9. Смазачно-охлаждающие технологические средства

Эффективность металлообработки - комплексный показатель, учитывающий в числе прочих условий и роль смазочно-охлаждающих технологических средств "СОТС", их влияние на качество изделий, производительность труда и другие технико-экономичекие показатели процессов обработки металлов резанием.

Современные СОТС - это неотъемлемая часть всего комплекса средств, обеспечивающего эффективную эксплуатацию металлорежущего оборудования. Поскольку в практике металлообработки условия резания различаются значительное, то соответственно применяется и большое число СОТС, искусственно вводимых в зону резания. Естественно, что такие вопросы, как назначение, классификация и физико-химические основы действия СОТС, требуют особого внимания и должны быть достаточно подробно рассмотрены в первую очередь.

Требования к СОТС. Наиболее важными из них являются требования обеспечивать увеличение стойкости режущего инструмента и повышать качество обрабатываемой поверхности при соблюдении заданной точности обработанной поверхности. Выполнение этих требований приводит в конечном счете к снижению стоимости металлообработки вследствие уменьшения затрат на режущий инструмент, сокращению брака и простоев станков, связанных с заменой затупившегося инструмента. В зависимости от условий обработки СОТС должны обеспечивать смазывающее, охлаждающее, диспергирующее или моющее действие. Однако в большинстве случаев от СОТС требуется обеспечить одновременно несколько действий в различной степени. Так, например, при фрезеровании твердосплавными фрезами требуется высокое смазывающее и обязательно низкое охлаждающее действие; при нарезании резьбы метчиками и при развертывании - высоко эффективные моющее и смазывающее; при токарной обработке титановых сплавов - охлаждающее, а при обработке их фрезерованием - смазывающее действия. Поэтому при создании или выборе СОТС необходимо знать, какое действие в данных условиях резания должна обеспечивать жидкость. Предъявляемые к СОЖ требования выражаются в виде конкретных предельно допустимых норм показателей качества.

9.1. Hазначение и классификация смазочно-охлаждающих технологических средств для обработки металлов резанием.

СОТС предназначены для смазки поверхностей трения, охлаждения режущего инструмента и обрабатываемой заготовки, облегчения процесса деформирования металла, своевременное удаление из зоны резаниястружки и продуктов износа инструмента, а также для временной защиты изделий и оборудования от коррозии. Благодаря этому СОТС в значительной мере определяют экономичность и надежность работы многочисленны и разнообразной металлообрабатывающей техники, а именно: увеличивают стойкость режущего инструмента, улучшают качество изделий, снижают силы резания и потребную мощность.

По классификации все СОТС по их агрегатному состоянию разделены на четыре типа: газообразные, жидкие, пластичные и твердые.

Газообразные СОТС. В качестве СОТС этого типа применяют нейтральные (азот, аргон, гелий) и активные, кислородосодержащие (воздух, кислород, диоксид углерода), газы. Активные газы не только играют роль охладителя, но и защищают поверхность трущихся металлов от изнашивания, образуя на них оксидные пленки.

В среде кислорода можно затачивать режущий инструмент из инструментальных сталей и твердых сплавов, точить и сверлить кислостойкие и жаропрочные сплавы, шлифовать специальные стали и сплавы. Однако применение газообразных СОТС не получило широкого распространения в практике.

Жидкие СОТС наиболее рапространены. Их принято называть смазочно-охлаждающими жидкостями (СОЖ). Они разделены на классы: масляные, водосмешиваемые (водные), быстрорастворяющиеся и расплавы некоторых металлов.

Масляные СОЖ. Состоят из минерального масла, являющегося базовым, к которому могут быть добавлены антифрикционные, антиизносные и антизадирные присадки, ингибиторы коррозии, антиоксиданты, антипенные и антитуманные присадки.

Минеральное масло в масляных СОЖ занимает 60-95% (в процентах по массе). Обычно это высокоочищенные нафтеновые или парафиновые масла. Иногда в качестве основы для масляных СОЖ используют смесь из нескольких (2-3) минеральных масел. Используют также в качестве базы маловязкие экстракты селективной очистки, очищяя их каталитическим гидрированием, что снижает их стоимость. При выборе базовых минеральных масел учитывают прежде всего их физико-химические свойства (вязкость, индекс вязкости, групповой углеродный состав) и обусловленные ими смазочные, антиокислительные и другие характеристики, влияющие на процесс трения и износ инструмента.

