1.2, Выбор СОЖ по заданным технологическим, экономическим и эксплуатационным критериям
Выбор СОЖ при разработке технологии обработки заготовок из различных материалов осуществляется исходя из конечной цели обработки, которую необходимо обеспечить по заданным технологическим, экономическим и эксплуатационным критериям.
К технологическим параметрам относятся:
достижение требуемой точности обработки, которая обеспечивается снижением сил резания и трения в зонах контакта заготовки и инструмента, лучшим размещением стружки в канавках многозубых инструментов и лучшим удалением из зоны резания стружки и абразивных частиц, что способствует уменьшению деформации заготовки и инструмента;
обеспечение заданного качества обработанной поверхности: уменьшение ее шероховатости, глубины и интенсивности наклепа;
снижение интенсивности размерного износа инструмента.
К экономическим критериям относятся: увеличение стойкости инструмента и сокращение его расхода вследствие уменьшения интенсивности изнашивания; повышение производительности труда на операции в результате увеличения предельно допустимой подачи и скорости резания.
Выбор состава СОЖ зависит от обрабатываемого материала, выполняемой операции, требований, предъявляемых к качеству обработанной поверхности (шероховатость, микротвердость и др.), материала, гео- метрин режущего инструмента, режимов обработки и связанной с ними температуры в зоне резания. Результаты экспериментальных испытаний СОЖ на металлорежущих станках рассматриваются во многих работах российских и зарубежных исследователей [7, 8, 18, 21, 22, 25, 34, 56 и др.].
Водные СОЖ обладают лучшими охлаждающими и санитарно-
#
гигиеническими свойствами. Они хорошо зарекомендовали себя при 66- работке заготовок на высоких скоростях резания, когда температура в зоне резания близка к температуре теплостойкости режущего инструмента.
Для черновой обработки металлов резанием с пониженными скоростями резания (с меньшей интенсивностью тепловыделения), но с большими удельными нагрузками на режущую кромку, во многих случаях выбираются СОЖ, обладающие пониженными охлаждающими и улучшенными смазочными свойствами (минеральные масла с противоизносными и противозадирными присадками) [62].
Черновая обработка чугуна на станках большей частью проходит всухую. При чистовой и фасонной обработке чугуна (развертывание, протягивание, нарезание резьбы, обработка зубьев и т.п.) применяют маловязкие масла и даже керосин [62]. Применять керосин не рекомендуется из-за его высокой пожароопасности.
При чистовой фасонной обработке, совершаемой с малыми и средними скоростями резания, обычно применяют 2 -5 % эмульсии. С повы-шением скорости резания и подачи происходит ухудшение условий проникновения СОЖ в зону контакта инструмент-заготовка и влияние СОЖ на выходные технологические параметры уменьшается.
Тепловыделение при обработке хрупких материалов (чугунов) меньше, чем при обработке пластичных (сталей). Поэтому наблюдаемое повышение стойкости от применения СОЖ при обработке чугунов несколько меньше, чем при обработке сталей [62].
При обработке заготовок инструментами из быстрорежущих сталей в СОЖ могут добавлять химически активные компоненты, которые значительно уменьшают адгезионное взаимодействие контактирующих поверхностей инструмента и заготовки, температуру в зоне резания, размеры и устойчивость нароста. Однако стойкость инструмента при применении химически активных жидкостей может уменьшаться. Это объясняется тем, что химически активные компоненты, введенные в СОЖ, повышают износ рабочих поверхностей инструмента в результате образования менее прочных, чем инструментальный материал, химических соединений на рабочей поверхности инструмента.
Проведенные экспериментальные исследования [53, 62] показывают, что интенсивность износа инструмента в значительной степени зависит от скорости резания. Причем, закономерность износа для различных случаев сочетания материалов заготовки и инструмента сохраняется. С увеличением скорости резания интенсивность изнашивания сначала уменьшается, а затем, достигнув минимума, возрастает.
На выбор СОЖ значительное влияние оказывают физико- химические процессы на поверхностях контакта стружки с поверхностями заготовки и инструмента.
Применение СОЖ сопровождается полным или частичным вытеснением атмосферного воздуха из зоны резания и снижением доли его участия в контактных взаимодействиях. Результаты исследования свойств воздуха и его влияния на действие СОЖ подробно освещены в работе [34]. Резание в вакууме ухудшает условия взаимодействия материалов заготовки и инструмента. В работе рассмотрено, при каких условиях применение СОЖ способствует уменьшению схватывания и уменьшению пластичности обрабатываемого металла. В работах [7, 36] показано, что достичь полного перевода трения в режим граничной смазки можно только при очень низких скоростях резания (менее 0,1 м/мин), не используемых в практике обработки резанием. В реальных условиях обработки заготовок такие скорости резания не применяются.Масляные СОЖ с химически активными присадками широко используются при сверлении (особенно глубоком), токарно-автоматных работах, протягивании, зубонарезании, резьбонарезании метчиками. Они применяются на черновых технологических операциях, которые отличаются высокой теплонапряженностью [47]. Роль масляных СОЖ возрастает при увеличении длительности операции и интенсивности процесса резания [18].
