книги / Резание материалов
..pdfОбласть применения пирометров IN 3000: окрашенные металлы, металлы с покрытием, анодированные металлы. Некоторые характеристики: 3 диапазона измерения температуры, 3 выхода: 10 мВ/°С, термопара типа J или K, невысокая стоимость, корпус из нержавеющей стали с резьбой PG11, простая установка и подключение, малые размеры, рабочая температура окружающего воздуха до 70 °С без охлаждения. Этот пирометр в большей степени удовлетворяет требованиям исследования температуры резания: невысокая стоимость, простота установки и подключения, малые размеры, возможность подключения к прибору «Камертон» и т.д. Но недостатком является узкий диапазон измеряемой температуры: от 0 до 500 °С. Ведь температура в зоне резания может достигать при скоростной обработке 800 °С, а на поверхности трения по передней грани – даже 1200 °С и выше.
3.2. Смазочно-охлаждающие технологические средства
Одним из наиболее простых и доступных путей интенсификации процесса механообработки является увеличение режимов обработки. Наибольший эффект в этом случае дает увеличение толщины срезаемого слоя. Но при этом приходится существенно снижать скорость резания для сохранения заданного периода стойкости. Исключить эти ограничения возможно, если при резании использовать смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС).
СОТС являются одним из наиболее важных переменных факто-
ров состояния системы резания. За |
счет изменения |
состава |
и состояния СОТС можно эффективно |
осуществлять |
глубокие |
и многосторонние изменения параметров функционирования системы резания. При постоянной мощности тепловых источников температуру резания можно понизить, интенсифицируя отвод тепла в деталь и инструмент. Этого можно достигнуть, охлаждая деталь, стружку, инструмент струей смазочно-охлаждающей жидкости. Направляя струю жидкости на стружку, можно добиться понижения температуры только ее слоев, прилегающих к свободной поверхности. Температурарезанияприэтомпонижается незначительно.
201
Существенно больший эффект можно получить, если струя жидкости будет омывать инструмент и тем самым повышать теплообмен между инструментом и окружающей средой. Поэтому нужно, чтобы струя жидкости омывала не только деталь и стружку, но и инструмент. С более низкой температурой резания работают инструменты, имеющиевнутреннееохлаждениережущей части.
Применение эффективных СОТС выдвигают на первый план всякий раз, когда создают или совершенствуют существующие методы обработки резанием в целях обеспечения резкого повышения режима резания, что сопровождается соответствующим увеличением объема сжимаемой стружки в единицу времени. В этих случаях СОТС, с одной стороны, снижают интенсивность силовых и тепловых нагрузок на режущий инструмент и обрабатываемую деталь, а с другой стороны, позволяют своевременно удалять из зоны резания образующуюся стружку и продукты износа инструмента. Таким образом, СОТС являются органическим элементом комплекса средств, обеспечивающих эффективную эксплуатацию металлообрабатывающего оборудования и освоение новых прогрессивных методов и технологических процессов обработки металлов. Являясь одним из наиболее важных переменных факторов состояния системы резания, СОТС оказывают глубокое и многостороннее влияние на все показатели еефункционирования.
3.2.1.Требования, предъявляемые
ксмазочно-охлаждающим жидкостям
Смазочно-охлаждающая жидкость представляет собой комбинацию материалов, подаваемых к инструменту и заготовке, основной функцией которой является смазка, охлаждение и удаление стружки из зоны резания. Однако существует и ряд других требований, которые должны быть выполнены, если мы хотим обеспечить оптимальные рабочие характеристики смазочноохлаждающей жидкости, используемой при обработке металлов.
Перечислим эти основные требования к СОТС:
1. Быстрое проникающее действие. Для обеспечения оптимального охлаждающего действия жидкость должна иметь способность легко проникать в пространство между стружкой и ин-
202
струментом. Чем меньше поверхностное натяжение, тем лучше. На практике СОЖ должны иметь поверхностное натяжение порядка 30…40 дин/см.