Синтетические масла из-за их высокой стоимости используют иногда в виде добавок.

Антифрикционные присадки - это обычно технические растительные масла и жиры (рапсовое масло, свиной жир), жирные кислоты и их эфиры, а также полимерные ненасыщенные жирные кислоты. Их содержание обычно составляет 5-25%. В связи с их дефицитностью ведутся работы по замене жировых продуктов естественной природы на синтетические.

Антиизносные присадки - уменьшают износ режущего инструмента при возрастании нагрузке. Из них в составе масляных СОЖ наиболее известны диалкилфосфиты, а также осерненные жиры и полимерные жирные кислоты. Концентрация противоизносных присадок в масляных СОЖ обычно 0.5-5%, она зависит от назначения продукта, а также состава других присадок.

Антизадирные присадки предотвращают схватывание и износ режущего инструмента при наиболее тяжелых температурных и механических нагрузках. Это чаще всего вещества, содержащие серу, хлор, фосфор. В зависимости от условий применения масляных СОЖсодержание в них серы составляет от 0,5-3% (сульфиды и полусульфиды) до 3-20% (осерненные жиры). Хлоросодержащие противозадирные присадки менее распространены. Самая распространенная из них - хлорированный парафин. Хлоросодержащие присадки в количестве 3-15% применяют при обработке высоколегированных сталей.

Ингибиторы коррозии предотвращают коррозионное воздействие масляных СОЖ на изготовляемые детали и детали станка вызывается продуктами окисления минеральных масел, присадками, а также продуктами их разложения. По склонности к коррозии обрабатываемые материалы различаются весьма широко, и это обстоятельство учитывают того или иного способа противокоррозионной защиты. В ряде случаев достаточно эффективными ингибиторами коррозии являются присадки, используемые для улучшения смазочных свойств СОЖ: полимерные ненасыщенные жирные кислоты, дисульфиды, аминофосфаты.

Антипенные присадки добавляют в масляные СОЖ для предотвращения пенообразования. Hаибольшее распространение получили диметилселиконовые полимеры. Требуемые количества этих веществ 0.0005-0.001%.

Антитуманные присадки снижают образование и выделение масляного тумана (аэрозоля) при работе с СОЖ на масляной основе. В качестве антитуманых присадок рекомендуется полиолефины, аттактический полипропилен. Эти присадки обычно вводят в количестве 0.5-3%. Масляные СОЖ обладают хорошими смазывающими свойствами, обеспечивают продолжительный срок службы режущего инструмента, предохраняют обрабатываемый металл и детали станков от коррозии.

Масла без присадок применяют при обработке магния, латуни, бронзы, меди и углеродистых сталей при легких режимах резания. Однако они мало эффективны при обработке труднообрабатываемых сталей и сплавов, особенно при тяжелых режимах резания.

Hедостатками масляных СОЖ являются сравнительно низкие охлаждающие свойства и низкая термическая стабильность, пожароопасность, повышенная испаряемость и высокая стоимость.

Водосмешиваемые СОЖ. Такие СОЖ могут содержать эмульгаторы, нефтяные масла, воду, спирты, гликоли, ингибиторы коррозии, бактерициды, противоизносные, противозадирные и антипенные присадки, электролиты и другие органические и неорганические продукты. Эти СОЖ применяют в виде эмульсий или истинных водных растворов при абразивной и лезвийной обработке (легкие и средние режимы резания) черных и цветных металлов. Преимуществами водосмешиваемых СОЖ является более высокая, чем у масляных СОЖ, охлаждающая способность, относительно низкая стоимость, пожаробезопасность и меньшая токсичность, недостатки - сравнительно невысокие смазывающие свойства, низкая эффективность на отдельных операциях и недостаточно высокая стабильность свойств во времени. Водосмешиваемые СОЖ разделены на четыре подкласса - эмульгирующиеся (эмульсолы), полусинтетические, синтетические, растворы электролитов.

Эмульгируещиеся СОЖ (эмульсолы) при смешивании с водой образуют эмульсии. В качестве основы эмульсолов используют средневязкие нефтяные масла нафтенового или смешанного типа, содержание которых в эмульсоле может достигать 85%. Применяют эмульсолыв виде 1-5%-ных эмульсий в воде.