При оценке технологических свойств СОЖ для обработки металлов резанием одним из главных критериев являются скорость износа рабочих поверхностей режущего инструмента и его стойкость. При обработке углеродистых и легированных сталей применение эффективных СОЖ, по сравнению с резанием на воздухе, увеличивает стойкость резцов в зависимости от скорости резания до 2,5 раз и позволяет повысить скорость резания до 20% при сохранении постоянной стойкости резцов. Правильный подбор химически активных компонентов позволяет в несколько раз повысить стойкость инструмента: например, сравнительные испытания масляных СОЖ с химически активными компонентами МР-1У и сульфофре- зола показали, что МР-1У предпочтительна, поскольку она обеспечивает меньший химический износ и повышает стойкость инструмента в 2 - 2,7 раза.
При работе с маслом И-12А без присадок наблюдается повышенный разброс значений стойкости резцов.
Введение в масло И-12А присадок, содержащих химически активные вещества, и разработка на их основе СОЖ МР-5у и МР-99, в 2-3 раза снизили коэффициент вариации. Эффективность подбора присадок можно проследить при сопоставлении масляных СОЖ МР-8 и МР-9 с МР-1у. Их эксплуатация обеспечила повышение стойкости инструмента в 2-4 раза.На высоких скоростях резания (свыше 1 м/с) водные СОЖ обеспечили стойкость резцов в 2 раза большую, чем масляные СОЖ с присадками. При низких скоростях резания они уступают масляным без присадок или с небольшим их содержанием /18/. Хорошие результаты показали 3% - ные растворы синтетической СОЖ Аквол-ЮМ и эмульсии Аквол-6. Они обеспечили повышение стойкости инструмента по сравнению с другими СОЖ примерно в 1,5 раза.
Правильно подобранные СОЖ повышают стойкость резцов из быстрорежущей стали с износостойким покрытием в 2 раза по сравнению с резанием на воздухе [76]. При этом на резцах с покрытиями отмечается уменьшение допустимого износа до 0,2-0,5 мм по сравнению с 0,3-1 мм на резцах без покрытия.
СОЖ на водной основе при точении стали 40Х резцами из без-вольфрамового твердого сплава КНТ-16 обеспечила более высокую стойкость, чем масляная [70]. Применение в СОЖ синтетических смазочных материалов, содержащих соли мягких металлов, повысило стойкость резцов Т15К6 до 3-4 раз, а резцов из КНТ-16 - до 8-12 раз /43/.
Уменьшение подачи до 0,03 мм/об при токарной обработке сущест-венно изменило как характер кривой износа резцов от времени резания, так и порядок расположения разных СОЖ по их влиянию на стойкость.
Аналитически интенсивность износа инструмента по передней или задней поверхности можно представить в виде суммы двух экспонент:
1у = aexp(-bv) + cexp(где 1у - интенсивность износа (м);
V - текущее значение скорости резания (м/с);
а и с
- предэкспоненциальные коэффициенты;
bud- коэффициенты показателей экспонент.
В таблице 1.3 приведена оценка влияния СОЖ на изнашивание резцов при точении для случая обработки стали 45 режущим инструментом из материала Р6М5 с учетом параметров, приведенных в уравнении (1).
Таблица 1.3
Влияние СОЖ на скорость износа резцов из стали Р6М5 при точении стали 45 СОЖ v, м/с м Воздух 0,55 8 • 10 Вакуум 0,65 1,4 - Ю -9 Аквол - 6 (5% - ный) 0,50 1,6- 10 8 Укринол -1 (5% - ный) 0,60 1,4- 10 s Вода 0,50 2,5 • 10 ИС - 12А 0,35 2,2 • 10 MP - 1 0,45 2,7 • 10 9 MP-4 0,45 4,51- 10 9 Масляные СОЖ с противоизносными присадками, по сравнению с водными, обеспечивают более низкую интенсивность изнашивания при сверлении. При пониженных режимах резания лучшие результаты обеспечивают масла без присадок или с небольшим их количеством. Однако предельный износ по задним поверхностям сверл, при котором они теряют свои режущие свойства, при работе с масляными СОЖ, содержащими противоизносные присадки, может изменяться в менее широких пределах, чем для СОЖ на водной основе: с 0,5-0,55 мм до 0,7-0,9 мм. [57].
Выбор СОЖ для операции по развертыванию отверстий значительно сложнее, чем для остальных технологических операций, поскольку, кроме стойкости инструмента, здесь необходимо обеспечить заданную шероховатость обрабатываемой поверхности и геометрию отверстия.
