Охлаждение и смазывание при резании
Одним из основных способов улучшения резания труднообрабатываемых материалов является применение смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). СОТС значительно понижает изнашивание инструмента и силы резания, повышает качество обработанной поверхности и эксплуатационные характеристики.
Требования к СОТС:
1. Не должны вызывать коррозию заготовки и оборудования;
2. Не должны оказывать физиологического влияния на рабочего (раздражение кожи и слизистых оболочек, запах);
3. Должны быть устойчивыми при эксплуатации и хранении;
4. Не должны воспламеняться при температурах резания.
СОТС подразделяется на твердые, жидкие, пластичные и газообразные.
Твердые СОТС – это вещества со слоистой структурой, такие как тальк, графит, дисульфид молибдена, нитрид бора, сульфат серебра. В качестве твёрдых СОТС могут применяться также порошки воска, парафина, мыла, битума и т.д.
К газообразным СОТС относятся газы СО2, CCl4, N2, пары поверхностно-активных веществ, распыленные жидкости (туман) и т.п.
Пластичные СОТС – густые мазеобразные вещества, представляющие собой коллоидную систему, состоящую из трех основных компонентов: жидкой основы (минерального масла или смеси масел), загустителя (в качестве загустителей чаще всего используются мыла – соли растительных, животных или синтетических жирных кислот) и добавок (различных присадок и наполнителей, вводимых в количестве до 15%).
Жидкие СОТС (смазочно-охлаждающие жидкости – СОЖ) – водные растворы минеральных электролитов; эмульсии; растворы мыл; минеральные, животные и растительные масла; минеральные масла с добавками фосфора, серы и хлора (сульфофрезолы), керосин и растворы поверхностно-активных веществ в керосине; масла и эмульсии с добавками твердых СОТС (графита, парафина, воска и т.п.).
В качестве СОТС наибольшее распространение получили СОЖ.
Действие СОЖ в процессе резания:
1. Смазывают трущиеся поверхности в зоне резания и уменьшает трение;
2. Проникают в микротрещины деформируемого слоя материала, уменьшает работу деформации (эффект Ребиндера);
3. Охлаждают инструмент и обработанную поверхность заготовки;
4. Препятствуют образованию очагов схватывания инструмента со стружкой, наростов, а, следовательно, уменьшается шероховатость поверхности.
При использовании СОЖ значительно повышается стойкость режущего инструмента, а значит повышается допустимая скорость резания; понижается эффективная мощность резания (на 10…15%); обработанные поверхности имеют большую точность и меньшую шероховатость.
Все СОЖ можно разбить на две группы в зависимости от применения: охлаждающие и смазывающие. Охлаждающие СОЖ обладают высокой теплопроводностью и теплоемкостью, значительной скрытой теплотой парообразование и низкой вязкостью. В качестве охлаждающих СОЖ используют эмульсии. Эмульсии получают растворением в воде эмульсолов, т.е. растворов мыла и органических кислот в минеральном масле. Применяются при черновой обработке вязких металлов, когда температура резания очень высока и её необходимо понизить (получаемая шероховатость при черновой обработке не имеет значения). Смазывающие СОЖ обладают хорошей смачивающей способностью и уменьшают трение (минеральные масла, растительные масла, керосин, сульфорезолы). Применяются при чистовом резании, когда необходимо получить поверхность с малой шероховатостью, а так же при нарезании резьб и зубьев зубчатых колес.
Подвод СОЖ в зону резания осуществляется по одной из следующих схем:
Свободным поливом. Подвод СОЖ сверху (полив) – наиболее простой способ, но имеет существенные недостатки: малую скорость струи, большой расход СОЖ (8…12 л/мин), большое разбрызгивание СОЖ, низкую эффективность.
Струйным охлаждением. Струйное (высоконапорное) охлаждение СОЖ подается со стороны задней поверхности тонкой струей под давлением до 3 МПа. Расход 0,6…4 л/мин. При струйном охлаждении значительно увеличивается стойкость режущего инструмента (особенно при резании труднообрабатываемых титановых и жаропрочных сплавов). Недостаток: требуется применение специальных насосов и защиты от сильного разбрызгивания СОЖ.
