7. СМАЗЫВАЮЩИЕ И ОХЛАЖДАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДЫ

Для уменьшения отрицательного влияния трения и теплоты, образующейся в процессе резания, применяют обработку со смазывающими и охлаждающими технологическими средами (СОТС), режимы резания по максимально допустимой темпера* туре, системы приточно-вытяжной вентиляции и кондиционирования воздуха, изоляцию металлорежущего оборудования и систем ЧПУ в специальных помещениях и устройствах.

В процессах обработки металлов резанием СОТС применяют в различных агрегатных состояниях [12]:

1. твердые (неорганические неметаллы, органические, мягкие металлы, смешанные и др.);

2. пластичные (на углеродных и мыльных загустителях, консистентные смазки или пасты с графитом, дисульфидом молибдена и другими наполнителями);

3. расплавы металлов, солей и других веществ;

4. жидкие (СОЖ);

5. газообразные (инертные, активные, ионизированные).

СОТС оказывают на зону резания, режущий инструмент и заготовку следующее действие:

• охлаждающее;

• смазывающее;

• моющее;

• смачивающее и проникающее^

• режущее и пластифицирующее («расклинивающее» — по

эффекту Ребиндера).

Основную массу СОТС представляют собой СОЖ.

К СОЖ для обработки резанием предъявляют следующие требования:

• хорошие охлаждающие, смазывающие или комплексные

(смазывающие 3§ охлаждающий! свойства;

• отсутствие коррозионного воздействия на металлорежущее

оборудование, инструмент, заготовку, а также растворяю-

щего действия на лакокрасочные покрытия и изоляцию электросистем;;

• отсутствие химических и других элементов, наличие которых не допускается условиями эксплуатации обработанных деталей (например, хлора в деталях атомных энергоустановок);

• безопасность и безвредность для работающих и окружающей среды;

• высокая температура вспышки для масляных СОЖ (более 180 °С);

• химическая и биологическая стабильность (не должны разлагаться и портиться при эксплуатации и хранении);

• слабая испаряемость и вспениваемость;

• они не должны выделять осадки и липкие вещества, засоряющие системы подачи СОЖ и осаждающиеся на технологическом оборудовании, инструментах и обработанных деталях;

л они должны иметь длительный срок службы, не вызывать трудностей при приготовлении, хранении, регенерации и утилизации;

• доступность и экономическая целесообразность.

По химическому составу СОЖ классифицируются на эмульсионные, синтетические, полусинтетические, масляные (углеводородные).

Эмульсии (лат. ети1&ео — дою, выдаиваю) — дисперсионные системы, состоящие из мелких капель жидкости, распределенных в другой жидкости (например, масло в воде). Процесс получения устойчивых эмульсий называется эмульгированием.

Эмульсищные СОЖ приготавливаются из эмульсолов, включающих базовые минеральные масла (70...85 %), эмульгаторы, ингибиторы коррозии, бактериоциды, вещества связки, антипен- ные присадки и другие компоненты. Эмульгаторы представляют собой поверхностно-активные вещества (ПАВ), понижающие поверхностное натяжение на границе раздела фаз «вода — масло», способствующие эмульгированию и придающие эмульсии устойчивость. Они” частично выполняют роль смазочных веществ и ингибиторов коррозии,, т, е. шщшш* снижающих скорость коррозии. Вещества-связки предназначены для обеспечения совместимости базового минерального масла с эмульгатором. Бактериоциды защищают СОЖ от микробиологического поражения. Антипенные присадки добавляются для уменьшения пенообразо- вания эмулъсиЦ*

Синтетические СОЖ делят на электролиты, водные растворы полимеров и ПАВ* комбинированные составы, состоящие из растворов с<шШ' и ПАВ. Полусинтетические СОЖ, кроме того, содержат в своем составе минеральные масла или другие углеводородные жидкости.

Масляные (углеводородные) СОЖ состоят из чистых минеральных и растительных шшя* а также масел с присадками. В качестве базовых чаще используют минеральные масла, в которые добавляются антифрикционные, антиизносные и антиза- дирные присадки, ингибиторы коррозии, антиоксиданты (антиокислители), антипенные и антитуманные присадки. Минеральное масло в масляных СОЖ составляет 60...90 % (по массе).

Охлаждающий эффект СОЖ зависит от их теплоемкости и теплопроводности, а также от способности к смачиванию и парообразованию. При высоких скоростях резания, вызывающих высокие температуры, СОЖ может не входить в прямой контакт с поверхностью инструмента из-за плохой смачиваемости или образования паровой подушки. Наилучшими охлаждающими свойствами обладают СОЖ на водной основе, которые должны иметь также противоизносные, противозадирные, антифрикционные и другие свойства.

