714

с ртутным токосъемником. Замкнутая электрическая цепь состоит из заготовки–проводника–гибкого вала–токосъемника–милливольтмет- ра–резца–заготовки. Заготовку изолируют от станка для устранения влияния паразитных термопар, могущих возникнуть между отдельными деталями станка. Однако роль паразитных термопар при высокой температуре контактных поверхностей инструмента незначительна, и за счет некоторого снижения точности измерения установку можно упростить, отказавшись от изоляции заготовки, сохранив изоляцию только резца.

Достоинством метода естественной термопары является то, что его легко осуществить не только при точении, но и при сверлении, нарезании резьбы метчиком, строгании, фрезеровании, протягивании и других видах работ. Для перевода показаний миливольтметра в градусы Цельсия естественная термопара должна быть предварительно подвергнута специальной тарировке. В электропечь помещают тигель с расплавленным металлом, имеющим низкую температуру плавления: свинцом, оловом, сурьмой, сплавом Вуда и т.п.; стержни из обрабатываемого и инструментального материалов опускают на одинаковую глубину в расплавленный металл, а к их концам присоединяют милливольтметр, применяемый в опытах по измерению температуры при резании. Между стержнями помещают контрольную термопару, гальванометр которой проградуирован в градусах. Нагревая и охлаждая расплавленный металл, сравнивают показания милливольтметра в милливольтах и гальванометра в градусах и строят тарировочный график мВ – θ °С.

Большим неудобством при применении метода естественной термопары является необходимость новой тарировки термопары при изменении материалов детали или инструмента.

Оптический и радиационный методы. Оптические пиромет-

ры для измерения температуры резания применяются при скоростной обработке металла, когда стружка и резец нагреваются весьма сильно вплоть до светлого каления. Однако опыт использования этого метода недостаточен, чтобы можно было делать определенные выводы.

161

Стационарный инфракрасный пирометр применяется для бесконтактного измерения температуры неметаллических или окрашенных (анодированных) металлических объектов или металлических объектов с покрытием в диапазоне от 0 до 500 °С (рис. 88).

Рис. 88. Инфракрасный бесконтактный пирометр IN3000

Данный пирометр имеет фиксированную установку коэффициента излучения 95 % и оптическое соотношение (соотношение расстояния до объекта контроля и диаметра области измерения) 5:1. Эти характеристики в сочетании с временем отклика 300 мс позволяют решать различные задачи измерения (рис. 89).

Рис. 89. Схема инфракрасного пирометра (слева) и параметры измеряемого объекта (справа)

162

Упрочненная конструкция пирометра гарантирует высокую безопасность даже в неблагоприятных промышленных условиях. Также имеется версия пирометра IN 3000 со встроенным блоком воздушной продувки.

Область применения пирометров IN 3000: окрашенные металлы, металлы с покрытием, анодированные металлы. Некоторые характеристики: 3 диапазона измерения температуры, 3 выхода: 10 мВ/°С, термопара типа J или K, невысокая стоимость, корпус из нержавеющей стали с резьбой PG11, простая установка и подключение, малые размеры, рабочая температура окружающего воздуха до 70 °С без охлаждения. Этот пирометр в большей степени удовлетворяет требованиям исследования температуры резания: невысокая стоимость, простота установки и подключения, малые размеры, возможность подключения к прибору «Камертон» и т.д. Но недостатком является узкий диапазон измеряемой температуры: от 0 до 500 °С. Ведь температура в зоне резания может достигать при скоростной обработке 800 °С, а на поверхности трения по передней грани – даже 1200 °С и выше.

3.1.4. Зависимость температуры резания от условий обработки

При рассмотрении вопроса о влиянии различных факторов на среднюю температуру контакта речь будет идти о температуре, измеренной естественной термопарой. Как правило, температура на передней поверхности резца выше, нежели на задней. Однако температура изношенного резца часто выше, чем на передней.

При обработке аустенитных сталей и сплавов температура в 1,5–2 раза выше, чем при обработке конструкционных сталей.

При обработке жаропрочных сталей и сплавов температура еще выше, так как помимо высоких прочностных свойств эти материалы, как правило, обладают и низкой теплопроводностью.

Чем ниже теплопроводность инструментального материала, тем выше температура резания. Например, минералокерамика имеет теп-

163

лопроводность ниже, чем твердосплавные инструменты, а поэтому температура при работе с минералокерамикой будет выше.

Твердые сплавы группы ТК имеют температуру выше, чем резцы из ВК, так как титан имеет низкую теплопроводность.

Из элементов режима резания наибольшее влияние оказывает скорость резания (рис. 90, 91). Однако температура резания повышается с увеличением скорости непропорционально, поскольку с ростом скорости V уменьшается пластическая деформация, а следовательно, и количество тепла, образующегося в результате деформации.

