7.3. Методы повышения обрабатываемости материалов
Повышение обрабатываемости материалов применением смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС).Использование СОТС при обработке материалов резанием повышает стойкость режущего инструмента, уменьшает силы резания, улучшает качество обработанной поверхности детали, а следовательно, и ее эксплуатационные характеристики. Применение технологических сред – одно из основных направлений интенсификации процесса механической обработки различных материалов.
Функциональные свойства технологических сред.Большинство операций механической обработки осуществляется с применением СОТС. При резании СОТС оказывают смазочное, охлаждающее и моющее действие. Подсмазочным действием понимаются способность СОТС образовывать на контактных поверхностях инструмента, на стружке и детали прочные пленки, полностью или частично предотвращающие соприкос-новение передней поверхности со стружкой и задних поверхностей с поверхностью резания.
Охлаждающее действиеСОТС заключается в основном в отборе тепла от находящихся в контакте нагретых поверхностей инструмента и поверхностей обрабатываемой детали за счет конвективного теплообмена. Охлаждающее воздействие СОТС проявляется в снижении температуры в зоне резания, т.е. температуры нагрева инструмента и детали.
Большое значение придается также моющему действию технологической жидкости. Под моющим действиемСОТС понимают способность жидкостей удалять продукты изнашивания с поверхности резания и контактных поверхностей инструмента. Моющее действие СОТС улучшается со снижением поверхностного натяжения жидкости. Необходимо отметить, что при малом поверхностном натяжении молекулы жидкости обволакивают мелкие частицы стружки и продукты изнашивания инструмента, предотвращая их слипание. Моющее действие СОТС проявляется в уменьшении абразивного изнашивания инструмента и снижении параметров шероховатости на чистовых операциях..
Большое внимание уделяется также режущему действие СОТС в плане облегчения процесса резания мптериалов. Режущее действие вызывается совокупностью физических явлений, основанных на эффекте П.А. Ребиндера. Этот эффект заключается в изменении механических свойств твердых тел под влиянием воздействия на них поверхностных физико-химических процессов. Проникая в микротрещины, образующиеся в процессе пластического деформирования материала, поверхностно-активные вещества технологических жидкостей снижают предел текучести на сдвиг за счет образования поверхностных пленок и создания расклинивающего давления (рис. 7.1). Например, добавка к чистой воде около 1% стеариновой кислоты или натриевого мыла почти в два раза облегчает процесс резания.
Рис. 7.1. Эпюра расклинивающих напряжений в микротрещине
Технологические свойства СОТС.Применение при резании металлов СОТС уменьшает силу резания, улучшает качество обработанной поверхности и повышает стойкость режущих инструментов. Вот такое воздействие СОТС на все технологические показатели процесса резания и называют технологическими свойствами СОТС.
Составы и способы применения СОТС.Существующие смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС), применяемые при резании металлов, можно разделить на несколько групп.
1. 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, 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 прогрессивных СОТС сложного состава, например, таких, как 5…10% Укринол-1, 5…10 % Аквол-3, 5…8% Р3-СОТС8, МР-4 и др.
2. Газообразные вещества: а) газы (СО2, азот, воздух и др.); б) пары поверхностно-активных веществ; в) распыленные жидкости и пены.
3. Твердые вещества: порошки мыл и парафина, петролатум, битум, воск, графит, дисульфид молибдена и др. В некоторых случаях твердые смазки наносятся непосредственно на поверхности режущих инструментов, но чаще применяются в виде добавок к СОТС.
Эффективность применения СОТС и экономические показатели ее использования в значительной степени определяются способом ее подвода в зону обработки. Самое широкое распространение получила подача СОТС поливом под давлением 0,02…0,03 МПа, что объясняется в первую очередь простотой реализации способа. Его эффективность зависит от расхода СОТС, размеров, формы и траектории струи. Последняя в любом случае должна перекрывать всю зону контакта инструмента с заготовкой.
Подача СОТС под давлением0,1...2 МПа через сопловые насадки применяется в целях увеличения расхода СОТС, проходящей через зону обработки, и вымывания из этой зоны стружки. Последнее особенно важно для автоматизированного оборудования. Разновидностью подачи СОТС под давлением является струйно-напорный способ. В этом случае тонкую струю СОТС направляют в зону контакта инструмента с заготовкой со стороны задней поверхности лезвия. Эффективность подачи СОТС поддавлением значительно выше, чем при поливе, однако этот способ значительно сложнее и дороже. При таком виде охлаждения период стойкости резцов из быстрорежущей стали возрастает в 3–7 разпо сравнению с использованием обычного охлаждения и в 10–20 раз по сравнению с точением всухую. Применение высоконапорного охлаждения при обработке резцами, оснащенными твердым сплавом, менее эффективно. Период стойкости таких резцов возрастает лишь в 1,5 раза по сравнению с обычным охлаждением.
