Форма обратной связи

Давно известно, что определенные жидкости могут облегчать процесс резания. В настоящее время в практике резания металлов используется значительное количество различных жидкостей. Однако выбор и применение этих жидкостей не всегда сопровождается максимальным экономическим эффектом. Ниже можно почитать об основных свойствах смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) и принципах их выбора.

Главной целью механической обработки является получение деталей с заданной точностью и качеством поверхности и достижение определенных экономических результатов. Смазочно-охлаждающие жидкости способствуют достижению этой цели вследствие:

• увеличения стойкости инструмента;
• улучшения качества поверхности;
• снижения сил резания и потребляемой мощности;
• снижения деформации детали в результате выравнивания ее температуры;
• облегчения удаления стружки.

Увеличение стойкости режущего инструмента считается главной задачей применения СОЖ. Вместе с тем получение поверхностей высокой чистоты - задача не менее важная.

Другие три эффекта не столь важны, как первые два; однако на определенных операциях они могут иметь первостепенное значение. Например, в результате скопления стружки вокруг режущего инструмента может быть повреждена обработанная поверхность. Путем удаления стружки струей жидкости данное повреждение можно предотвратить.

Несомненно, что использование смазочно-охлаждающих жидкостей должно быть экономически оправдано. Применение СОЖ требует определенных затрат — затрат на сами жидкости, систему подачи, систему сбора и фильтрации и т. д. Эти затраты должны быть покрыты получением прибыли от дополнительного снижения стоимости производства или повышения качества продукции.

Смазочно-охлаждающие жидкости могут вызывать нежелательные побочные явления, которые или полностью делают невозможным их применение или ограничивают определенным кругом операций. Перечислим некоторые из этих действий:

Физиологическое действие на оператора. Некоторые жидкости, полезные для процесса резания, могут образовывать токсичные пары, которые вызывают заболевание или смерть. В качестве примера такой жидкости можно назвать четыреххлористый углерод.

Менее вредными физиологическими воздействиями являются: неприятный запах, дымление, раздражение кожи (дерматиты) или эффекты, возникающие в жидкостях под действием размножающихся бактерий.

Действие на обрабатываемый материал. Обрабатываемый материал может коррозировать под влиянием некоторых жидкостей. Например, медные сплавы имеют тенденцию подвергаться коррозии под действием масляных жидкостей, содержащих большое количество свободной серы. Некоторые материалы склонны к коррозии под действием химических соединений и мельчайшие поверхностные дефекты, возникающие под действием коррозии, могут вызвать усталостное разрушение детали. Данное явление можно наблюдать при использовании некоторых хлорированных жидкостей при обработке титановых сплавов или при контактировании воды со сплавами на основе железа.

Действие на станок. Общепринятым является требование к СОЖ об отсутствии коррозионного воздействия на детали станка, Однако возможны случаи, когда жидкость воздействует на подшипники, изготовленные из медных сплавов. По этой причине может быть ограничено использование масел с высоким содержанием свободной серы.

Другие побочные явления. Жидкость может расслаиваться на составные компоненты, если долгое время находится без движения; она может образовывать тонкие клейкие пленки на деталях при высыхании, может вспениваться и блокировать насосную систему.

Такие явления - нежелательны. Многие из них могут быть полностью ликвидированы путем изменения химических и физических свойств СОЖ. С некоторыми побочными явлениями приходится мириться, если жидкость оказывает большое положительное влияние на процесс резания.

Многие годы считалось, что СОЖ обладает двумя основными функциональными свойствами, которые могут оказать влияние на процесс резания, — это охлаждающие и смазочные свойства.

Дальнейшее развитие представлений о функциональных свойствах СОЖ было сделано русскими учеными П. А. Ребиндером и Г. И. Епифановым, которые постулировали третье свойство жидкостей — свойство снижать прочность на сдвиг обрабатываемого материала.

