13.3. Технологические методы повышения обрабатываемости материалов

13.3.1. Резание с применением технологических сред

Общие требования к технологическим средам. Применение при обработке резанием смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) повышает период стойкости 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.

Все виды СОТС, несмотря на конкретные области их применения, должны удовлетворять следующим требованиям:

1) не снижать эксплуатационные характеристики деталей, изготовленных при их применении, прежде всего коррозионную стойкость и прочность;

2) быть устойчивыми при эксплуатации и хранении;

3) не воспламеняться при температурах, сопровождающих про-цесс резания;

4) не оказывать аллергического, дерматического или иного вредного воздействия на организм человека;

5) не выделять в процессе эксплуатации пену, дым, клейкие вещества, не смешиваться с машинными маслами;

6) не оказывать окрашивающего или коррозионного действия на узлы и механизмы станка.

Функциональные свойства технологических сред. Большинство операций механической обработки осуществляется с применением СОТС. При резании СОТС должны оказывать смазочное, охлаждающее и моющее действие. Под смазочным действием понимают способность СОТС образовывать на контактных поверхностях инструмента, на стружке и детали прочные пленки, полностью или частично предотвращающие соприкосновение передней поверхности со стружкой и задних поверхностей с поверхностью резания.

Защитные пленки, образуемые СОТС, по своему происхождению могут быть физическими, химическими и механическими. Физические пленки образуются вследствие молекулярной адсорбции. Условием образования физических пленок является присутствие в СОТС поверхностно-активных веществ, понижающих поверхностное натяжение на границе фаз материал – жидкость. В результате этого повышается металлофильность жидкостей. Химические пленки образуются вследствие хемосорбции, сопровождающейся химической реакцией между СОТС и смазываемыми поверхностями. Условием образования химических пленок является присутствие в СОТС веществ, химически активных по отношению к смазываемому материалу. Механические пленки образуются вследствие содержания в СОТС твердых веществ, заполняющих впадины неровностей, имеющихся на контактных поверхностях инструмента.

В качестве поверхностно-активных присадок применяют олеиновую кислоту, нафтеновую кислоту (асидол), окисленный петролатум и некоторые эфиры. К химически активным присадкам относятся сера, фосфор, четыреххлористый углерод и соединения, содержащие азот. Твердыми присадками служат вещества, имеющие слоистое строение: графит, дисульфид молибдена, сернистый титан, сернистый цинк и др.

Образованные в результате применения СОТС пленки имеют различные свойства. Физические пленки имеют относительно высокое сопротивление сдвигу, но значительно хуже выдерживают нормальные контактные напряжения и отличаются низкой термостойкостью. Химические пленки, наоборот, имеют низкое сопротивление сдвигу, что уменьшает коэффициент трения скользящих пар, но они лучше сопротивляются нормальным контактным напряжениям и выдерживают, не исчезая, более высокие температуры. Механические пленки имеют еще более низкое сопротивление сдвигу и соответственно коэффициент трения.

Физические, химические и механические пленки в различной степени уменьшают силу трения и адгезионное взаимодействие между инструментом и деталью. Это снижает силу резания и уменьшает шероховатость обработанной поверхности. Кроме того, вследствие уменьшения работы резания уменьшается тепловыделение, что приводит к снижению температуры резания.

Охлаждающее действие СОТС заключается в основном в отборе тепла от нагретых контактных поверхностей инструмента и поверхностей обрабатываемой детали за счет конвективного теплообмена. Способность СОТС уносить с собой тепло, соприкасаясь с нагретыми поверхностями, зависит от ее теплофизических свойств: чем ниже кинематическая вязкость, выше теплопроводность и объемная теплоемкость СОТС, тем лучше жидкость отбирает тепло. Теплообмен между нагретыми поверхностями и СОТС зависит также от условий испарения жидкости. Если над нагретой поверхностью образуется непрерывная паровая пленка испаряющейся СОТС, то теплообмен затрудняется. Быстрое и без затруднений происходящее парообразование определяется способностью СОТС смачивать металлические поверхности. Чем лучше смачивающая способность СОТС, тем легче протекает процесс парообразования и улучшаются условия теплообмена. Теплообмен между нагретыми поверхностями инструмента, стружки, детали и СОТС происходит тем интенсивнее, чем холоднее СОТС и выше скорость ее относительного движения. Охлаждающее действие СОТС проявляется в снижении температуры резания и температуры нагрева инструмента и детали.

