4.5 Смазочно-охлаждающие технологические среды (сотс)

Изучение закономерностей влияния технологических сред на физико-механические свойства и прочностные харак­теристики конструкционных материалов, а также на параметры технологических процессов их обработки имеет большое значе­ние для решения ряда научных и инженерных проблем.

При воздействии на зону резания различных сред проис­ходит целый ряд сложных, находящихся во взаимосвязи и взаимозависимости физико-химических процессов, например, таких, как адсорбция, коррозия под напряжением, газонасыще­ние, возникновение поверхностных трещин, охлаждение или нагрев всей системы или ее локальных участков, облучение элементарными частицами, электрические процессы и многие другие явления. Среда может оказывать значительное влияние на интенсификацию процессов резания труднообрабатываемых материалов. Например, воздействие ультразвуковых колебаний, применение смазочно-охлаждающих веществ, обработка в элек­трических и магнитных полях, обработка в вакууме и нейтраль­ных средах, а также в жидкометаллической среде.

Теплота, идущая в инструмент и деталь, активизирует адгезионные и диффузионные процессы на контактных поверх­ностях, изменяет условия протекания контактных процессов. Все это приводит к увеличению износа инструмента, снижению точности обработки и повышению шероховатости обработан­ной поверхности.

Для повышения стойкости инструментов необходимо сни­зить общую тепловую напряженность процесса резания и обес­печить интенсивный отвод теплоты от нагретых участков зоны резания и режущего инструмента. Так как основным источни­ком образования теплоты является механическая энергия, то прежде всего необходимо уменьшать работу деформации и трения. Трение, затормаживающее контактные слои металла при движении его по передней поверхности инструмента, приводит к изменению направления сдвигов, а следовательно, и к увеличению общей работы пластических деформаций.

Смазочное действие является суммарным эффектом взаимодействия внешней среды (жидкости, газы), окружающей зону резания, с нагретыми контактирующими поверхностями инструмента и обрабатываемого материала.

Обладая смазывающими свойствами, жидкости снижают трение стружки о переднюю поверхность инструмента и задних поверхностей инструмента о заготовку. Одновременно снижается работа деформирования. Общее количество теплоты, выделяющейся при резании, уменьшается. Смазочно-охлаждающие среды отводят теплоту во внешнюю среду от мест ее образования, охлаждая режущий инструмент, деформируемый слой и обработан­ную поверхность заготовки. Смазывающее действие сред препят­ствует образованию наростов металла на поверхностях инструмента, в результате чего снижается шероховатость обработанных поверх­ностей заготовки.

При резании на контактных площадках возникают давления порядка 1...3 ГПа и температуры, близкие к температурам плавления. Это в значительной степени затрудняет попадание смазочных веществ на контактные поверхности. Но так как трущиеся поверхности обычно имеют значительную шерохова­тость, то в местах соприкосновения выступов давления очень велики, а в пустотах образуется вакуум. Частицы смазочных веществ засасываются в пустоты и проникают в микротрещины. Проникающее действие среды связано с явлениями капиллярно­сти и адсорбции. На контактных поверхностях появляется смазочная пленка. Вещество, из которого состоит пленка, образуется в процессе кон тактирования трущихся поверхностей.

Физико-химическая природа воздействия смазочно-охлажда­ющих веществ (СОВ) при резании значительно отличается от механизма смазки при работе деталей машин. При резании тончайшие слои смазочной пленки, соизмеримые с величиной молекул, образуются в результате взаимодействия контактных поверхностей с окружающей средой в условиях граничного трения. Следовательно, эффективность действия смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) зависит не только от ее физико-химических свойств и способов применения, но и от свойств инструментального и обрабатываемого материалов. В неко­торых случаях нагретые контактные поверхности оказывают каталитическое действие и температура начала разложения СОЖ снижается. При контактных температурах порядка 500 °С происходит активное термическое разложение (пиролиз) угле­водородов СОЖ и их эффективность значительно снижается. При резании на больших скоростях может происходить полимеризация углеводородов и образование элементов тве­рдой смазки. Большое смазочное действие оказывает кислород воздуха, ускоряющий окислительные процессы углеводородов, имеющихся в СОЖ. Смазочные вещества подбирают так, чтобы пленка имела низкое сопротивление сдвигу, высокую температуру плавления, обладала прочным сцеплением с тру­щимися поверхностями и образовывалась очень быстро.

Для активизации действия к смазкам добавляют химические вещества, содержащие фосфор, серу, хлор и йод. Под влиянием высоких температур и давлений эти присадки образуют с материалом контактных поверхностей соединения, понижа­ющие трение—фосфиды, хлориды, сульфиды и дийодиды. При резании жаропрочных и титановых сплавов йод, добав­ленный в СОЖ, при соприкосновении с нагретой не окисленной контактной поверхностью вызывает реакцию и приводит к образованию тонкого антифрикционного слоя пластинчатого дийодида, значительно снижающего силу трения.