При использовании станков с ЧПУ и ГПС широкое распространение получила подача СОТС в распыленном состоянии. В этом случае СОТС с помощью сжатого воздуха распыляется на мельчайшие капельки и вместе с воздухом в виде тумана с большой скоростью (до 250...400 м/с) подается в зону резания. Расход жидкости очень мал. Период стойкости инструмента в этом случае повышается в 2…6 раза по сравнению с обычным охлаждением. направления струи. Распыленная жидкость при этом оказывает наибольший охлаждающий эффект по сравнению с остальными способами охлаждения, так как смесь жидкости и воздуха расширяется при выходе из сопла охлаждающей установки. При этом ее температура снижается до 3...12 °С. При обработке отверстий осевыми инструментами широко применяется подача СОТСпод давлением через каналы в теле инструментас выходом в зону резания.
При этом, даже при обработке высокопрочных сталей скорость резания увеличивается на 25...40%. Для подачи жидкости через внутренние каналы вращающихся инструментов применяются специальные патроны. Период стойкости сверл с внутренним подводом СОТС повышается в 3...10 раз по сравнению с обычными.
Аналогичные явления наблюдаются при подаче СОТС через поры и каналы в шлифовальном круге за счет действия центробежных сил.
Резание с нагревом заготовки. Одним из средств улучшения обрабатываемости резанием является искусственный подогрев материала срезаемого слоя заготовки до определенной температуры, так называемое терморезание. Этот метод обработки эффективен прежде всего для обработки сталей и сплавов высокой прочности, тугоплавких материалов, а также нержавеющих и жаропрочных материалов.
Способы нагрева заготовок можно разделить на две группы: способ сплошного нагрева и способ локального нагрева. Сплошной нагрев материала заготовки осуществляют в печах; его недостатками являются необходимость установки печей в механических цехах, применение средств защиты станков от теплового воздействия, трудности, связанные с перемещением и закреплением заготовок. Поэтому наиболее целесообразным является использование тепла предыдущей заготовительной операции (отливки, штамповки, прокатки).
К способам локального нагрева заготовкиотносятся индуктивный, электродуговой, электроконтактный. Наиболее распространен способ индуктивного нагреватоками повышенной и высокой частот.Электродуговой нагрев обеспечивает высокую температуру и локализацию нагрева, однако широкого промышленного применения не получил.Электроконтактный нагрев осуществляют введением электрического тока через инструмент или установкой специальных стержневых или вращающихся электродов. Применяютплазменный,илилучевой нагрев,а также способлокального нагрева в электролите(рис. 7.2). В этом случае через электролит (25-%-й водный раствор К2СО3), поступающий через специальную трубку, пропускают электрический ток повышенного напряжения (более 140 В). Установка монтируется на суппорте станка и перемещается вместе с ним, безопасность эксплуатации обеспечивается предохранительным щитом. Последний способ обладает рядом достоинств: независимость степени нагрева от магнитных свойств материала заготовки, возможность нагрева заготовок с черной и неровной поверхностью, обеспечение защиты от воздействия внешней среды. Безокислительность нагрева обусловлена образованием в зоне смачивания сплошной газовой оболочки, состоящей из водорода и положительных ионов металлов, входящих в состав электролита. Электрические разряды, наблюдаемые в оболочке, происходят по отдельным ярко светящимся каналам различной формы. Эти электронные и ионные лавины повышают давление и температуру (3500 °С).
Рис. 7.2. Схема установки для локального нагрева заготовки
Предварительный нагрев плазменной горелкой, устанавливаемой в резцедержателе токарного станка, успешно применяется для обработки крупногабаритных деталей из высокопрочных материалов. Обработка производится на глубинах резания до 5 мм и подачах до 0,5 мм/об. Применение нагрева при резании ограничивается интенсификацией износа рабочих граней инструментов. Поэтому введение предварительного нагрева улучшает обрабатываемость в тех случаях резания, когда увеличение стойкости инструмента вследствие снижения удельной работы резания больше, чем отрицательное воздействие повышенных температур на увеличение интенсивности явлений схватывания и износа инструмента.
Применение предварительного нагрева повышает стойкость инструмента в том случае, если при его использовании в процессе резания увеличивается разница твердости обрабатываемого материала и контактной твердости инструмента, т.е. разупрочнение обрабатываемого материала превалирует над разупрочнением рабочих поверхностей инструмента. При работе быстрорежущим инструментом эта разница обычно уменьшается, поэтому резание с нагревом в этом случае не применяют. При работе инструментом, оснащенным твердым сплавом, она увеличивается; при этом степень увеличения для закаленных сталей больше, чем для отож-женных. Этим объясняется целесообразность применения резания с предварительным подогревом для твердых закаленных сталей, поскольку интенсивность адгезионного износа1снижается с ростом температуры.Напротив, интенсивность диффузионного износа Т непрерывно растет с увеличением температуры нагрева.