2.Хорошее смазывающее действие. Это требование идентично требованию быстрого охлаждающего действия. Низкая величина поверхностного натяжения СОЖ содействует лучшему проникновению смазочных веществ между стружкой, инструментом и заготовкой.
3.Осаждение шлама. Осаждение шлама является важной характеристикой жидкости, в особенности при определенных видах работ. Например, при шлифовании частицы металла и абразива должны осаждаться на дно резервуара, откуда их можно легко удалить. Они не должны циркулировать вместе с СОЖ, так как это ведет к износу деталей станка и уменьшает срок службы круга, а также ухудшает чистоту обработки поверхности. С другой стороны, слишком быстрое осаждение может привести к тому, что шлам осядет на станине станка.
4.Стабильность. Для того чтобы обеспечить наивысшую производительность и качество продукции СОЖ должна быть стабильной в воде, иначе говоря, поддерживать стабильный химсостав. Сегодня стало возможным выбрать СОЖ, которая остается стабильной в очень жесткой воде.
5.Коррозионная стойкость. Смазочно-охлаждающие жидкости должны защищать обрабатываемые детали и станки от коррозии как во время самой металлообработки, так и во время коротких межстаночных интервалов в процессе производства. Существуют продукты, специально предназначенные для снижения коррозии как черных, так и цветных металлов (ингибиторы коррозии – вещества, препятствующие появлению коррозии); некоторые СОЖ сами обеспечивают достаточную антикоррозионную защиту цветных или черных металлов.
6.Устойчивость к бактериальному поражению. Смазочноохлаждающие жидкости должны хорошо противостоять появлению бактерий. Они должны содержать безопасные и эффективные бактерициды, которые контролируют размножение микроор-
203
ганизмов, попадающих в СОЖ вместе с водой, смазочным маслом, используемым в станке, с обработанных деталей и т.д.
7.Отсутствие нежелательных осадков. Смазочно-охлаждаю- щие жидкости не должны образовывать нежелательных отложений или содействовать их появлению на деталях или станках. Твердые или липкие отложения препятствуют перемещению деталей станка и резко отрицательно влияют на точность обработки поверхности. С другой стороны, мягкие и маслянистые отложения также весьма нежелательны, так как они захватывают пыль, частицы металла и абразивные частицы.
8.Минимальное пенообразование. Пенообразование считается нежелательным свойством СОЖ. Пена поддерживает частицы шлама, рециркулирует грязь и таким образом может испортить чистоту поверхности обрабатываемой детали. Кроме того, избыточное пенообразование ведет к ускоренному росту количества бактерий и переполнению резервуара жидкости, что влечет за собой необходимость дополнительной чистки станка и резервуара, может отрицательно сказаться на безопасности труда.
9.Противопожарная безопасность. Смазочно-охлаждающие жидкости не должны дымиться или воспламеняться.
10.Экологическая безопасность. Смазочно-охлаждающие жидкости должны быть чистыми и безопасными в обращении
сточки зрения дерматологии и токсикологии. Безопасные продукты улучшают условия труда.
3.2.2. Классификация смазочно-охлаждающих технологических средств
Современные СОТС – это сложные многокомпонентные системы. Однако процессы обработки металлов резанием характеризуются исключительно большим многообразием, обусловленным обширной номенклатурой обрабатываемых и инструментальных материалов, спецификой конкретных операций, характером и масштабом производства. Поэтому СОТС и методы их применения, высокоэффективные для одной группы обрабатываемых материалов и операций, могут быть малоэффективными для других, а подчас оказывать и вредное воздействие
204
на процесс резания и стойкость. Все виды современных СОТС можно разделить на четыре группы: газообразные, жидкие, твердые и пластичные.