Смазочно-охлаждающие жидкости оказывают влияние на процесс резания в первую очередь благодаря охлаждающим свойствам. Омывая инструмент, образующуюся стружку и обрабатываемую деталь, СОЖ может отводить и тем самым снижать температуру в зоне резания. Влияние температуры на износ режущего инструмента рассматривается в гл. 6. В общем случае снижение температуры приводит к уменьшению интенсивности износа и увеличению стойкости инструмента. Это объясняется тем, что понижение температуры, во-первых, благотворно влияет на увеличение сопротивляемости инструментального материала абразивному износу и, во-вторых, уменьшает скорость диффузионного переноса атомов инструментального материала в обрабатываемый  материал и стружку — снижает диффузионный износ. В противовес этим двум эффектам снижение температуры обрабатываемого образца будет увеличивать напряжение сдвига в зоне резания, что приведет к некоторому росту сил резания и требуемой мощности оборудования. В определенных условиях это может вызвать снижение стойкости режущего инструмента.

Помимо влияния на стойкость режущего инструмента, охлаждающее действие жидкостей проявляется в стабилизации температуры обрабатываемой детали и снижении погрешностей формы, вызванных неравномерным нагревом.

Охлаждающие свойства жидкостей не оказывают существенного влияния на чистоту обработанной поверхности. Исключение составляет работа на средних и низких скоростях резания, когда охлаждение заметно увеличивает градиент температур в сходящей стружке, способствует увеличению степени ее завивания и уменьшает нарострообразование на передней поверхности инструмента.

Оценка охлаждающей способности СОЖ- Поток смазочно-охлаждающей жидкости, обтекающий режущий инструмент и обрабатываемую деталь, не является устойчивым потоком.Различия в геометрии и свойствах инструмента, стружки и обрабатываемой заготовки осложняют картину теплоотвода. На скорость отвода тепла от зоны резания влияет скорость потока жидкости, ее теплопроводность, теплоемкость, скрытая теплота парообразования. Однако сравнение этих свойств еще не дает представления об охлаждающей способности жидкости.

Косгров и Гринли, рассмотрев данные по физическим свойствам целого ряда органических жидкостей, пришли к выводу о несоответствии охлаждающей способности этих жидкостей в процессе резания с их физико-термическими свойствами. На охлаждающее действие СОЖ сильное влияние оказывают эффекты смачивания и парообразования.

Ряд исследователей пытались опытным путем установить охлаждающую способность СОЖ. Эти опыты могут быть разделены на две главных группы: основанные на изучении теплопередачи вне процесса резания и основанные на изучении охлаждения в процессе резания.

Опыты по изучению теплопередачи. Эрнст и Мерчант изучали теплопередачу потока жидкости, протекающей через трубки из

нержавеющей стали. Трубки нагревались при прохождении по ним электрического тока. Жидкость прокачивалась по трубкам с постоянной скоростью. Температура измерялась термопарами, расположенными с определенными интервалами по стенкам трубки. Результаты опытов показали, что теплопроводность водомасляных эмульсий уменьшается пропорционально увеличению концентрации масла в эмульсии. Во всех случаях охлаждающее действие эмульсий было ниже, чем чистой воды. Аналогичным способом испытывались эмульсии и масляные жидкости в турбулентном и ламинарном режимах.

Коэффициент теплопроводности для масел на порядок меньше, чем для воды.

Русские ученые Н. А. Плетнева и П. А. Ребиндер для изучения охлаждающей способности жидкости пользовались образцом из нержавеющей стали. На нижнем конце образца имелась щель для пропускания потока жидкости с различной скоростью. За критерий охлаждающей способности жидкости принималось снижение температуры образца, регистрируемое термопарой вблизи щели. Было отмечено два особых эффекта:

Значительное снижение скорости теплопередачи в условиях нагрева выше определенной температуры, что объясняется образованием паровой пленки. Данное явление наблюдается при нагреве масел свыше 520° С или воды свыше 260° С.
Водные растворы натриевой соли жирной кислоты (мыла) концентрацией 0,2—1,0% были менее эффективны, чем чистая вода и раствор буры при охлаждении образца при 260° С.

 Этот эффект может быть объяснен изолирующим влиянием адсорбированной пленки мыла. При очень малой концентрации мыла (0,01%) в растворе скорость теплопередачи была выше, чем у чистой воды, что было объяснено П. А. Ребиндером и Н. А. Плетневой улучшением смачивающей способности раствора. Условия опытов с трубками и образцами значительно отличаются от условий при резании металла.