Эмульгаторы являются поверхностно-активными веществами (ПАВ) и, кроме уменьшения поверхностного натяжения, они выполняют роль смазочных веществ и ингибиторов коррозии. В качестве эмульгаторов наибольшее распространение в составе эмульсолов получили анионоактивные ПАВ, а также их смеси: калиевые, натриевыми мыла жирных, смоляных и сульфокислот.

Полусинтетические СОЖ принципиально не отличаются от эмульсолов по компонентному составу, однако они существенно отличаются от них по концентрации компонентов. Основу полусинтетических СОЖ составляет вода (до 50%) и эмульгаторы (до 40%).Обязательным компонентом является маловязкое (3-10 кв.мм/с при 50 град.С) нефтяное масло. Полусинтетические СОЖ, как и эмульсолы, могут содержать биоциды, противоизносные и противозадирные присадки. Их используют в виде 1-10%-ных водных растворов. Синтетические СОЖ представляют собой смесь водорастворимых полимеров, поверхностно-активных веществ, ингибиторов коррозии, биоцидов, антипенных присадок и воды. В их состав для повышения смазывающих свойств вводят противоизносные и противозадирные присадки. Синтетические СОЖ могут быть приготовлены в виде порошков. Их применяют в виде 1-10% водных растворов. По универсальности, продолжительности сохранения эксплуатационных свойств синтетических СОЖ, как правило, превосходят эмульсии.

Быстроиспаряющиеся СОЖ. Основу таких СОТС составляют быстроиспаряющиеся галогенпроизводные углеродов. Испаряясь, они охлаждают режущий инструмент и обрабатываемое изделие и оставляют на трущихся поверхностях тонкие смазывающие слои присадок, входящих в их состав. Быстроиспаряющиеся СОТС применяют при обработке резанием труднообрабатываемых сплавов и пакетов из пластин разнородных материалов на операциях сверления, развертывания, нарезания резьбы и протягивания.

Пластичные СОТС. обычно представляют собой пластичные смазки. Их используют в мелкосерийном производстве при нарезании резьбы (метчиками и плашками), сверлении, протягивания и развертывания, при полировании и обработке металлов напильниками. Применение пластичных СОТС ограничивается трудностью введения их в зону резания, невозможностью сбора, очистки и повторного применения. Пластичные СОТС разделены на следующие классы: смазки на углеводородных (парафин, воск и некоторые полимеры), мыльным (натриевые, литиевые, кальциевые, бариевые, свинцовые и др.) и неорганических (глина, слюда, асбест и др.) загустителях.

Твердые СОТС. По химическому составу подразделены на три класса - неорганические продукты слоистой структуры (тальк, графит, слюда, дисульфид молибдена и др.), органические соединения (воски, мыла, твердые жиры, полимеры) и мягкие металлы (олово, свинец, медь). Применяют их в особо трудных условиях (при высоких температурах и нагрузках), а также в тех случаях, когда другие типы СОТС не эффективны. Твердые смазки наносят в качестве поверхностных покрытий на режущий инструмент или обрабатываемый металл.

По применению все СОТС разделены на две группы - массового и специального применения. СОТС массового назначения пригодны для ряда операций обработки металлов резанием при различных режимах. Они в свою очередь разделены на три подгруппы: обычные, универсальные и многоцелевые. Обычные обеспечивают выполнение нескольких операций обработки резанием той или иной группы черных или цветных металлов, универсальные - широкий круг операций обработки резанием черных и цветных металлов. К СОТС специального назначения отнесены газообразные, пластичные и твердые СОТС.

9.2 Функциональные действия СОТС.

В соответствии с современными представлениями СОТС в процессе резания может производить смазывающее, охлаждающее, диспергирующее и моющее действия. Разделить различные эффекты действия СОТС бывает весьма сложно, так как они могут проявляться одновременно и порознь в различных зонах контактной поверхности инструмента, стружки и заготовки в зависимости от особенностей операции и режимов резания, характеристик обрабатываемого инструментального материалов. В большинстве случаев высокие эксплуатационные свойства СОТС (СОЖ) определяются их смазывающим и охлаждающим действием.

