7. Влияние охлаждающих жидкостей на процесс резания и работу инструмента

Возникающие при резании высокая температура и силы трения ускоряют износ режущего инструмента, снижает его стойкость, и ухудшают качество обработанной поверхности. Для уменьшения вредного влияния сил трения и высокой температуры на работу инструмента применяют смазывающе-охлаждающие жидкости. Они, оказывая смазывающие действия, уменьшают внешнее трение и пластическую деформацию, препятствуют образованию нароста и тем самым повышают качество обработанной поверхности. Поглощая выделяющееся при резании тепло, они понижают температуру резания и повышают стойкость инструмента.

В настоящее время почти все операции обработки металлов резанием – точение, сверление, фрезерование, развертывание, протягивание, нарезание зубчатых колес, резьбы и многие другие операции, как правило, производятся с охлаждением. Исключением является строгание и точение на крупных токарных и карусельных станках.

Смазывающее действие жидкости.Молекулы жидкости адсорбируются на поверхности инструмента. В результате адсорбции образуются очень тонкие пленки смазки, которые снижают трение на рабочих поверхностях инструмента, препятствуют охватыванию обрабатываемого металла с инструментом, замедляют его износ. Кроме того, смазка, проникая в микротрещины, имеющиеся в зоне резания, образует там смазочные пленки, уменьшает внутреннее трение и тем самым облегчает скольжение кристаллов.

В результате смазывающего действия жидкости сила резания уменьшается. Например, при точении без смазки сила резания составляет 100%, а в зависимости от состава охлаждающей жидкости изменяется так:

Смазывающая жидкость	Сила резания в %
Вода с содой	97
Эмульсия	90
Минеральное масло	85
Осерненное масло: на минеральной основе	80
на растительной основе	75

Роль смазки особенно сильно проявляется там, где имеется большое трение и снимается тонкая стружка. Например, если при работе резцами смазка может снизить силу резания на 25%, то при работе протяжками – на 35-40, а метчиками – до 50%.

При высоких скоростях резания частицы жидкости не успевают проникать на поверхности контакта. Поэтому смазывающее действие жидкости наиболее сильно проявляется при работе на низких скоростях с малой толщиной среза.

Рис. 20. Способы подачи СОЖ в зону резания: а) свободно падающей струей; б) тонкой струей под давлением; в)

Охлаждающее действие жидкостей.Охлаждающая жидкость, соприкасаясь с горячей стружкой, с нагретым режущим инструментом и обрабатываемой деталью, поглощает и отводит часть тепла из зоны резания. Часть жидкости при этом испаряется, поглощая тепло. Таким образом, охлаждающее действие жидкости зависит от ее теплопроводности, теплоемкости и скрытого тепла испарения.

Если смазывающее действие жидкостей наиболее сильно проявляется при тонкой стружке и низких скоростях резания, то охлаждающее действие – при больших размерах среза.

Способы охлаждения режущих инструментов.Эффективность охлаждения зависит не только от состава и свойств жидкости, но и от способа ее подвода к зоне резания, скорости резания, толщины среза.

В настоящее время наряду с обычным способом наружного охлаждения свободно падающей струей жидкости, применяются внутреннее охлаждение инструмента и новые способы охлаждения: высоконапорное (тонкоструйное) охлаждение и охлаждение тонкораспыленной жидкостью. Кроме того, разработаны и другие виды охлаждения: охлаждение жидкостью низкой температуры, жидкой углекислотой, углекислым газом, сжатым воздухом.

Охлаждение свободно падающей струей.При этом обычном, самом распространенном способе охлаждения жидкость, имеющая температуру 18-25С, в количестве 20 л/мин насосами подается к месту резания.

Свободно падая на стружку в месте ее отделения от детали (при точении) или же на вращающийся инструмент (например, при фрезеровании), жидкость попадает в зону резания, охлаждает стружку, инструмент и обрабатываемую деталь; при этом средняя температура в зоне резания понижается на 50-100С, а стойкость инструмента, в зависимости главным образом от материала детали и скорости резания, повышается в 2-4 раза. При высоких скоростях резания эффективность этого способа охлаждения незначительна, поэтому при работе инструментом с пластинкой твердого сплава этот способ не применяется.

Из-за малой скорости подачи жидкости (0,2-1,5 м/сек) интенсивность охлаждения при этом способе сравнительно небольшая. Однако из-за простоты его он находит самое широкое применение. (Рис.20,а)

Высоконапорное (тонкоструйное) охлаждение.При этом способе охлаждения тонкая струя жидкости через сопло диаметром 0,2-0,6 мм под высоким давлением (15-20 кГ/см, или 147-196 Мн/м), подается к режущим кромкам резца со стороны задней поверхности. Перемещаясь с большой скоростью, струя жидкости проникает в зону наиболее интенсивного трения на передней и задней поверхностях, отчего эффективность охлаждающего и смазывающего действия ее сильно повышается. По сравнению с обычным способом охлаждения стойкость быстрорежущих резцов повышается от 3 до 7 раз, а твердосплавных – примерно в 1,5 раза (Рис. 20,б).

Охлаждение тонкораспыленной жидкостью.Этот способ охлаждения состоит в том, что жидкость, распыленная при помощи воздуха на мельчайшие частицы в виде тумана, поступает в зону резания со стороны задней поверхности. Соприкасаясь с горячей стружкой, резцом и обрабатываемой деталью, жидкость быстро испаряется, интенсивно поглощая значительное количество тепла, выделяющегося при резании. Молекулы же воздуха, двигаясь с большой скоростью, свободно проникают в различные поры и трещины, возникающие в обрабатываемом металле в процессе его деформации, и увлекают туда частицы жидкости, которые оказывают смазывающее и расклинивающее действие. (Рис. 20,б).

Особенностями охлаждения тонкораспыленной жидкостью являются малый расход (эмульсии 100-300, а масла – только 0,5-2 г/ч) и высокая скорость струи (примерно 300 м/сек).

Стойкость инструмента при таком методе охлаждения по сравнению со стойкостью при высоконапорном охлаждении примерно в 2 раза меньше. Но этот метод наиболее удобный, так как не требует точного направления струи, и его можно применять при работе многолезвийными инструментами.