Выбор рациональных СОЖ для конкретной операции обработки металлов резанием определяется материалом обрабатываемой заготовки и инструмента, видом обработки, режимами резания, конструкцией инструмента, требованиями к точности обработки детали и состоянию поверхностного слоя, типом металлорежущего оборудования и системы циркуляции СОЖ, экономическими и другими критериями.

В качестве газов и газообразных веществ при обработке резанием наиболее часто используют углекислый газ (С0₂), азот (N3), пары поверхностно-активных веществ, распыленные жидкости (туман) и пены, ионизированный газ.

В качестве твердых смазывающих веществ при обработке резанием используют графит, дисульфид молибдена (Мо8₂), порошки парафина, петролатума, битума, мыльные порошки и др.

При обработке лезвийным инструментом СОТС подаются следующими способами:

• поливом;

• напорной струей;

• в распыленном состоянии;

■ Через каналы инструмента с выходом и без выхода в зону резания;

• контактным смачиванием;

• периодической подачей (нанесением) на инструмент перед резанием.

При шлифовании СОТС подаются:

• поливом;

• напорной струей;

• в распыленном состоянии;

• струйно-напорным внезонным способом;

• гидроаэродинамическим способом;

• с ультразвуковыми колебаниями;

• через поры круга;

• через каналы в круге;

• контактным способом;

• погружением в СОЖ;

• поэтапным способом (поливом при черновом шлифовании, контактным путем при чистовом шлифовании).

При обработке лезвийным инструментом наиболее распространена подача СОЖ в зону резания (на переднюю поверхность лезвия режущего инструмента) через узкое сопло.

Эффективно высоконапорное охлаждение тонкой струей с большой скоростью со стороны задней поверхности инструмента, но наиболее эффективно охлаждение распыленной жидкостью (туманом). Для некоторых специальных видов обработки и инструментов применяют подвод СОЖ непосредственно через режущий инструмент (например, при обработке глубоких отверстий). В этом случае ее роль состоит не только в охлаждении зоны резания и инструмента, но также в удалении и транспортировании стружки из зоны резания. Некоторые инструменты охлаждаются путем циркуляции жидкости по специальным каналам в инструменте.

В результате применения СОТС снижается внешнее трение между режущей частью инструмента, стружкой и заготовкой, уменьшается работа деформирования и общее количество выделяющейся теплоты. Путем отвода теплоты от мест ее образования в окружающую среду охлаждается режущий инструмент, обработанная поверхность и стружка. При этом возрастает стойкость инструмента, снижается наростообразование и шероховатость обработанной поверхности, увеличивается точность обработки, снижается на 10..Л 5 % эффективная мощность, затрачиваемая на резание.

При черновой обработке в диапазоне скоростей резания

5. . 150 М/мин эффективно применение водных эмульсий. Состав

и количество подаваемой жидкости зависит от обрабатываемого материала, метода обработки и режимов резания.

Для чистовой обработки эффективны жидкости на основе масел. В целях активизации СОЖ в них добавляют серу, фосфор, хлор. Под влиянием высоких температур и давлений в зоне резания эти химические вещества образуют с материалом контактирующих поверхностей соединения (фосфиды, хлориды, сульфиды), снижающие трение. При обработке хрупких материалов с элементной стружкой для охлаждения используют сжатый воздух и углекислый газ (С0₂).

При черновой обработке конструкционных сталей твердосплавными резцами применение СОЖ не дает существенного эффекта. Использование СОЖ при прерывистом резании твердосплавными инструментами с высокими скоростями увеличивает интенсивность изнашивания и вызывает разрушение режущего инструмента в результате увеличения циклических термических напряжений. В этих случаях более эффективной является обработка без СОЖ.

По сравнению с другими СОТС смазывающие и охлаждающие жидкости на водной основе более экономичны и обладают лучшими санитарно-гигиеническими показателями, чем другие СОТС. Однако даже их использование вызывает определенные экологические проблемы, поэтому в последние годы все более широко применяется обработка без СОЖ («сухое резание»), для чего разрабатываются специальные инструментальные материалы и режимы резания.

7. ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ РЕЗАНИЕМ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАЗНАЧЕНИЕ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ

8.1. Оценка обрабатываемости материалов резанием

. Методами обработки резанием, т. е. путем снятия стружки с заготовки лезвийным И абразивным инструментом, изготавливаются детали из ШИШ разнообразных материалов — металлов и их сплавов, древесины, пластмасс, камня, керамики, стекла, синтетических сверхтвердых материалов, алмазов и др. Поскольку в процессе обработки всегда участвует обрабатываемый и инструментальный материал, то термин «обрабатываемость» характеризует некоторое специфическое свойство обрабатываемого материала применительно к конкретному инструментальному материалу, инструменту, методу и условиям обработки.