Основную роль в снижении теплонапряженности процесса резания играют охлаждающие способности различных веществ и способы их подвода в зону резания. Охлаждающие вещества должны обладать высокой теплопроводностью и объемной теплоемкостью, значительной скрытой теплотой парообразова­ния и низкой вязкостью. Действие охлаждающей среды при резании сопровождается конвективным теплообменом, способ­ствующим снижению температурных деформаций и повышению стойкости инструмента, а также испарением и излучением.

Помимо охлаждающе-смазочного действия активные молеку­лы жидкостей, проникая в микротрещины поверхностного слоя материала, адсорбируются на поверхностях трещины, оказыва­ют расклинивающее действие («эффект Ребиндера») и тем самым могут способствовать разрушению поверхности срезаемого слоя. Этот процесс существенно связан с кинетикой зарождения и развития разнообразных дефектов структуры, дислокационны­ми конфигурациями, с микронеоднородностью пластического течения и другими процессами. Например, характерная особен­ность разрушения тугоплавких сплавов при контакте с адсорбционно-активными средами — распространение трещин происходит в основном по границам зерен, а не по телу зерна.

Многочисленными исследованиями установлено, что эффекты адсорбционного снижения сопротивления деформированию и разрушению могут проявляться при резании любых твердых тел (кристаллических, аморфных, сплошных и пористых материа­лов, металлов, полупроводников и диэлектриков, ионных и молекулярных монокристаллов и др.). При резании подобное диспергирующее влияние СОЖ происходит в основном при снятии тонких стружек (а < 0,2 мм) и на малых скоростях резания.

При резании хрупких материалов и при абразивной об­работке важным является вымывающая способность СОЖ, т. е. удаление жидкостью мелких частиц стружки и продуктов износа. Для этого СОЖ должна обладать высокой поверх­ностной активностью, хорошо смачивать твердые частицы и образовывать вокруг них поверхностные пленки.

Существующие смазочно-охлаждающие технические средства, применяемые при резании, можно разделить на несколько групп.

I. Жидкости: а) водные растворы мыл, масел и минеральных электролитов, эмульсии (двухфазная дисперсная система, состоящая из жидкостей, не смешивающихся друг с другом);

б) минеральные и растительные масла (сурепные, льняные, касторовые и др.), минеральные масла с добавками фосфора, серы и хлора, сульфофрезолы (осерненные масла), олеиновая кислота, четыреххлористый углерод и др.;

в) керосин и рас­творы поверхностно-активных веществ (ПАВ) в керосине, керосин с добавками растительных масел;

г) масла и эмульсии с добавками твердых смазочных веществ (коллоидный графит, хлорированный парафин, воск, дисульфид молибдена и др.).

При резании труднообрабатываемых металлов и сплавов значительный эффект дает применение СОЖ сложного состава, например, таких, как 5...10% Укринол-1, 5...10% Аквол-3, 5...8% РЗСОЖ8, МР-4 и другие вводные растворы.

II. Газообразные вещества: а) газы (CO2, CC14, азот, воздух и др.);

б) пары поверхностно-активных веществ (ПАВ);

в) распыленные жидкости (туман) и пены.

III. Твердые вещества: а) порошки мыл и парафина, петролатум, битум, воск, графит, дисульфид молибдена, сода, хлористый кальций и др. В некоторых случаях твердые смазки наносятся непосредственно на поверхности режущих инст­рументов, но чаще применяются в виде добавок к СОЖ.

Применяемые в процессе резания СОВ должны оказывать одновременно хорошее смазочное и охлаждающее действия. Лучшими СОЖ являются те, которые наряду с высокими охлаждающими свойствами имеют хорошую маслянистость и вымывающую способность. Так же необходимыми требова­ниями к СОЖ являются: высокая сопротивляемость рассла­иванию и старению, удобство в эксплуатации и хранении, возможность ликвидации отработанных СОЖ и, что наиболее важно, безвредность для обслуживающего персонала и обо­рудования. Эмульсии и водные растворы применяются в ос­новном для обеспечения активного охлаждения. Всевозможные масла и керосин обладают хорошей смачиваемостью и зна­чительно снижают трение. Добавки мелкозернистых порошков поверхностно-активных веществ (ПАВ) повышают эффектив­ность их смазочного действия и увеличивают теплопроводность. Определенный интерес, в особенности при резании труднооб­рабатываемых материалов, представляет охлаждение жидко­стями с пониженной температурой (—5...—20° С). При этом жидкости не должны замерзать и изменять свою вязкость, а также не должны терять своих смазочных свойств. Для подачи низкотемпературных жидкостей в зону резания требу­ются специальные насосно-холодильные установки.