Под моющим действием СОТС понимают способность жидкостей удалять продукты изнашивания с поверхности резания и контактных поверхностей инструмента. Моющая способность СОТС улучшается со снижением поверхностного натяжения жидкости. 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 высоты шероховатостей на чистовых операциях. Смазочное, охлаждающее и моющее свойства являются основными свойствами СОТС. Помимо этого необходимо отметить режущее действие СОТС. Под режущими свойствами СОТС понимают ее способность облегчать разрыв связей в обрабатываемом материале при внедрении инструмента. Это способствует повышению стойкости инструмента и облегчению процесса резания. Режущее действие вызывается совокупностью физических явлений. К ним, в частности, относится эффект П. А. Ребиндера. Он заключается в изменении механических свойств твердых тел под влиянием на них поверхностных физико-химических процессов. Проникая в микротрещины, которые образуются в процессе пластического деформирования металла, активные жидкости снижают его предел текучести на сдвиг за счет образования поверхностных пленок и создания расклинивающего давления (рис. 13.2). Например, добавка к чистой воде около 1 % стеариновой кислоты или натриевого мыла почти в два раза облегчает процесс резания.

Рис. 13.2. Эпюра расклинивающих напряжений в микротрещине

При попадании поверхностно-активных компонентов жидкос-ти в зону предельно деформированного срезаемого слоя возможно распадение ее на атомы Н, О, N, которые внедряются в кристаллическую решетку наиболее сильно деформированных зерен металла. В результате этого металл упрочняется и переходит в хрупкое состояние. При этом уменьшаются предельная пластическая деформация перед разрушением и удельная работа резания.

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. Достаточно подробно влияние СОТС и методов их подвода на процесс резания, силы и температуру резания, на качество обработанной поверхности рассматривалось в разделах 7, 8, 9, 10, 11 настоящего учебника.

Связь функциональных и технологических свойств СОТС. Рассмотрим эту связь по результатам экспериментальных исследований процесса резания титановых сплавов [21]. Для этого заново соберем все результаты экспериментов по применению СОТС и рассмотрим с точки зрения взаимосвязи функциональных и технологических свойств.

При обработке титановых сплавов резанием в различных средах наблюдается тесная связь функциональных и технологических свойств применяемых СОТС. Так, при точении титанового сплава ВТ14 резцами ВК6М имеет место хорошая корреляция между расположением СОТС по их воздействию на стойкость резцов и температуру резания. Испытания показали, что во всем исследованном диапазоне скоростей резания (V = 50…150 м/мин) раствор NaI обеспечивает максимальные значения стойкости резцов, за ним следует эмульсия ЭТ-2, затем масло «Индустриальное 20». Все три испытанные жидкости, являющиеся представителями трех различных групп СОТС, подаваемые в зону резания обычным поливом, обеспечивают большие значения стойкости инструмента, по сравнению с этими же составами СОТС, но вводимыми в зону обработки в распыленном состоянии.

Температурные исследования этих составов СОТС показывают, что максимальное снижение температуры резания (на 50…72 С) обеспечивает представитель водных растворов, за ним следует 1,5 %-я эмульсия ЭТ-2 (снижение температуры на 33…58 С). Минимальное воздействие на температуру резания оказывает масло «Индустриальное 20», снижающее температуру в исследуемых диапазонах изменения элементов режима резания всего на 13…28 С. Применение всех исследуемых СОТС в виде воздухо-жидкостной смеси обеспечивает несколько меньший эффект по сравнению с этими же СОТС, подаваемыми в зону резания обычным поливом. Так, при точении сплава ВТ14 резцами ВК6М полив масла снижает температуру резания на 20…28 С, в то время как его применение в распыленном состоянии – на 13…20 С, полив эмульсии – на 45…58 С, а ее применение в виде воздухо-жидкостной смеси – на 33…38 С. Антикоррозионная вода, подаваемая поливом, снижает температуру резания в исследованном диапазоне режимов резания на 55…72 , а распыление ее – на 50…59 С.