В широком щшсле под обрабатываемостью материала резанием понимается его свойство подвергаться обработке путем снятия стружки и обеспечивать требуемые технические и экономические показатели. В общепринятом узком смысле под обрабатываемостью понимается спое$§нрш> материала изнашивать, разрушать режущий инструмент при различных условиях резания и обеспечивать требуемое качество обработки (состояние поверхностного слоя и точность). Из ЯШо определения следует, что обрабатываемость материала резанием нельзя рассматривать как изолированную физическую его характеристику, не связанную с инструментальным материалом.

Обрабатываемость материала может существенно изменяться при изменении инструментального материала, геометрии и конструкции режущих инструментов, применяемых СОТС и условий обработки.

Содержание понятия «обрабатываемость материала» зависит также от характера выполняемой операции. Например, на черновых и получистовых операциях основным показателем обрабатываемости является количество материала, снимаемого режущим инструментом в единицу времени (производительность обработки). На окончательных (чистовых, финишных) операциях обрабатываемость оценивают (характеризуют) трудоемкостью достижения заданного состояния поверхностного слоя и точности обработки деталей или чувствительностью обрабатываемого материала к образованию дефектов поверхностного слоя.

Определение обрабатываемости материала обычно проводится в лабораторных условиях. Полное исследование обрабатываемости нацелено на установление рациональных условий обработки конкретного материала или характерного представителя материала определенной группы. Оно включает в себя [9]:

1. установление оптимальных или рациональных марок материалов режущих инструментов для различных операций;

2. установление оптимальных или рациональных геометрических параметров режущих инструментов;

3. определение рациональных СОТС для различных операций обработки;

4. установление зависимостей сил резания (их составляющих Р_х, Ру,, /у от режимов резания;

5. установление зависимостей стойкости инструмента от режимов резания;

6. установление влияния геометрических параметров режущих инструментов, режимов резания, износу инструмента на состояние поверхностного слоя обработанных деталей.

Некоторую приближенную априорную оценку обрабатываемости материала можно дать на основании его химического состава, структурно-фазового состояния, твердости, предела текучести, действительного предела прочности, относительного удлинения, теплопроводности, коэффициента трения в паре с инструментальным материалом и т. п.

По результатам экспериментального исследования обрабатываемости материалов формируются справочные материалы, позволяющие при разработке технологических процессов изготовления конкретных деталей резанием выбирать и назначать рациональные инструментальные материалы, геометрию инструментов, режимы резания и условия обработки. Эти справочные материалы нужны не только технологам, но и конструкторам, так как с их помощью можно подобрать замену одних материалов другими,

имеющими лучшую обрабатываемость при равноценных эксплуатационных свойствах.

Для улучшения обрабатываемости металлов и их сплавов широко используются специальные методы термической обработки, предназначенные в основном для снижения механических свойств (твердости, прочности и др.). Обрабатываемость можно улучшить путем изменения химического состава металла, технологии его изготовления и микроструктуры. Введение в состав сталей и сплавов в малых количествах таких элементов, как свинец, селен, теллур, висмут существенно улучшает их обрабатываемость без заметного изменения физико-механических свойств. В некоторых случаях для улучшения обрабатываемости металлов специально увеличивают процентное содержание серы и фосфора, которые являются вредными примесями и строго ограничиваются техническими условиями на химический состав металла. 'ИШЩШ также легирование поверхностного слоя заготовок, распространяющееся в пределах припуска на обработку. Однако при использовании повышенного количества серы и фосфора для улучшения обрабатываемости возникают серьезные проблемы с переработкой стружки, загрязненной этими вредными химическими элементами.

Обрабатываемость металла резанием в основном оценивается по его способности изнашивать режущую часть инструмента. Основным количественным показателем обрабатываемости металлов является допускаемая скорость резания. При предварительной обработке (чшршвой, получистовой) эта скорость резания У₀ должна соответствовать определенной стойкости инструмента ЗС, при которой достигается один из следующих показателей, обеспечивающий максимальный путь резания до затупления (Ь = Т₀ У^, .

• максимальная производительность (Т₀ = Щв’’

• минимальная себестоимость (%= ЗДЕ

• минимальный удельный изюс инструмент Щя Т_и).

Кроме того, при предварительной обработке щрживаются

также:

• максимальное сечение среза и максимальная шин ю* носа инструмента, при которой наступает щршш его режущей части;

• сопротивление резанию (по удельным силам резания);

• способность образовывать хорошо завивающуюся или ло-

• мающуюся стружку.

* —1924

Критерием затупления режущей части инструмента при окончательной обработке считают величину износа, вызывающую изменение размеров обработанной детали или ухудшение качества ее поверхностного слоя больше допустимого значения.