Чтобы приблизить условия опыта к естественным, Шоу разработал устройство для измерения свойств различных жидкостей, основанное на кратковременном контактировании. Это устройство состояло из горизонтально расположенной стальной пластины с термопарой, находящейся в 0,25 мм от поверхности. Пластина нагревалась снизу до необходимой температуры. Поток испытуемой жидкости направлялся на пластину в месте расположения термопары. Скорость изменения температуры, измеряемой термопарой, записывалась на осциллографе. Были испытаны различные вещества, включая воду, водяной туман, воздух, углекислый газ. В этих опытах было отмечено влияние паровой прослойки на процесс охлаждения, описанное Н. А. Плетневой и П. А. Ребиндером.

При всех температурах пластины обнаружено, что первоначальная скорость охлаждения потоком воды больше, чем водным туманом. Однако при температуре 316° С охлаждение распыленной струей (туманом) превосходило охлаждение потоком воды по прошествии 9 мс. При более высоких или более низких температурах (482° С и 158° С) охлаждение туманом было менее эффективно, чем водой. Авторы объясняли полученные результаты следующим образом. При низких температурах охлаждение осуществляется за счет передачи тепла в жидкую фазу. При этом более эффективно охлаждение потоком воды. При 316° С на поверхности образуется паровая пленка и коэффициент теплопроводности снижается. Поток распыленной воды (туман) разрушает паровую пленку, и коэффициент теплопроводности увеличивается. При более высокой температуре паровая пленка увеличивается, и эффективность охлаждения туманом снижается.

Опыты по изучению охлаждения в процессе резания. Трудности разработки простых устройств для изучения теплопередачи в условиях, приближающихся к условиям процесса резания, привели некоторых исследователей к мысли об изучении свойств жидкостей в процессе резания.

Шоу, Кук и Смит проявили интерес к следующим температурным зонам:

• вблизи плоскости сдвига на обрабатываемой детали;
• на стружке;
• на площадке контакта задней поверхности инструмента с обрабатываемой деталью;
• на площадке контакта передней поверхности инструмента со стружкой.

Температура в этих четырех зонах может быть использована для оценки качества смазочно-охлаждающих жидкостей. Несмотря на то, что значение этих температур для процесса резания изучено не полностью, измерение температуры при контакте инструмента со стружкой производится термопарой инструмент-обрабатываемая деталь, которая использовалась наиболее часто. Этот метод использовали Шоу и другие ученые. Они обнаружили, что вода и водные эмульсии оказывали влияние на температуру контакта только при условии срезания тонких стружек и относительно низкой скорости резания.

Применение жидкости не влияло на температуру контакта, если скорость превышала 120 м/мин при толщине срезаемой стружки 0,13 мм или 60 м/мин при толщине стружки 0,26 мм. Шоу, Кук и Смит получили аналогичный результат для стали AISI4340. Путем измерения контактной температуры было обнаружено, что при резании со скоростью 15 м/мин существует близкая к прямопропорциональной зависимость между охлаждающей способностью испытанных жидкостей и их теплоемкостью. Результаты, полученные при резании двух сталей — отпущенной и отожженной. Свыше 24 м/мин, охлаждающий эффект

всех жидкостей значительно уменьшается, а при обработке отпущенной стали полностью отсутствует.

Эти результаты показывают, что охлаждение, измеренное по снижению температуры контакта, может прямо зависеть от физикотермических свойств жидкостей для определенных скоростей резания. С изменением температуры эта корреляция нарушается вследствие влияния других, эффектов — снижения трения на низких скоростях и недостаточного переноса тепла в жидкость при высоких скоростях и подачах.

Измерения температуры обрабатываемой детали и стружки, произведенные с помощью проволочной термопары, укрепленной на поверхности образца, описаны Шоу, Куком и Смитом. Используя константановую проволоку, вставленную в цилиндрический образец на токарном станке, возможно, было получить термоэлектрическую цепь с обрабатываемым материалом. Осциллограф записывал температуру контакта в момент его приближения к зоне резания. Было обнаружено, что температура возрастает с каждым оборотом образца. Влияние охлаждающей жидкости (в данном случае — воды) на максимум и минимум пульсации температуры показано на рис. 5.1,6. Из приведенных данных видно, что температура обрабатываемого металла, прилегающего к зоне резания, значительно меньше при использовании охлаждающей жидкости, чем при резании всухую. Данное явление подтверждается при использовании различных жидкостей. Авторы работы заключают, что температура образца сильно зависит от охлаждающей жидкости и измерения эффективности охлаждения.