Характер изнашивания разверток при работе с масляными и водными СОЖ различен. При работе с масляными СОЖ изнашивание по задней и передней поверхности носит ярко выраженный адгезионный характер со следами наволакивания обрабатываемого материала на режущее лезвие разверток. Применение водных СОЖ вызывает абразивное изнашивание задней поверхности и ленточек развертки, причем на передней поверхности зубьев образуется лунка. Износ калибрующих ленточек при работе с водными СОЖ привел к уменьшению диаметра разверток. Наиболее интенсивный износ ленточек разверток наблюдался при применении 3%-ной эмульсии Укринол-1.
Масляные СОЖ рекомендуются для развертывания отверстий по 9-му квалитету с шероховатостью Ra = 2,5-5 мкм, а водные СОЖ - по 7-му и 8-му квалитетам с шероховатостью Ra = 1,25-2,5 мкм [49].
При фрезеровании степень влияния различных СОЖ на изнашивание в период стойкости инструментов из быстрорежущей стали уменьшается по сравнению с другими операциями резания.
Период стойкости фрез при применении водных СОЖ с увеличением скорости резания до 2,6 м/с уменьшился почти в 12 раз, а при применении масляных СОЖ - только в 6 раз. В области высоких скоростей резания предпочтительно применять масляные СОЖ с присадками. Из водных СОЖ хорошие результаты показали Укринол-1М и Аквол-ЮМ, из масляных - МР-ly и МР-4. На операциях зубонарезания применение СОЖ имеет примерно те же закономерности, что и при фрезеровании.Исследования известных российских ученых Н.Н. Зорева [71], А.И. Исаева [72], А.Я. Малкина [73] и др. показали, что состав СОЖ оказывает влияние на процесс образования поверхностного слоя и величину усадки стружки.
Результаты станочных экспресс-испытаний ряда новых водосмеши- ваемых (3%-ной концентрации) СОЖ при шлифовании термоупрочнен- ной конструкционной стали 45Х и подшипниковой стали ШХ15 приведены в таблице 1.4. Они показали, что основной показатель технологической эффективности - коэффициент шлифования - может меняться в зависимости от выбранной СОЖ в несколько раз - от 1,70 до 4,72 [80]. При выборе состава СОЖ следует учитывать целый ряд показателей, в том числе химический состав стали.
Таблица 1.4
Станочные экспресс-испытания новых водосмешиваемых СОЖ при шли
фовании конструкционной стали 45Х и подшипниковой стали IIJX15 СОЖ Разработчик 45Х ШХ15 Укринол - 1М (эталон) УкрНИИНП "МАСМА" 4,11 3,08 ЛЗН-1 Санкт-Петербург 3,27 3,08 Ленол- ЮМ ОНМЗ им. Шаумяна 4,17 3,14 Автокат Ф-78 АО "КамАЗ" 3,64 3,78 Сувар - 3 Чувашский госуниверситет 3,26 2,83 Велс- 1 Пермский завод смазок и СОЖ 3,34 3,39 Оксндол - ОС1 РНЦ "Прикладная химия" 3,59 3,41 Оксидол - ОСП РНЦ "Прикладная химия" 3,17 1,70 Оксидол - ОС 12 РНЦ "Прикладная химия" 4,72 2,70 Эффектол - ЭМС2 РНЦ "Прикладная химия" 3,38 2,37 Эффектол - ЭМС4 РНЦ "Прикладная химия" 2,90 2,10 Эффектол - ЭМС8 РНЦ "Прикладная химия" 3,17 2,48
Как видно из таблицы, наилучшие результаты показали Автокат Ф- 78, ВЕЛС-1 (для стали ЩХ15) и Оксидол - ОС1 (для стали 45Х), которые позволили, по сравнению с эталонной СОЖ Укринол -1М, повысить коэффициент шлифования в 1,1 -1,2 раза.
Взаимосвязь между отдельными явлениями, происходящими в зоне резания, может быть непосредственная или косвенная, через изменение ряда других (цепочки) физических явлений, связывающих два исследуемых параметра. Например, влияние СОЖ на износ инструмента связано с трибологией резания. При этом СОЖ оказывает влияние на физико- химические процессы в зоне резания, пластические деформации, тепловые явления и др. Зачастую косвенная взаимосвязь явлений, составляющих процесс резания, имеет большее значение, чем непосредственная, а иногда и решающее. Кроме того, непосредственная и косвенная взаимосвязь отдельных физических явлений может оказывать как одинаковое, так и противоположное воздействие.
Существует тесная взаимосвязь явлений пластического деформирования и трения, на основе которых построены все исследования в области механики процесса стружкообразования. Чем меньше толщина срезаемой стружки, тем сильнее влияние СОЖ на параметры обработки.