Из рассмотренных можно выделить две основные группы СОЖ: масляные (основной компонент – масло) и водные (основа приготовления – разбавление водой). В свою очередь водные делятся на эмульсии, полусинтетические и синтетические продукты. Применение СОТС способствует снижению температуры резания, приводит к уменьшению внешнего трения и охлаждению зоны резания. Смазочно-охлаждающие технологические средства на жидкой основе (СОЖ) являются самой распространенной технологической средой при обработке материалов, что обусловлено их более высокой (по сравнению с твердыми и пластичными смазочными веществами) охлаждающей, проникающей и моющей способностью, а также экономичностью и доступностью.
Смазочно-охлаждающие технологические средства на жидкой основе классифицируют по их химической структуре на углеводородные составы, эмульсионные жидкости и водные СОЖ. В зависимости от физико-химических особенностей основной фазы СОЖ подразделяют на водные (водосмешиваемые), масляные и специальные (основная фаза – животные и растительные масла, синтетические масла, органические жидкости и расплавы металлов).
Водные СОЖ. В зависимости от дисперсности компонентов, вводимых в основную фазу, водные СОЖ разделяют на четыре группы: растворы электролитов, синтетические СОЖ, полусинтетические СОЖ и эмульсии.
Масляные СОЖ. В масляные СОЖ входят базовое минеральное масло и различные присадки, причем базовое масло составляет 60…100 % массы СОЖ.
Органические жидкости. К органическим жидкостям, используемым в СОТС, относятся хлорированные углеводороды (четыреххлористый углерод, трихлорэтилен, перхлорэтилен и др.), ароматические и циклические углеводороды (хлорбензол,
205
тетралин и др.), спирты (глицерин, гликоли, изопропиловый спирт и др.), простые и сложные эфиры, альдегиды, алкилкарбоновые кислоты.
Продукт типа водной эмульсии состоит из воды с небольшими 2…10 % добавками концентрата эмульсолов. Эмульсолы представляют собой подобранные специальным образом (сбалансированные) концентрированные смеси минеральных масел, эмульгаторов, ПАВ веществ-связок, ингибиторов коррозии, бактерицидных и смачивающих присадок, антивспенивателей и других компонентов. Размер капелек эмульгированного масла обычно составляет 1…2 мк, т.е. они достаточно большие, чтобы отражать почти весь падающий на них свет. Поэтому эти продукты имеют молочный или матовый цвет.
Масляными являются смазочно-охлаждающие жидкости полученные из нефти (минеральное И20) или с добавкой серы 2…3 % (осерненное – сульфофрезол), специальные (смесь керосина и масла), а также из масла животного, морского или растительного происхождения (льняное, сурепное, касторовое).
Масляные СОТС чаще всего представляют собой высокоочищенные минеральные масла вязкостью 2…40 мм2/с при 50 °С без присадок или с присадками различного функционального назначения. Масляные СОТС изготовляют простым смешением компонентов (базового масла и присадок) без химического взаимодействия. Применяются для резания легкообрабатываемых металлов, таких как алюминий, магний, бронза, а также при профильном фрезеровании, протягивании и шлифовании, при малых задних углах инструмента. Масляные СОЖ характеризуются слабым охлаждающим действием по сравнению с продуктами на водяной основе. При повышенных скоростях резания возможно возгорание масла, дымление, поэтому при скоростном резании не применяется.
В качестве исключительной и временной меры допускается применение нетиповых (нестандартных) СОТС, изготовляемых на машиностроительном предприятии из отдельных компонентов. Необходимость в применении нетиповых СОТС возникает
206
при временном отсутствии на предприятии соответствующих товарных средств, а также при выполнении некоторых специфических операций, для которых СОТС базового ассортимента неэффективны.