Газообразные вещества обладают не только смазочно-охлаждающими свойствами, но и способностью химического воздействия. В этом случае охлаждающий эффект повышается за счет низкой температуры подаваемой струи газа, а не за счет теплоты парообразования, которая у газов незначительна. При охлаждении газами необходимо строго соблюдать правила техники безопасности. Пары поверхностно-активных веществ, образовавшиеся в результате испарения жидкостей на нагретых поверхностях зоны резания, окутывают режущую часть инструме­нта, проникают в зону контакта и с высокой скоростью реагируют с неокисленной поверхностью стружки. Образуется достаточно прочная смазочная пленка. Свободное испарение жидкостей на нагретых поверхностях происходит со значительным поглощени­ем теплоты. Это явление в наибольшей степени имеет место при охлаждении распыленными жидкостями («туманом»). В специаль­ных смесителях жидкость (вода, эмульсия или масла) и воздух смешиваются под давлением 200...300 КПа и распыливаются на мельчайшие частицы. Далее смесь подается через сопло (скорость на выходе достигает 25... 30 м/с) к зоне резания. Исследования показали, что применение распыления значительно снижает расход охлаждающих жидкостей, повышает чистоту обработанной поверхности и точность обработки, а также повышает стой­кость инструмента.

Охлаждение пеной приме­няется при обработке деталей сложной конфигурации. Охла­ждающая жидкость продува­ется воздухом (давление 0,6 ... 0,7-10⁵ Па) в специальных устройствах. Образовавшаяся пена не разбрызгивается, а об­волакивает зону резания. Не­достатком является более низ­кий смазочно-охлаждающий эффект, чем в предыдущих методах.

Охлаждение газообразными веществами имеет ограниченное применение (например: при обработке заготовок из хрупких металлов, когда образуется стружка надлома) и используется в тех случаях, когда охлаждение жид­костями применять нельзя.

Смазочно-охлаждающие среды по-разному подаются в зону резания. Наибольшее распространение в промышлен­ности получил метод охлаждения свободно падающей струёй («поливом»). Метод прост, но обладает недостатками: малая скорость струи, большой расход (8...12 л/мин), разбрызгивание жидкости, низкое смазочное действие. Также распространена подача жидкости в зону резания через узкое сопло на переднюю поверхность инструмента под давлением 0,05—0,2 МПа. Более эффективно высоко­напорное охлаждение. В этом случае жидкость подают тонкой струёй под давлением 1,5—2 МПа (насадка 00,5...0,7 мм) со стороны задних поверхностей инструмента. Благо­даря высокому давлению частицы жидкости интенсивнее прони­кают в микротрещины и зазоры зоны контакта. Значительная часть жидкости превращается в пар и охлаждает нагретые поверхности. Весьма эффективным является охлаждение распыленными жидкостями — туманом, который подают со стороны задних поверхностей инструмента. В тех случаях, когда охлаждение режущего инструмента затруднено, используют подвод жидкости непосредственно в зону резания через полый режущий инструмент.

Струйное охлаждение значительно повышает стойкость инструментов (в особенности при резании жаропрочных и титановых сплавов), но имеет недостатки: необходимость применения специальных насосов, тщательная очистка СОЖ, необходимость точной регулировки давления струи и ее направления, сильное разбрызгивание жидкости, требующее Применения защитных устройств.

В некоторых случаях, например при сверлении или при резании малопластичных материалов (чугун, бронза, неметал­лические материалы), применяется внутреннее охлаждение ин­струмента. При этом снижается вредное действие СОЖ на организм рабочего и загрязнение рабочего места. Для внут­реннего охлаждения используются только сильно охлаждающие жидкости (например «Фреон-12»), которые прокачиваются по каналам, изготовленным внутри инструмента, или по специ­альным трубкам, вмонтированным в инструмент.

Правильное применение смазочно-охлаждающих веществ позволяет повысить производительность обработки резанием в 2...3 раза, Применение смазочно-охлаждающих средств приводит к тому, что эффективная мощность резания уменьшается на 10—15 %; стойкость режущего инструмента возрастает — в 8...10 раз., обработанные поверхности заготовок имеют меньшую шероховатость и большую точность, чем при обработке без применения смазочно-охлаждающих сред.

В настоящее время металлофизикой накоплена достаточно обширная информация о воздействии жидкометаллических сред на металлы и сплавы. Установлено, что жидкометаллическая среда в зависимости от степени химического родства граничных фаз, энергии смешения и способов дефор­мирования и разрушения может привести к уменьшению предела прочности металла, его быстрому охрупчиванию, к активному трещинообразованию по границам зерен (умень­шению сил межатомных связей, обусловленного адсорбцией атомов жидкого металла на поверхностях и у вершины трещин), нагреву металла и другим физико-химическим явлениям.

Для улучшения обрабатываемости металлов процесс резания можно проводить в жидкометаллической среде. Например, определенный эффект в лабораторных исследованиях был получен при фрезеровании твердосплавными фрезами вольф­рамовых сплавов в расплавах свинца, сплава Вуда и олова. При этом стойкость инструментов повышалась в 5...8 раз.