С целью определения наиболее эффективных СОТС, применение которых обеспечивает максимальное снижение температуры резания и получение максимальной стойкости инструмента, было испытано восемь составов СОТС на масляной основе, шесть различных эмульсий, три водных раствора неорганических солей и поверхностно-активных веществ, а также охлаждение сжатым воздухом. СОТС подавались в зону резания в виде воздухо-жидкостной смеси. Опыты показали, что наибольшее снижение температуры резания на 55…60 С (7 %) обеспечивают синтетические жидкости. Применение этих же СОТС позволяет получить максимальную стойкость резцов (повышение стойкости по сравнению с резанием всухую до четырех раз). Эмульсии уменьшают температуру резания на 40…50 С (5 %) и обеспечивают повышение стойкости резцов в 2,4…3,5 раза. СОТС на масляной основе снижают температуру в наименьшей степени (на 20…30 С, т.е. 3 %) и обеспечивают минимальное повышение стойкости резцов по сравнению с обработкой всухую (в 1,2…2,6 раза). Эти же опыты показывают, что расположение СОТС по эффективности их воздействия на стойкость инструментов практически совпадает с их расположением по воздействию на температуру резания.

Из всего сказанного выше следует, что в условиях непрерывного резания титановых сплавов максимальную стойкость твердосплавных резцов обеспечивают водные растворы неорганических солей и поверхностно-активных веществ, подаваемые в зону резания обычным поливом, т.е. такие СОТС и такие методы их использования, которые обеспечивают максимальное снижение температуры резания. Объясняется это тем, что при точении титановых сплавов проникновение СОТС в зону контакта стружки с инструментом крайне ограничено из-за высоких контактных давлений, отсутствия наростообразования. Высокие смазочные свойства жидкостей на масляной основе в таких условиях не могут проявиться в достаточной мере. В большей степени в данном случае проявляются охлаждающие свойства СОТС. СОТС отводят тепло от зон контакта стружки и детали с инструментом, снижая температуру резания. Это и является решающим фактором, способствующим повышению стойкости резцов в условиях непрерывной обработки титановых сплавов.

При прерывистой обработке титановых сплавов, в отличие от точения, наиболее эффективными оказались масляные СОТС, особенно легированные химически активными присадками, а предпочтительным методом подвода их в зону резания – распыление, т.е. такие СОТС и такие методы их использования, которые обеспечивают максимальный смазочный эффект.

Связь функциональных и технологических свойств СОТС просматривается также и при сопоставлении результатов исследований температурных и силовых зависимостей при резании титановых сплавов в различных средах и качества обработанной поверхности, а также эксплуатационных характеристик деталей, обработанных в этих средах. Особенно ярко эта связь проявляется между температурой резания и остаточными напряжениями в поверхностных слоях титановых сплавов. Исследования показали, что минимальные остаточные напряжения сжатия (_max = –385 Н/мм²) формируются в поверхностных слоях при точении всухую. Применение всех СОТС приводит к увеличению напряжений сжатия. В большей мере сжимающие напряжения увеличиваются при использовании в качестве охлаждения – смазки синтетических жидкостей, увеличивающих сжимающие остаточные напряжения _{ max} в 1,2…1,25 раза. Далее следуют эмульсии, повышающие _{ max} в 1,11…1,2 раза, и СОТС на масляной основе, обеспечивающие увеличение максимальных сжимающих напряжений в 1,1…1,15 раза по сравнению с напряжениями, возникающими при обработке всухую. Рассмотрение результатов исследований образцов из титанового сплава ВТ14, обработанных с различными СОТС при варьировании режимов резания в широком диапазоне, показывает, что все испытанные составы СОТС, подаваемые в зону резания поливом, увеличивают максимальные остаточные напряжения сжатия, глубину их залегания и общую глубину проникновения сжимающих напряжений в большей мере, чем эти же СОТС, используемые в виде воздухо-жидкостной смеси.