Смазывающее действие СОЖ. Смазывающее действие СОЖ проявляется преимущественно в зоне контакта резца и стружки, а также контакта резца и заготовки. Оно обусловлено способностью СОЖ вступать в физическое, химическое и физико-химическое взаимодействие с активированными поверхностями контактной зоны и образовывать на них гидродинамические, физические (адсорбционные) и химические смазочные пленки. В зависимости от условий резанья такие пленки могут образовываться порознь или одновременно. Физические и химические смазочные пленки принято называть граничными. Их толщина колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен ангстрем. Сопротивление сдвигу у них выше, чем у гидродинамических пленок. В случае образования при резании металлов гидродинамических смазочных пленок (например, обработка меди при низких скоростях) трущиеся поверхности разделены слоем СОЖ в несколько микрон и более. Здесь вязкость СОЖ имеет преобладающее значение и должна быть оптимальной. Иногда вязкость может быть компенсирована серо-,хлор- или фосфорсодержащими присадками.

Адсорбционные смазочные пленки образуются при малых давлениях и низких температурах. Поверхностно-активные молекулы, содержащиеся в СОЖ, адсорбируются слоями на контактирующих металлических поверхностях. Толщина пленки может включать от нескольких до 500 молекулярных слоев. Такая пленка выдерживает большие нормальные нагрузки, однако, слабо сопротивляется действию касательных напряжений. Чем выше устойчивость граничной пленки к действию нормальных и чем ниже к действию касательных напряжений, тем меньше коэффициент трения и тем выше смазывающая способность среды. Наиболее прочно адсорбируются на поверхности металла молекулы олеиновой кислоты, некоторых растительных масел и синтетических ПАВ. Поэтому они широко используются в композициях масляных СОЖ. Присутствие влаги и кислорода ускоряет процессы хемосорбции. Существенную роль при образовании пленок играет температура, при ее повышении рост пленок уменьшается, а скорость образования химических пленок увеличивается. При операциях с высоким выделением тепла более эффективны химические смазывающие пленки, образуемые на контактирующих поверхностях за счет противоизносных и противозадирных присадок. В зоне контакта происходит распад молекул присадок с образованием атомов и радикалов, которые вступают в химическую реакцию с металлом, образуя смазочный слой.

Смазывающее действие СОЖ проявляется еще и в том, что углерод, кислород, сера, фосфор и другие элементы, входящие в состав, в условиях высоких давлений, напряжений и температур не только реагирует с поверхностью металла с образованием граничной смазочной пленки, но и диффундируют в тончайшие поверхностные слои трущихся металлических поверхностей, образуя эвтектические сплавы с более низкими коэффициентами трения. В результате чего облегчаются процессы трения и пластической деформации металла.

Многими исследованиями установлено положительное влияние смазывающего действия СОЖ на процессы, предотвращающие налипание и наростообразование на лезвии инструмента, изменяющие форму стружки и длину контакта стружки с передней поверхностью инструмента, в результате чего уменьшаются теплообразование, усилия резания и шероховатость обрабатываемой поверхности. Смазывающее действие СОЖ зависит от операции и режима резания, свойств обрабатываемого и инструментального материалов и определяется в основном скоростями образования и изнашивания граничных смазочных пленок, а также их составом, строением и свойствами.

Охлаждающее действие СОЖ. При резании основная часть механической энергии преобразуется в теплоту. Охлаждающее действие СОЖ основано на законах теплообмена. Нагретые до высоких температур режущий инструмент, заготовка и стружка передают путем конвективного теплообмена смазочно-охлаждающей среды часть тепла. Кроме того, теплоотвод при резании может осуществляться вследствие теплопередачи излучением, испарением среды и протекания химических реакций, происходящих при поглощении тепловой энергии. Теплоотводы, связанные с излучением, испарением и химическими реакциями, невелики. Поэтому при оценке охлаждающего действия СОЖ ограничиваются рассмотрением конвективного теплообмена, который зависит, главным образом, от теплофизических свойств и гидродинамических условий подачи жидкости. На теплообмен наиболее сильно влияют вязкость, теплопроводность, теплоемкость, плотность и смачиваемость СОЖ, а также разность температур охлаждаемой поверхности и потока жидкости.