б

Рис. 91. Температурное поле зоны резания при сверлении с различными скоростями резания (расчет методом конечных элементов); радиус режущей кромки 4 мм; глубина резания 5 мм: а – скорость резания 1,2 м/с; б – скорость резания 2,4 м/с

– 20 °C; – 300 °C; – 600 °C

164

Tемпература резания повышается также непропорционально глубине резания t и подаче S. С увеличением t увеличивается работа резания, а следовательно, и количество тепла, но одновременно с этим увеличивается активная длина режущей кромки инструмента, что улучшает теплоотвод.

С увеличением подачи S увеличивается количество тепла, но рост силы отстает от роста подачи. Кроме того, с увеличением S увеличивается ширина контакта с передней поверхностью, что улучшает условия теплоотвода. Следует отметить, что глубина резания t больше, чем S, влияет на температуру. Это объясняется тем, что с увеличением t теплоотвод лучше, чем с увеличением S. Этот факт лежит в основе II закона резания: «С точки зрения температурного ре-

жима работать нужно на больших глубинах, даже за счет сниже-

ния подачи». Поэтому выбор режимов резания начинают с глубины резания t.

3.1.5. Эмпирическая формула для расчета температуры резания

Обобщенная формула зависимости температуры от режимов резания имеет следующий вид:

θ = СθV x S у t z , °С.

Причем х > у > z, а переменная х никогда не равна 1, х < 1. Коэффициент Сθ зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, геометрических параметров инструмента, применяемых СОТС.

3.1.6. Понятия об оптимальной температуре резания

Оптимальная температура резания (контакта) – это температу-

ра, при которой наблюдается наименьшая интенсивность износа инструмента (рис. 92). Оптимальная температура зависит от свойств как обрабатываемого, так и инструментального материалов.

165

Например, при обработке сталей 40 ХНМА, ЭИ736 и ЭИ654 резцом Т14К8 значение оптимальной температуры резания θо составляет соответственно 820, 770 и 930 °С, а при обработке стали X18Н9Т резцами ВК8, ВK2

и Т14К8 – 785, 800 и 850 °С.

Определенное влияние на температуру резания оказывают и геометрические параметры инструмента.

С увеличением ϕ происходит уменьшение рабочей длины лезвия – теплоотвод ухудшается, в результате температура растет, и наоборот (рис. 93, а).

Увеличение радиуса резца при вершине R способствует увеличению рабочей длины лезвия – улучшается теплоотвод, что приводит

Рис. 93. Зависимость температуры резания θ от главного угла в плане ϕ, радиуса при вершине резца R и угла резания δ

к снижению температуры резания θ (рис. 93, б). С увеличением угла резания δ температура резания растет (рис. 93, в).

Увеличение площади поперечного сечения стержня резца приводит к снижению температуры резания за счет лучшего теплоотвода.

166

3.2. Смазывающе-охлаждающие технологические средства

Одним из наиболее простых и доступных путей интенсификации процесса механообработки является увеличение режимов обработки. Наибольший эффект в этом случае дает увеличение толщины срезаемого слоя. Но при этом приходится существенно снижать скорость резания для сохранения заданного периода стойкости. Исключить эти ограничения возможно, если при резании использовать сма- зочно-охлаждающие технологические средства.

СОТС являются одним из наиболее важных переменных факторов состояния системы резания. За счет изменения состава и состояния СОТС можно эффективно осуществлять глубокие и многосторонние изменения параметров функционирования системы резания.

Применение эффективных СОТС выдвигают на первый план всякий раз, когда создают или совершенствуют существующие методы обработки резанием в целях обеспечения резкого повышения режима резания, что сопровождается соответствующим увеличением объема сжимаемой стружки в единицу времени. В этих случаях СОТС играют роль, с одной стороны, фактора, снижающего интенсивность силовых и тепловых нагрузок на режущий инструмент и обрабатываемую деталь, а с другой стороны – средства, позволяющего своевременно удалять из зоны резания образующуюся стружку

ипродукты износа инструмента. Таким образом, СОТС являются органическим элементом комплекса средств, обеспечивающих эффективную эксплуатацию металлообрабатывающего оборудования

иосвоение новых прогрессивных методов и технологических процессов обработки металлов. Являясь одним из наиболее важных переменных факторов состояния системы резания, СОТС оказывают глубокое и многостороннее влияние на все показатели ее функционирования.

167

3.2.1. Требования, предъявляемые

ксмазочно-охлаждающим жидкостям

Смазочно-охлаждающая жидкость представляет собой комбинацию материалов, подаваемых к инструменту и заготовке, основной функцией которой является смазка, охлаждение и удаление стружки из зоны резания. Однако существует и ряд других требований, которые должны быть выполнены, если мы хотим обеспечить оптимальные рабочие характеристики смазочно-охлаждающей жидкости, используемой при обработке металлов.

Перечислим эти требования.