Синтетические СОТС не содержат в своем составе минеральных масел. Их отличительные свойства – высокая коррозионная стойкость и отличное смачивающее и охлаждающее действие. В зависимости от типа добавленной присадки они могут также обеспечивать противозадирные и противоизносные свойства. В смеси с водой они образуют чистую прозрачную жидкость (хотя иногда эта жидкость имеет характерный искусственный цвет, так как в СОЖ были введены присадки). Эти жидкости более дорогие. При попадании постороннего масла они теряют свои свойства.
Полусинтетические продукты содержат сравнительно небольшое количество масла. При разведении в воде они образуют очень мелкодисперсную смесь, которая является полупрозрачной. Преимущества полусинтетических продуктов по сравнению с эмульсиями следующие: улучшенные свойства подавления бактериального поражения; коррозионная устойчивость; показывают хорошие результаты при шлифовании и при тяжелых режимах обработки металлов резанием.
Полусинтетические и синтетические СОТС – сравнительно новые классы жидкостей, имеющие преимущества перед эмульсолами по стабильности, сроку службы, прозрачности рабочих растворов. Концентраты таких СОТС в своем составе содержат
25…50 % воды.
Твердые смазки. По отношению к металлам поверхностноактивными средами в смазках оказываются расплавы легкоплавких металлов: ртути – для цинка и латуни; галлия – для алюминия и его сплавов; висмута – для меди и бронз; цинка – для железа и сталей; кадмия – для титана; цинка и олова – для жаропрочных сплавов и сталей. Использование в качестве смазывающей среды расплавов легкоплавких металлов увеличивает стойкость инструментов до 30 раз по сравнению с обработкой всухую, су-
207
щественно снижает температуру в зоне резания (на 400…500 °С), что способствует увеличению режимов обработки и повышению производительности труда, качество обработанной поверхности не ухудшается.
Для обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе (ЖС6У, ЖС6УВИ) и титановых сплавов (ВТ-22, ВТ-25У и др.) предложено в качестве присадок к СОТС использовать мелкозернистый порошок меди (4 %) с величиной зерна не более 0,005 мм. Применение вышеназванной присадки позволило повысить стойкость инструмента в 1,3…1,5 раза. При этом качественные характеристики обработанной поверхности (шероховатость, остаточные напряжения, глубина и степень наклепа) улучшаются.
В качестве твердых смазочных материалов (ТСМ) используют различные виды твердых веществ:
неорганические материалы со слоистой (ламеллярной) структурой; к ним относят тальк, слюду, графит, дисульфиды молибдена, вольфрама и титана, буру, нитрит бора, бромиды олова
икадмия, сульфат серебра, йодиды висмута, никеля и кадмия, фталоцианин, селениды и теллуриды вольфрама;
твердые органические соединения, такие как мыла, воски, твердые жиры;
полимерные пленки и ткани (нейлон, полиэтилен, поли-
амид, политетрафторэтилен, полифенилсилоксаны, термопластичные и фторированные полимеры и др.);
металлические пленочные покрытия (медь, латунь, свинец,
олово, барий, цинк);
лед и перешедшие при низких температурах в твердое состояние жидкости и газы.
Газообразные среды. Самой распространенной смазочноохлаждающей средой является атмосферный воздух.
Индивидуальные газы представляют собой химические соединения, находящиеся в нормальных условиях (при комнатной температуре и атмосферном давлении) в газообразном состоянии. Из них в качестве СОТС используют всего несколько газов: кислород, азот, двуокись углерода.
208
Пары сжиженных газов используют для интенсивного охлаждения зоны обработки. Практическое применение нашли пары двуокиси углерода, азота, кислорода, воздуха.
Пары твердых и жидких веществ, образующиеся при их нагреве и разложении (пиролизе), используют для проведения вспомогательных процедур, связанных с применением СОЖ: пастеризация СОЖ острым водяным паром, обеззараживание СОЖ продувкой паров кристаллического йода, применение водяного пара для мойки оборудования и др.
Следует отметить, что вид использования СОТС оказывает существенное влияние на температуру.