В процессе резания наибольшему воздействию высокой температуры подвергается инструмент. Исследования показывают, что применение смазочно-охлаждающей среды не препятствует возникновению высокой температуры в инструменте. Однако действие СОЖ существенно уменьшает область нагрева инструмента. При этом подача эмульсии под давлением на вспомогательную заднюю поверхность инструмента более эффективна, чем ее полив свободно падающей струей на переднюю поверхность инструмента. Для ряда операций обработки металлов резанием эффективность охлаждающего действия СОЖ повышается при подаче жидкости в распыленном состоянии, под давлением или через внутренние каналы в инструменте по сравнению с подачей СОЖ поливом свободно падающей струей.

Однако охлаждающее действие СОЖ может иметь и отрицательные последствия. Так, например, при фрезеровании (прерывистое резание) твердосплавным инструментом с высокой скоростью резания, применение СОЖ приводит к значительным колебаниям температуры режущей части фрезы и уменьшению ее стойкости. Кроме того, интенсивное охлаждение поверхности обрабатываемого изделия приводит, как правило, к возникновению в металле внутренних напряжений растяжения, что ухудшает эксплутационные свойства изделия.

Диспергирующее действие СОЖ. Под этим действием СОЖ подразумевается их способность облегчать деформацию, разрушение и дробление (диспергирование) металла, т.е оказывать действие, способствующее образованию новой поверхности. В присутствии ПАВ облегчается зарождение и распространение микротрещин в металле. Полярные молекулы продвигаются по стенкам образующихся трещин до тех пор, пока их размеры не станут больше размеров трещин. В результате в самых узких местах микротрещин возникают дополнительные расклинивающие давления, вызываемые адсорбционными слоями, что приводит к "охрупчиванию" металла и его разрушению. Хрупкость металла может повышаться за счет диффузии атомов и ионов СОЖ в деформируемые слои. В результате этого процесса металл в зоне деформации быстрее достигает предельной прочности и разрушается при меньших затратах энергии.

Моющее действие СОЖ. В процессе резания металла образуются стружка и шлам, состоящий из мелкодисперсной стружки, частиц износа инструмента и трущихся деталей станка, окалины, пыли, грязи, продуктов термоокислительной деструкции компонентов СОЖ и жизнедеятельности микроорганизмов. Твердые коллоидные частицы шлама проникают в микронеровности обрабатываемой заготовки, деталей станков и инструмента, где прочно удерживаются электростатическими и механическими силами. Скопление частиц шлама приводит к снижению стойкости инструмента и ухудшению качества обрабатываемой поверхности. Поэтому СОЖ должны смыть и унести крупную стружку или металлические опилки, предотвратить образование лакообразных отложений и нагара на поверхностях изделия и инструмента, нагретых до высоких температур. Моющее действие СОЖ представляет собой совокупность физико-химических процессов, приводящих к очистке поверхностей обрабатываемой заготовки, инструмента и деталей станка от шлама. Смыв и эвакуация крупной стружки или продуктов шлифования, накапливающихся в зоне резания, является одной из важных функций СОЖ. Смывающее действие в значительной степени зависит от количества СОЖ, подаваемой в зону резания, скорости потока и метода подачи жидкости. Эффективность смывающего действия СОЖ повышается с введением в ее состав моющих веществ.

9.3. Выбор СОТС для различных процессов обработки металлов резанием. Типы СОТС.

Эффективность эксплуатации металлообрабатывающего оборудования во многом зависит от правильного выбора и применения СОЖ.

При хонинговании большинства металлов используются маловязкие масляные СОЖ с хлоросодержащим или серо- и хлоросодержащими присадками (ОСМ-1). Хонингование при легких режимах осуществляется с применением маловязкого масла с добавками растительных или животных жиров (ВИ-2).

Шлифование различных материалов производят в основном с помощью водных СОЖ (Аквол-2,Аквол-6,Аквол-15). Однако при шлифовании нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов серосодержащие и хлоросодержащие масляные жидкости (ОСМ-3).Маловязкие масляные СОЖ (ОСМ-4), кроме того ,с успехом применяют при отделочном шлифовании цветных металлов.

При силовом и скоростном шлифовании металлов в основном находят применение серосодержащие или хлоросодержащие масляные СОЖ (МР-10,Укринол-14) в зависимости от обрабатываемого материала и режима резания. Цветные металлы и легкие сплавы лучше обрабатывать с применением эмульгирующихся, полусинтетических СОЖ.

