенсификации режимов резания;
применение прогрессивного, часто весьма дорогостоящего, инструментального обеспечения под конкретную задачу;
сокращение подготовительно-заключительного времени;
использование систем ЧПУ с современным программно- математическим обеспечением.
Современные металлорежущие станки оснащаются устройствами, обеспечивающими герметизацию рабочей зоны. При скоростном резании, которое характеризуется многократным увеличением объема снимаемой стружки, не удается обеспечить освобождение зоны резания от шлама и стружки только за счет СОЖ. Совершенствование конструкции металлорежущих станков осуществляется за счет встраивания устройств дробления стружки, ее эвакуации и фильтрации СОЖ.
Новым направлением является "сухая обработка" в среде азота, вырабатываемого газогенератором, что снижает потребление энергии, необходимой для резания, на 50% [1].
В последние годы, в основном на международных выставках, стала появляться информация об осуществлении процесса резания без применения или с ограниченным применением СОЖ (нсухая обработка") [1].
Большинство проблем на станках, сопряженных с "сухой обработкой", решается следующим образом:обеспечивается быстрый отвод теплоты, возникающей в процессе резания;
применяются специальные лотки для предотвращения нагрева узлов станка горячей стружкой;
предусматриваются специальные устройства, обеспечивающие удаление стружечной пыли.
Для реализации этих мероприятий используют определенные принципы конструирования станков. В таблице 1.2 приведены режимы резания на некоторых операциях обработки различных сталей, рекомендуемые фирмой Shinko kobelko Tool.
Таблица 1.2
Режимы резания на некоторых операциях обработки различных сталей, рекомендуемые фирмой Shinko kobelko Tool [11] Материал и твердость заготовки Технологическая операция Режущий Инструмент Режим обработки Закаленная
СТ&'1Ь
(50HRC) Черновая наружная обработка Концевая фреза п = 10000 об/мин, SE6 м/мин То же, чистовая Концевая фреза п = 20000 об/мин, s = 6 м/мин Нарезание резьбы Концевая фреза п = 20000 об/мин, s = 2 м/мин по осям X и Y, s = 0,5 мм /об по оси Z Углероди-стая сталь
(210НВ) Сверление Специальный инструмент V= 120 м/мин, s = 825 мм/мин. Растачивание То же V= 120 м/мин, s = 400 мм/мин по осям X и Y, s = 0,2 мм/об по оси Z. Снятие фаски То же V 120 м/мин,
s = 100 мм/мин
по осям X и Y,
s = 0,1 мм/об по оси Z. Закаленная сталь
(40HRC,) Прорезан не кругового паза Концевая фреза п = 40000 об/мин, s = 2,4 м/мин. Черновая обработ-ка кармана То же п = 40000 об/мин, s п 2,4 м/мин. То же, чистовая То же п = 40000 об/мин, s =2 м/мин.
Уже на стадии проработки компоновки обеспечивают наилучшие условия для беспрепятственного удаления стружки. Базовым деталям придают термосимметричную форму; применяют материалы с малой теплопроводностью и т.д.