1.Быстрое проникающее действие. Для обеспечения оптималь-

ного охлаждающего действия жидкость должна иметь способность легко проникать в пространство между стружкой и инструментом. Чем меньше поверхностное натяжение, тем лучше. На практике СОЖ должны иметь поверхностное натяжение порядка 30…40 дин/см.

2.Хорошее смазывающее действие. Это требование идентично требованию быстрого охлаждающего действия. Низкая величина поверхностного натяжения СОЖ содействует лучшему проникновению смазочных веществ между стружкой, инструментом и заготовкой.

3.Осаждение шлама. Осаждение шлама является важной характеристикой жидкости, в особенности при определенных видах работ. Например, при шлифовании частицы металла и абразива должны осаждаться на дно резервуара, откуда их можно легко удалить. Они не должны циркулировать вместе с СОЖ, так как это ведет к износу деталей станка и уменьшает срок службы круга, а также ухудшает чистоту обработки поверхности. С другой стороны, слишком быстрое осаждение может привести к тому, что шлам осядет на станине станка.

4.Стабильность. Для того, чтобы обеспечить наивысшую производительность и качество продукции СОЖ должна быть стабильной в воде, иначе говоря, поддерживать стабильный химсостав. Сегодня стало возможным выбрать СОЖ, которая остается стабильной

вочень жесткой воде.

168

5.Коррозионная стойкость. Смазочно-охлаждающие жидкости должны защищать обрабатываемые детали и станки от коррозии как во время самой металлообработки, так и во время коротких межстаночных интервалов в процессе производства. Существуют продукты, специально предназначенные для снижения коррозии как черных, так и цветных металлов (ингибиторы коррозии – вещества, препятствующие появлению коррозии); некоторые СОЖ сами обеспечивают достаточную антикоррозионную защиту цветных или черных металлов.

6.Устойчивость к бактериальному поражению. Смазочно-

охлаждающие жидкости должны хорошо противостоять появлению бактерий. Они должны содержать безопасные и эффективные бактерициды, которые контролируют размножение микроорганизмов, попадающих в СОЖ вместе с водой, смазочным маслом, используемым

встанке, с обработанных деталей и т.д.

7.Отсутствие нежелательных осадков. Смазочно-охлаждаю-

щие жидкости не должны образовывать или содействовать появлению нежелательных отложений на деталях или станках. Твердые или липкие отложения препятствуют перемещению деталей станка и резко отрицательно влияют на точность обработки поверхности. С другой стороны, мягкие и маслянистые отложения также весьма нежелательны, так как они захватывают пыль, частицы металла и абразивные частицы.

8.Минимальное пенообразование. Пенообразование считается нежелательным свойством СОЖ. Пена поддерживает частицы шлама, рециркулирует грязь и таким образом может испортить чистоту поверхности обрабатываемой детали. Кроме того, избыточное пенообразование ведет к ускоренному росту количества бактерий и переполнению резервуара жидкости, что влечет за собой необходимость дополнительной чистки станка и резервуара, может отрицательно сказаться на безопасности труда.

9.Противопожарная безопасность. Смазочно-охлаждающие жидкости не должны дымиться или воспламеняться.

169

10. Экологическая безопасность. Смазочно-охлаждающие жид-

кости должны быть чистыми и безопасными в обращении с точки зрения дерматологии и токсикологии. Безопасные продукты улучшают условия труда.

3.2.2. Классификация смазочно-охлаждающих технологических средств

Современные СОТС – это сложные многокомпонентные системы. Однако процессы обработки металлов резанием характеризуются исключительно большим многообразием, обусловленным обширной номенклатурой обрабатываемых и инструментальных материалов, спецификой конкретных операций, характером и масштабом производства. Поэтому СОТС и методы их применения, высокоэффективные для одной группы обрабатываемых материалов и операций, могут быть малоэффективными для других, а подчас оказывать и вредное воздействие на процесс резания и стойкость. Среди жидкостей выделяют две основные группы: масляные СОЖ (основной компонент – масло) и водные (основа приготовления – разбавление водой). В свою очередь водные делятся на эмульсии, полусинтетические и синтетические продукты. Применение СОТС способствует снижению температуры резания; оно приводит к уменьшению внешнего трения и охлаждению зоны резания.

Как показали исследования проф. Ребиндера, СОТС, проникая в трещинки и поры металла, производят охрупчивание метала в зоне резания, а для хрупкого металла меньше усадка стружки, меньше сила резания, меньше выделяемое количество теплоты, ниже и температура резания. Кроме того, применение СОТС препятствует наростообразованию, и в этом отношении в ряде случаев изменяют условия трения на различных участках передней поверхности инструмента. Применение СОТС в среднем снижает температуру резания на 80…120 °С. Следует отметить, что вид использования СОТС оказывает существенное влияние на температуру (рис. 94).

170