Обработка цветных металлов и углеродистых сталей на токарных автоматах ведется с применением масляных СОЖ (ОСМ-1).

При зубообработке в основном распространены различные виды масляных СОЖ (МР-5У). Эмульгирующиеся (в том числе с активными присадками) нашли применения при нарезании зубьев на деталях из цветных и легких металлов и сплавов, а также на низкопрочных сталях.

На операциях нарезания резьбы и протягивания в большинстве случаях наиболее эффективны масляные СОЖ (МР-99, МР-7),содержащие активные элементы- серу и/или хлор. Водные СОЖ целесообразно применять только при обработке низкопрочных сталей, цветных и легких металлов и их сплавов, а также при нарезании резьбы в деталях из сталей и сплавов (Аквол-10м, Аквол-1).

Обработку титановых сплавов на операциях шлифования, точения и фрезерования производят с применением водных СОЖ (Аквол-10м, Аквол-2). При сверлении, работе на станках - автоматах, глубоком сверлении, зубообработке, нарезании резьбы и протягивании используются специальные масляные СОЖ Т (ОСМ-5) и эмульгирующиеся жидкости, активированные противоизносными и противозадирными присадками.

При выборе СОЖ для того или иного обрабатываемого материала при прочих равных условиях целесообразно руководствоваться следующими практическими рекомендациями: цветные металлы и легкообрабатываемые стали рационально обрабатывать с применением масляных СОЖ с жировыми добавками. Мягкие и конструкционные стали с применением хлоросодержащих масляных СОЖ, причем СОЖ с высокой концентрации хлоросодержащих присадок рекомендуется также для протягивания, резьбо- и зубонарезания.

По мере перехода от легкообрабатываемых сталей к более труднообрабатываемым следует применять СОЖ с большими концентрациями активных присадок. Неактивные СОЖ находят применение на всех операциях резания легких и цветных металлов и сплавов, а также в большинстве случаев обработки сталей низкой прочности, когда имеется опасность коррозии металла.

Активные масляные СОЖ в основном используют при силовом резании труднообрабатываемых материалов и особенно, когда процесс стружкообразования сопровождается появлением нароста. Однако из-за высокой активности серосодержащих присадок, входящих в их состав, эти СОЖ могут вызвать снижение стойкости инструмента.

При обработке на станках с ЧПУ и на технологических модулях гибких автоматизированных производств используют, в основном, следующие виды СОЖ: Аквол-10м, Аквол-14, Карбомол П-1, Аквол-1, Аквол-2, Э-2, ЭТ-2, НГЛ-205 - все из подклассов эмульсий, синтетических и полусинтетических СОЖ.

Аквол-10м - концентрат на гликолевой основе, содержит анионоактивные и неионогенные эмульгаторы и незначительное количество жировых присадок. Предназначен для приготовления синтетических СОЖ с широкой областью применения.

Аквол-14 - представляет собой концентрат на основе полиакиленгликолей, содержит трибополимезирующие присадки и добавки, придающие СОЖ необходимый комплекс свойств. При смешивании с водой образует прозрачные, бесцветные или слегка окрашенные растворы. Применяют при обработке резанием черных металлов и сплавов.

Карбомол П-1 - сбалансированная смесь эмульгатора с минеральным маслом. которая используется на операциях лезвийной обработки.

Укринол-14 - средневязкая смесь минеральных масел, содержащая хлорные, фосфорные и жировые присадки. Применяются при скоростном, силовом и глубинном шлифовании инструментальных сталей.

МР-10 (ТУ 38 101973-85) - средневязкая смесь неактивного вида, содержащая антифрикционные, противоизносные, противозадирные присадки. Применяется при силовом и скоростном шлифовании сталей.

ОСМ-1 (ТУ 38 УССР 201228-81) - маловязкая смесь неактивного вида, содержащая противозадирные и другие присадки. Применяется при обработке чугунов, легированных, конструкционных и инструментальных сталей на операциях сверления, развертывания, фрезерования и шлифования, а также при обработке коррозионностойких, жаропрочных, жаростойких сталей и сплавов на операциях фрезерования и шлифования.