Исходным моментом при решении вопроса о составе среды, способном дать положительный эффект, является отчетливое представление о том, какое воздействие на данной операции или на иной группе операций должны оказывать СОТС.
Анализ литературных источников позволил сделать заключение, что в настоящее время в промышленном масштабе в основном освоено применение лишь масляных и водосмешивающих СОТС, дающих наибольший эффект в повышении производительности труда и улучшении качества обработанной поверхности. В табл. 7 приведена основная номенклатура СОЖ, применяемых сегодня в машиностроении.
Хозрасчетным творческим центром при Уфимском государственном авиационном техническом университете разработан ряд новых оригинальных СОТС для механообработки, сумевших заменить аналогичные зарубежные марки. Перечислим их.
1. «Росойл-101» – средневязкое масляное СОТС на основе минеральных масел. В настоящее время используется на операциях чистовой вырубки, листовой штамповки углеродистых и нержавеющих сталей, холодной высадки, протягивания и лезвийной обработки металлов. Благодаря высоким противозадирным свойствам существенно снижает износ металлообрабатывающего инструмента и превышает по качеству зарубежные смазки «Кур- тис-55» и РТ-15 (Швейцария).
209
210
Таблица 7
Современный ассортимент СОТС
Марка |
Состав |
|
Обрабатываемый |
Коэф. |
||
материал, операция |
стойкости |
|||||
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||
Укринол-1 (ТУ 38101197–82), |
2…15 % – водные эмульсии, композиция |
Чугуны, |
углеродистые, низко- и |
1,5…2,5 |
||
Укринол-1М (ТУ 38101878–83), |
минерального масла И-12А, нефтяных |
среднелегированные конструкци- |
|
|||
Укринол-ЗП (ТУ 38101847–83) |
сульфонатов, экстракта трансформатор- |
онные стали на операциях точе- |
|
|||
|
ного дистиллята, триэтаноламина, нит- |
ния, растачивания, зенкерования, |
|
|||
|
рита натрия и др. |
протягивания, шлифования |
|
|||
|
|
|
|
|||
В-29б, В-32к, В-35 |
Однородная маслянистая жидкость тем- |
Алюминиевые сплавы |
1,2…1,5 |
|||
(ТУ 3810188–75), |
но-коричневого цвета с различными |
|
|
|
|
|
В-31 (ТУ 3810189–75) |
противозадирными присадками |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Аквол-2 (ТУ 38101581–79), |
2…10 % водные эмульсии, смесь компо- |
Легированные, |
коррозионно- |
1,7…3,0 |
||
Аквол-6 (ТУ 38101875–82), |
зиций ЭК-1 (40 %) в минеральном масле |
стойкие |
стали, |
алюминиевые |
|
|
Аквол-10м (ТУ 38101931–83) |
типа И-12А (35…41 %), высокоактивные |
сплавы, инструментальные стали |
|
|||
|
противозадирные присадки – хлориро- |
на операциях точения, растачи- |
|
|||
|
ванный парафин (10…15 %), органиче- |
вания, отрезки, резьбонарезания, |
|
|||
|
ские и неорганические ингибиторы кор- |
протягивания, шлифования чу- |
|
|||
|
розии и др. |
гунов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
МР-1у, МР-7 (ТУ 38101731–80), |
Масляные СОТС, концентраты для при- |
Конструкционные |
углеродистые |
1,5…3,0 |
||
МР-8у (ТУ 38101780–82), |
готовления масляных СОТС с высокоза- |
и легированные стали, жаропроч- |
|
|||
МР-10 (ТУ 38101973–84) |
дирными и противозадирными присад- |
ные стали и сплавы на операциях |
|
|||
|
ками (хлорсульфидированного жира, |
точения, отрезки, сверления, зен- |
|
|||
|
молотой серы) в индустриальном масле |
керования, фрезерования, зубо- |
|
|||
|
(И-5А, И-12А, И-20А и др.) |
обработки и др. |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
210