Для оценки обрабатываемости чаще всего используют экономическую скорость резания, т. е. скорость, соответствующую стойкости, при которой достигается минимальная себестоимость обработки (в первом приближении). Например, в единичном производстве при точении на универсальных станках за критерий обрабатываемости обычно принимается скорость резания, обеспечивающая стойкость резца 60 мин (У₆₀), при торцовом фрезеровании используют скорость резания при стойкости 180 мин (У_т). Скорости резания, обеспечивающие наибольшую производитель- ность, как правило, значительно больше скоростей наименьшей себестоимости. Поэтому в целях экономии затрат оценку обрабатываемости резанием ведут по скоростям максимальной производительности, которые для точения примерно соответствуют стойкости 20 мин (У₂о), а для фрезерования — 60 мин (У^).

В справочных и нормативных материалах обрабатываемость обычно указывается не значениями допускаемых скоростей резания, а в виде коэффициента относительной обрабатываемости (К₀). Этот коэффициент определяется как отношение допускаемой скорости резания оцениваемого металла к скорости резания материала, обрабатываемость которого принята за эталон (4=1). ;

В качестве эталона обрабатываемости обычно принимают конструкционную углеродистую сталь 45, прошедшую нормализацию или отжиг и имеющую определенную структуру и механические свойства. Иногда за эталон берут нержавеющую сталь 1Х18Н9Т, обрабатываемость которой мало зависит от термической обработки.

Коэффициенты относительной обрабатываемости для одного и того же металла могут существенно отличаться при работе разными режущими инструментами и использовании различных инструментальных материалов. Например, сильно отличаются коэффициенты относительной обрабатываемости многих металлов при точении быстрорежущими резцами и сверлении быстрорежущими сверлами. Это объясняется различным для разных металлов влиянием на стойкость сверл стесненных условий струж- кообразования, затрудненного стружкоотвода, неблагоприятных геометрических параметров и вибраций, возникающих вследствие пониженной жесткости сверл. Значительно отличаются ко-

эффициенты относительной обрабатываемости разных металлов при обработке резанием с различными толщинами среза и СОТС из-за разного влияния толщины среза и среды на температуру резания, а также размеры и устойчивость нароста.

Поскольку обрабатываемость, по существу, характеризует определенные свойства не только обрабатываемого, но и инструментального материала, то наиболее надежно ее можно оценить только экспериментально. Разработано несколько методов определения обрабатываемости металлов резанием. Так, при точении резцами из быстрорежущей стали за основную характеристику обрабатываемости принята скорость резания 60 м/мин (К₆₀), а в качестве дополнительных — сила резания и шероховатость обработанной поверхности.

После выбора инструментального материала и конструкции резца эксперименты по определению обрабатываемости проводятся в такой последовательности. Вначале устанавливаются экспериментально рациональные значения переднего у и заднего а углов резца. Затем проводятся эксперименты и устанавливается зависимость стойкости инструмента (Т) от скорости резания (V) при определенном сечении среза (/=2 мм, 5= 0,5 мм/об), из которой определяется скорость резания К₆₀, соответствующая стойкости Т- 60 мин. Для этого проводятся стойкостные испытания при нескольких различных скоростях резания до принятого критерия износа инструмента Н_г Многочисленными исследованиями установлено, что при прочих равных условиях (постоянстве других факторов) стойкость режущего инструмента связана со скоростью резания экспериментальным соотношением

ТУ"¹ =С=СОП5! или

_Т=_С_

' Л?»’Ь* :г ' ■'' - ’»- у^т' ’ Т^т * ■

где С — некоторый постоянный коэффициент; т_х — показатель степени при скорости резания; т = —, С_у= С^т.

ГП\

^: Для определения значений Сит результаты экспериментов наносят на график в виде точек в прямоугольной логарифмической системе координат (рис. 8.1). По экспериментальным точкам методом наименьших квадратов или методом нулевых сред-

Рис. 8.1. Типовая зависимость стойкости инструмента от скорости резания в логарифмической системе координат

них проводится прямая линия \%Т = 1§С -/я, \%У и находятся значения Си /я, =|1§а'|.

Этот метод отличается большой трудоемкостью и металлоемкостью, поскольку требует проведение большого числа длительных экспериментов. Поэтому в производственных условиях чаще используют метод торцового точения, при котором образец точится по торцу от центра к периферии. При постоянной частоте вращения образца скорость резания непрерывно возрастает и при некотором диаметре наступает затупление резца. Торцовое точение производят при разных частотах вращения образца и результаты эксперимента представляют в виде графика \&п—\%К (в логарифмической системе координат), где К — радиус образца, на котором происходит затупление резца, п — частота вращения образца. Путем соответствующей математической обработки результатов эксперимента определяют значения С и т. Зная значения С и т, по приведенной выше формуле определяют скорость У₆₀.

Аналогичным путем можно установить другой критерий обрабатываемости, например, скорость резания У₂₀, соответствующую стойкости Т= 20 мин, которая характерна для оценки обрабатываемости труднообрабатываемых сплавов.