МР-7 - осерненное минеральное масло средней вязкости. Применяют при средних и тяжелых режимах резания сталей и сплавов на токарных автоматах и отдельных операциях сверления, глубокого сверления отверстий диаметром более 30 мм, точения, фрезерования, развертывания, протягивания, резьбо- и зубонарезания

9.4. Автоматизированный выбор и контроль СОЖ в автоматизированном производстве.

В условиях работы автоматизированного производства выбор видов СОЖ и контроль их качества должны быть автоматизированы (с помощью ЭВМ и других технических средств) и осуществляться в отдельной подсистеме, входящей в автоматизированное производство наряду с другими подсистемами и взаимодействующая с ними.

Это ситуация выдвигает новые требования к СОЖ: оптимизация товарного состава СОЖ, обеспечивающих максимальное число различных операций обработки, а также необходимость оперативного контроля и коррекции эксплуатационных свойств СОЖ, влияющих на надежность работы всего производства.

Оптимизация состава СОЖ предполагает использование такого их ассортимента, чтобы обеспечивался минимум приведенных затрат.

Как слишком узкий, так и слишком широкий ассортимент характеризует неудовлетворительное состояние в области разработки и применения СОЖ. Оптимизация означает нахождение требуемого количества СОЖ, обеспечивающего общую эффективность всего процесса механической обработки. При этом возникает проблема их совместимости, приготовления, хранения, очистки и регенерации. Совместимость СОЖ необходима потому, что при перемещении заготовки из одной позиции в другую возможно перемешивание оставшейся на поверхностях обрабатываемой детали СОЖ различных марок и их смешивание. Это может привести к ухудшению эксплуатационных характеристик СОЖ.

При применении СОЖ одного типа можно использовать централизованную систему подачи СОЖ. Эти системы применяются для обеспечения жидкостями автоматических линий и гибких производственных систем. СОЖ подается к станкам непосредственно из централизованной установки. Отработанные жидкости возвращаются в установку по подземным трубопроводам. Применение централизованной системы исключает необходимость иметь на каждом станке насос, фильтры и другое оборудование для подачи СОЖ, сокращает простои оборудования и дает возможность поддерживать качество жидкостей в процессе их эксплуатации. Современные централизованные системы автоматически выполняют операции приготовления, подачи, охлаждение, стабилизации качества, очистки и регенерации СОЖ. Но они могут ограничивать производительность обработки и в некоторых случаях понижать качество обработанной поверхности из-за использования одного типа СОЖ.

В общем случае централизованная система состоит из одной постоянно действующей и пяти, периодически подключающихся подсистем. Постоянно действующая подсистема является основной и обеспечивает циркуляцию СОЖ в процессе ее использования на станках.

Она включает в себя пять комплексов различных устройств (подачи, очистки, биозащиты, стабилизации и активации СОЖ). Устройства, входящие в комплексы, могут подключаться к магистральному потоку СОЖ последовательно или параллельно. К периодически действующим подсистемам относятся подсистемы приготовления, поддержания качества, регенерации и обезвреживания СОЖ. В зависимости от производственной необходимости централизованная система может не содержать какой-либо периодически действующей подсистемы.

Оптимизация СОЖ является комплексной технико-экономической задачей, решением которой при заданных технико-экономических ограничениях (сопутствующих эксплуатационных, физико-химических, санитарно-гигиенических свойствах и экономических показателях СОЖ.

Оптимальный ассортимент СОЖ должен включать жидкости как универсальные (для широкого круга операций обработки резанием различных обрабатываемых материалов) так и специализированные (применяемые на отдельных операциях или при обработке только одного материала, или решения других специальных задач).

Автоматический выбор СОЖ основан на поиске (с помощью банка данных в ЭВМ) марок СОЖ, отвечающих необходимым требованиям.

Последовательность выбора:

1. выбор из общего массива справочных данных, представленных в машинной форме (рекомендации по выбору СОЖ) кодов СОЖ, записанных в ячейках памяти ЭВМ с координатами, определяемыми заданными условиями механической обработки в конкретных условиях (вид операции, обрабатываемый и инструментальный материал, режимы резания, геометрические параметры режущего инструмента и др.)
2. определение наличия универсальных СОЖ в полученном массиве;
3. определение количества возможно совместимых СОЖ;
4. расчет оптимального числа марок СОЖ.