Охлаждением распыленной жидкостью. Охлаждение распыленной жидкостью (туманом) осуществляется со стороны задних поверхностей инструмента. Туман создается в инжекторных установках под давлением 1…2,5 МПа. Сжатый воздух захватывает частицы жидкости и в виде мельчайших брызг выбрасывается в зону резания. Недостаток: требуется специальные отсасывающие установки для защиты персонала от воздействия тумана. Преимущества: значительно уменьшается расход СОЖ, увеличивается стойкость инструмента и улучшается качество поверхности.
Иногда жидкость подают через полый режущий инструмент, когда охлаждение режущего инструмента затруднено (например, при сверлении глубоких отверстий). Жидкость при давлении 2…2,5 МПа подают через полое сверло и отверстие в задней поверхности непосредственно в зону резания, в этом случае не только охлаждается инструмент и деталь, но и вымывается стружка.
| а) | б) | в) |
 |  |  |
Рис.4.18. Способы подвода СОЖ в зону резания.
Для охлаждения хрупких материалов, когда образуется стружка скалывания, часто используют газы (азот, сжатый воздух, углекислоту), подаваемые под давлением в зону трения. Стружка удаляется газовой струей в специальный сборник.
Источник
Охлаждение и смазывание при резании
Одним из основных способов улучшения резания труднообрабатываемых материалов является применение смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). СОТС значительно понижает изнашивание инструмента и силы резания, повышает качество обработанной поверхности и эксплуатационные характеристики.
Требования к СОТС:
1. Не должны вызывать коррозию заготовки и оборудования;
2. Не должны оказывать физиологического влияния на рабочего (раздражение кожи и слизистых оболочек, запах);
3. Должны быть устойчивыми при эксплуатации и хранении;
4. Не должны воспламеняться при температурах резания.
СОТС подразделяется на твердые, жидкие, пластичные и газообразные.
Твердые СОТС – это вещества со слоистой структурой, такие как тальк, графит, дисульфид молибдена, нитрид бора, сульфат серебра. В качестве твёрдых СОТС могут применяться также порошки воска, парафина, мыла, битума и т.д.
К газообразным СОТС относятся газы СО2, CCl4, N2, пары поверхностно-активных веществ, распыленные жидкости (туман) и т.п.
Пластичные СОТС – густые мазеобразные вещества, представляющие собой коллоидную систему, состоящую из трех основных компонентов: жидкой основы (минерального масла или смеси масел), загустителя (в качестве загустителей чаще всего используются мыла – соли растительных, животных или синтетических жирных кислот) и добавок (различных присадок и наполнителей, вводимых в количестве до 15%).
Жидкие СОТС (смазочно-охлаждающие жидкости – СОЖ) – водные растворы минеральных электролитов; эмульсии; растворы мыл; минеральные, животные и растительные масла; минеральные масла с добавками фосфора, серы и хлора (сульфофрезолы), керосин и растворы поверхностно-активных веществ в керосине; масла и эмульсии с добавками твердых СОТС (графита, парафина, воска и т.п.).
В качестве СОТС наибольшее распространение получили СОЖ.
Действие СОЖ в процессе резания:
1. Смазывают трущиеся поверхности в зоне резания и уменьшает трение;
2. Проникают в микротрещины деформируемого слоя материала, уменьшает работу деформации (эффект Ребиндера);
3. Охлаждают инструмент и обработанную поверхность заготовки;
4. Препятствуют образованию очагов схватывания инструмента со стружкой, наростов, а, следовательно, уменьшается шероховатость поверхности.
При использовании СОЖ значительно повышается стойкость режущего инструмента, а значит повышается допустимая скорость резания; понижается эффективная мощность резания (на 10…15%); обработанные поверхности имеют большую точность и меньшую шероховатость.
Все СОЖ можно разбить на две группы в зависимости от применения: охлаждающие и смазывающие. Охлаждающие СОЖ обладают высокой теплопроводностью и теплоемкостью, значительной скрытой теплотой парообразование и низкой вязкостью. В качестве охлаждающих СОЖ используют эмульсии. Эмульсии получают растворением в воде эмульсолов, т.е. растворов мыла и органических кислот в минеральном масле. Применяются при черновой обработке вязких металлов, когда температура резания очень высока и её необходимо понизить (получаемая шероховатость при черновой обработке не имеет значения). Смазывающие СОЖ обладают хорошей смачивающей способностью и уменьшают трение (минеральные масла, растительные масла, керосин, сульфорезолы). Применяются при чистовом резании, когда необходимо получить поверхность с малой шероховатостью, а так же при нарезании резьб и зубьев зубчатых колес.