Однако корреляционная связь между температурой образца обрабатываемого материала и износом резца изучена недостаточно. Использование температуры образца в качестве фактора, характеризующего процесс резания, вызывает сомнение и не может быть рекомендовано.

Шоу, Кук и Смит использовали аналогичную технику измерения температуры на поверхности зоны сдвига. Они обнаружили, что этому методу присуще значительное рассеивание значений температуры. По этой причине метод не может быть успешно применен для оценки смазочно-охлаждающих жидкостей.

Температура образца за зоной сдвига измерялась Накаямой при помощи константановой проволоки, соприкасающейся со вновь образованной поверхностью. Для снижения эффекта трения проволоки Шоу, Кук и Смит заменили ее вращающимся константановым диском, соприкасающимся с образцом. С помощью этого устройства удалось получить хорошее воспроизведение результатов, что позволило сравнивать свойства жидкостей.

Использование газов в качестве охлаждения. При исследовании влияния собственной температуры жидкости было обнаружено, что применение охлажденной жидкости может быть эффективным при условии, если ее вязкость возрастет не очень сильно. Для оценки эффективности применения жидкостей измеряют стойкость инструмента. При сравнении влияния охлажденного и неохлажденного сжатого воздуха получено увеличение стойкости резца до 400% при охлаждении воздуха от +40° до —56° С. При охлаждении до —8° С стойкость увеличилась на 40%. Опыты проводились при резании стали со скоростью 30 м/мин. Сходный эффект был замечен при работе с охлажденным азотом и углекислым газом. Экономические выгоды от использования охлажденных газов при резании металлов на различных операциях, включая фрезерование зубчатых колес, значительны.

Не вызывает сомнения, что применение охлажденных газов, в частности углекислого газа, оказывает положительное влияние на стойкость инструмента и во многих случаях экономически целесообразно. Начиная с 1950 г. многие стали считать, что применение охлажденных газов может разрешить все проблемы металлообработки. Широкое использование охлаждения углекислотой показало, что оно выгодно не во всех случаях. Установленное оборудование для охлаждения углекислотой либо стояло без использования, либо демонтировалось. Обнаружено, что углекислота может эффективно использоваться для снижения износа твердосплавного инструмента при обработке титановых сплавов, инконеля и других труднообрабатываемых материалов.

Применение охлаждения. Важное значение имеет скорость и направление потока СОЖ- Чем больше расход жидкости, тем сильнее охлаждающий эффект. В течение последних 10 лет станкостроители используют насосы, обеспечивающие подачу СОЖ в зону резания мощной струей. Поток жидкости обычно направляется со стороны образующейся стружки так, что тепло из зоны резания отводится через стружку. Во многих работах показано, что при точении с высокими скоростями резания охлаждающие свойства жидкостей проявляются недостаточно эффективно вследствие быстрого образования тепла, ограниченных охлаждающих свойств жидкостей, большой окружной скорости вращения детали и высокой скорости схода стружки, приводящих к выбросу жидкости из зоны резания.

Существует два метода усиления охлаждающего действия на высоких скоростях. Во-первых, применение так называемого высоконапорного подвода СОЖ. При этом методе жидкость подается под высоким давлением тонкой струей в зазор между задней поверхностью резца и обрабатываемой деталью. В определенных условиях метод может дать значительное увеличение стойкости инструмента. Однако аппаратура для осуществления метода довольно дорогостоящая. Кроме того, высоконапорная струя жидкости представляет некоторую опасность для оператора. Несмотря на эффективность метода, он не может быть рекомендован как универсальный.

Другим методом, которому уделялось значительное внимание за последние 10 лет, является метод подвода СОЖ в распыленном состоянии («охлаждение туманом»). Распыленная жидкость подается в зону резания под давлением 2,8-4,2 кгс/см². Распыленная жидкость эффективней жидкости, подаваемой струей в ограниченном интервале температур, при которых на охлаждаемой поверхности возникает паровая прослойка. По этой причине охлаждение распыленной жидкостью экономично только в определенных условиях. Обычно оно применяется при обработке высокотвердых материалов.