Контроль СОЖ осуществляется путем встраивания в систему подачи СОЖ автоматической измерительной системы состояния СОЖ.

На станках с ЧПУ зона контакта инструмента с деталью не имеет фиксированного положения в пространстве и устройство подачи СОЖ должно обеспечивать автоматическую коррекцию направления потока. Коррекция угла атаки струй СОЖ осуществляется или по программе от системы ЧПУ, или с помощью автономных следящих систем управления.

9.5. Способы подачи СОЖ

Применяют следующие основные способы подач СОЖ в зону резания лезвийным инструментом:

1. свободно падающей струей;
2. напорной струей;
3. струей воздушно-жидкостной смеси /в распыленном состоянии/;
4. через каналы в теле режущего инструмента.

Подача СОЖ чаще всего осуществляется свободнопадающей струей (поливом). Свободно падающая струя истекает из сопел различных конструкций под давлением 0,03-0,1 МПа, (т.е. под действием силы тяжести) и обильно поливает зону резания.

Широко практикуется подача СОЖ напорной струей под давлением 0,1-2,5 МПа. На операциях глубокого сверления давление струи СОЖ достигает 10 МПа. Напорную струю можно подавать как в зону обработки (со стороны задней грани инструмента), так и по каналам в теле инструмента. При подаче в зону обработки скорость напорной струи достигает 40-60 м/с. В целях уменьшения разбрызгивания рекомендуется разветвлять поток СОЖ - часть потока направлять в виде тонкой напорной струи, а часть- свободным поливом.

Недостатки подачи СОЖ высоконапорной струей следующие:

1. трудность обеспечения в производственных условиях нужного направления струи СОЖ на режущую кромку инструмента;
2. необходимость тщательной очистки СОЖ, чтобы исключить засорение сопла;
3. необходимость оснащения станка специальной насосной станцией;
4. сильное разбрызгивание жидкости.

Подача СОЖ в распыленном состоянии осуществляется путем смешивания СОЖ и воздуха и в виде аэрозоли направляют в зону резания. Эффективность действия СОЖ при такой подаче можно объяснить повышением физической и химической активности СОЖ, по сравнению с охлаждением нераспыленной струей. К преимуществам этой подачи СОЖ следует отнести чрезвычайно малые расходы жидкости 400-500 г/ч водной СОЖ и 0,5-3 г/ч распыленные СОЖ применяют в следующих случаях: на операциях, где применение СОЖ поливом невозможно; при обработке некоторых труднообрабатываемых материалов, когда полив не эффективен; при необходимости оздоровления условии труда; для уменьшения температурных деформации деталей в процессе обработки. Аэрозоли с успехом применяют на агрегатных станках, автоматических линиях и станках с ЧПУ, в том числе многооперационных.

Подача СОЖ по каналам в теле инструмента весьма эффективна, но осуществима для ограниченной номенклатуры инструментов. Такая технология подачи СОЖ получила распространение при обработке глубоких отверстий спиральными сверлами, твердосплавными сверлами одностороннего резания, ружейными и кольцевыми сверлами, метчиками, протяжками. Для подвода СОЖ к вращающимся инструментам с внутренними каналами применяют специальные патроны и маслоприемники.

Глубокие отверстия сверлят с принудительным наружным или внутренним отводом стружки и подводом СОЖ, применяя при этом специальные режущие инструменты.

Наибольшие трудности возникают при выборе технологии подачи СОЖ на операциях обработки глубоких отверстий мелкоразмерным инструментом, не содержащим внутренних каналов. В этих случаях целесообразно подавать в зону резания несколько струй жидкости равномерно по конусу, ось которого совпадает с осью режущего инструмента, а вершина располагается в зазоре между кондукторной втулкой и обрабатываемой деталью. При обработке глубоких отверстий перспективна также подача СОЖ импульсным (ударным) методом, так при ее подаче с частотой 10-13 Гц по сравнению с подачей непрерывной напорной струи возможно повышение в 2-2,5 раза производительности обработки и улучшение дробления и отвода стружки. На некоторых сверлильных операциях при зенкеровании и развертывании отверстий глубиной менее двухдиаметров, а также отверстий малого диаметра СОЖ подводят через кольцевые насадки.