Подвод СОЖ в зону резания осуществляется по одной из следующих схем:
Свободным поливом. Подвод СОЖ сверху (полив) – наиболее простой способ, но имеет существенные недостатки: малую скорость струи, большой расход СОЖ (8…12 л/мин), большое разбрызгивание СОЖ, низкую эффективность.
Струйным охлаждением. Струйное (высоконапорное) охлаждение СОЖ подается со стороны задней поверхности тонкой струей под давлением до 3 МПа. Расход 0,6…4 л/мин. При струйном охлаждении значительно увеличивается стойкость режущего инструмента (особенно при резании труднообрабатываемых титановых и жаропрочных сплавов). Недостаток: требуется применение специальных насосов и защиты от сильного разбрызгивания СОЖ.
Охлаждением распыленной жидкостью. Охлаждение распыленной жидкостью (туманом) осуществляется со стороны задних поверхностей инструмента. Туман создается в инжекторных установках под давлением 1…2,5 МПа. Сжатый воздух захватывает частицы жидкости и в виде мельчайших брызг выбрасывается в зону резания. Недостаток: требуется специальные отсасывающие установки для защиты персонала от воздействия тумана. Преимущества: значительно уменьшается расход СОЖ, увеличивается стойкость инструмента и улучшается качество поверхности.
Иногда жидкость подают через полый режущий инструмент, когда охлаждение режущего инструмента затруднено (например, при сверлении глубоких отверстий). Жидкость при давлении 2…2,5 МПа подают через полое сверло и отверстие в задней поверхности непосредственно в зону резания, в этом случае не только охлаждается инструмент и деталь, но и вымывается стружка.
| а) | б) | в) |
 |  |  |
Рис.4.18. Способы подвода СОЖ в зону резания.
Для охлаждения хрупких материалов, когда образуется стружка скалывания, часто используют газы (азот, сжатый воздух, углекислоту), подаваемые под давлением в зону трения. Стружка удаляется газовой струей в специальный сборник.
Источник
Охлаждение металлов при резании
В связи с обработкой стали и других металлов, имеющих высокую температуру плавления, применение охлаждающих жидкостей становится существенным. Это наиболее важно при резании стальными инструментами, хотя охлаждающие жидкости часто применяются также и при резании твердосплавными инструментами. Типичным примером условий применения охлаждающих жидкостей является обработка сравнительно небольших деталей на токарных автоматах одновременно несколькими резцами или с небольшим интервалом.
Два основных источника теплообразования при резании — плоскость сдвига и поверхность раздела инструмент — заготовка (особенно в зоне пластического течения на передней поверхности инструмента) — были рассмотрены ранее. Работа, совершаемая при срезании материала заготовки в этих двух зонах, превращается в теплоту, тогда как работа, совершаемая при трении скольжения, имеет второстепенное значение для теплообразования в большинстве условий резания. Охлаждающие жидкости не препятствуют выделению теплоты и не имеют прямого доступа в зоны, являющиеся источниками теплообразования. Теплота, выделяющаяся в зоне сдвига, в основном уносится стружкой, и незначительная ее часть уходит в заготовку. Охлаждающие жидкости на водной основе эффективно снижают температуру как заготовки, так и стружки, после того как стружка сходит с инструмента.
Охлаждение стружки имеет второстепенное значение, тогда как поддержание низкой температуры заготовки оказывает существенное влияние на обеспечение размерной точности.