Итак, наиболее сильное воздействие на формирование благоприятных сжимающих остаточных напряжений оказывают такие СОТС и методы их подвода, которые за счет своих охлаждающих свойств в наибольшей степени снижают температуру резания. Этому же способствует тот факт, что водные СОТС во всем исследованном диапазоне скоростей резания увеличивают составляющие силы резания, в то время как СОТС на масляной основе (сульфофрезол, В32К) снижают их.

Учитывая область применения титановых сплавов как конструкционного материала, следует отметить особую важность вопроса о влиянии технологических условий (в частности, применения СОТС) обработки деталей из титановых сплавов на их прочностные характеристики. Проведенные исследования говорят о том, что составы СОТС и методы их исследования не дают практически ощутимых изменений характеристик _в, _0,2,  и  образцов из сплава ОТ4, подвергающихся кратковременному растяжению в условиях как нормальных, так и повышенных (300 С) температур.

Заметное влияние СОТС оказывают лишь на предел выносливости при испытаниях на изгиб вращающихся образцов. При температуре испытаний 20 С СОТС повышает предел выносливости, выраженный числом циклов нагружений N при _–1= 305 Н/мм²: масляные СОТС – полив – в 1,7…2,3 раза, распыливание – в 1,4…1,9 раза; эмульсия Р3-СОТС8 – полив – в 3,6 раза, распыливание – в 3,1 раза; СОТС НИАТ – полив – в 4,3 раза, распыливание – в 3,8 раза.

Как видим, водные СОТС увеличивают N в большей степени, чем масла, а полив СОТС – в большей степени, чем их распыливание. При температуре усталостных испытаний 300 С воздействие СОТС, применявшихся при обработке, сказывается на повышении стойкости образцов в циклах при _–1 = 300 МН/м² значительно слабее, чем при нормальных температурах.

Таким образом, все описанные результаты исследований говорят о том, что при точении титановых сплавов существует тесная связь между функциональными и технологическими свойствами СОТС: чем выше охлаждающая способность жидкости, тем больше стойкость режущего инструмента, тем значительнее сжимающие остаточные напряжения формируются в поверхностных слоях обработанных поверхностей, тем больше ресурс работы деталей из титановых сплавов.

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 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 давлением 0,1...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 под давлением 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 раз по 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 получила распространение 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 (до 200...300 м/с) скоростью подается в зону резания. Расход жидкости очень мал. Период стойкости инструмента повышается в 2…4 раза по сравнению с обычным охлаждением свободно падающей струей и в 2 раза – с высоконапорным охлаждением. Кроме того, охлаждение распыленной жидкостью более удобно, так как не требует точного направления струи. Распыленная жидкость оказывает наибольший охлаждающий эффект по сравнению с остальными способами охлаждения, так как смесь жидкости и воздуха расширяется при выходе из сопла и при этом ее температура снижается до 3...12 °С; распыленные частицы жидкости очень малы и, попадая на разогретую поверхность стружки и инструмента, легко испаряются, интенсивно поглощая дополнительное количество теплоты; имея меньшую вязкость, распыленная смесь легко проникает в микротрещины.

При обработке отверстий стержневыми инструментами широко применяется подача СОТС под давлением через каналы в теле инструмента с выходом в зону резания. В результате не только облегчается надежный подвод СОТС к контактным площадкам, но и удаление стружки из этой зоны. Такой способ охлаждения даже при обработке высокопрочных сталей позволяет увеличить скорость резания 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.

Твердые смазочные материалы вводятся в зону резания в результате периодической или непрерывной обмазки рабочих поверхностей инструмента. При шлифовании хорошо зарекомендовали себя круги, пропитанные такими материалами, как сера, углеводородистые и кремнийорганические соединения.