Отвод теплоты, выделяющейся в первичной зоне сдвига, не оказывает заметного влияния на стойкость или качество режущих инструментов. Как — было показано, теплота, выделяющаяся на поверхности раздела инструмент — заготовка и в прилегающей к ней зоне, имеет гораздо большее значение, особенно при высоких скоростях резания, когда источником тепловыделения является тонкая зона пластического течения, находящаяся в условиях схватывания с инструментом. Охлаждающая жидкость не может непосредственно воздействовать на тонкую зону, являющуюся источником тепловыделения, а способствует отводу теплоты с поверхностей стружки, заготовки и инструмента, доступных для охлаждающей жидкости и расположенных возможно ближе к источнику тепловыделения. Отвод теплоты в стружку и заготовку, по-видимому, оказывает небольшое влияние на температуру на поверхности раздела инструмент — заготовка вследствие того, что непрерывно перемещающаяся заготовка и стружка находятся очень мало времени на площадке контакта с инструментом. Например, при обработке со скоростью резания 30 м/мин время, необходимое для прохождения стружки через зону контакта с инструментом, равно примерно 0,005 с.
Инструмент является единственным стационарным элементом системы. Именно инструмент подвергается воздействию высокой температуры, и поэтому в большинстве случаев охлаждение наиболее эффективно может быть осуществлено через инструмент. Инструмент охлаждается наиболее эффективно за счет подачи жидкости на те доступные его поверхности, которые имеют наиболее высокую температуру, так как здесь происходит наиболее быстрый отвод теплоты, а также потому, что повреждение этих поверхностей наиболее вероятно. Знание распределения температуры в инструменте может помочь рациональному применению охлаждающих жидкостей. Это подтверждается экспериментальными данными лабораторных испытаний инструментов при обработке стали с очень низким содержанием углерода и технически чистого никеля.
На рис. 8.1 приведены сечения по режущей кромке инструментов после обработки низкоуглеродистой стали с высокой скоростью резания: всухую и с подачей масляной эмульсии свободно падающей струей, а также с подачей тонкой струей, направленной на вспомогательную заднюю поверхность. Инструменты были разрезаны и подвергнуты травлению для определения градиентов температуры методами, изложенными ранее. Температурные поля в инструментах в той последовательности, в которой они расположены на рис. 8.1, представлены на рис. 8.2. На рис. 8.3 показаны температурные поля на передней поверхности инструментов, применявшихся для резания при условиях, аналогичных условиям, представленным на рис. 8.2. На них видны важные особенности, относящиеся к действию охлаждающих жидкостей.
Во-первых, применение охлаждающей жидкости не препятствовало возникновению высокой температуры на поверхности раздела инструмент — заготовка вследствие того, что выделение теплоты происходило в зоне пластического течения, недоступной прямому воздействию охлаждающей жидкости. Максимальная температура на передней поверхности инструмента составляла выше 900° С независимо от того, протекал ли процесс резания всухую, с подачей охлаждающей жидкости поливом или тонкой струей, направленной на вспомогательную заднюю поверхность. Во-вторых, применение охлаждающей жидкости уменьшило нагрев режущего инструмента. Струя, направленная на вспомогательную заднюю поверхность, была в этом отношении гораздо эффективнее, чем свободный полив охлаждающей жидкости на переднюю поверхность. Градиенты температуры в инструменте были гораздо круче при применении охлаждающей жидкости. В-третьих, не происходило повреждения вспомогательной задней поверхности, вызванного деформацией инструмента при обработке всухую, или при поливе охлаждающей жидкостью, когда температура этой поверхности была снижена за счет подачи охлаждающей жидкости через сопло. Более широкая холодная зона на режущей кромке на этом инструменте дает возможность предположить, что скорость диффузионного износа задней поверхности возможно также уменьшится при таком способе охлаждения.
Колодная зона на режущей кромке, являющаяся характерной особенностью инструментов, применяемых для обработки стали, отсутствует при обработке никеля, как было показано ранее. Высокая температура на главной режущей кромке способствует ее износу и выходу из строя под действием деформации. Было найдено что при обработке никеля эффективность охлаждения увеличивается, если подавать охлаждающую жидкость через сопло в виде тонкой струи на заднюю поверхность инструмента на участок, расположенный под главной режущей кромкой. На рис. 8.4, а приведено сечение по инструменту после обработки технически чистого никеля всухую, а на рис. 8.4, б — соответствующий резец после обработки с подачей охлаждающей жидкости через сопло на заднюю поверхность. Соответствующие градиенты температуры показаны на рис. 8.5. Приведенные рисунки свидетельствуют о значительном уменьшении температуры и износа инструмента на режущей кромке вследствие подачи охлаждающей жидкости непосредственно к определенному участку инструмента.
Источник
