Преимущества обработки металлов без применения смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) или сухая обработка звучат подкупающе: экономия производственных затрат на СОЖ и ее очистку, повышение производительности. Однако недостаточно просто закрыть кран подачи СОЖ. Для осуществления сухой обработки станок должен быть функционально доработан.

При обычном резании СОЖ выполняет следующие основные функции: охлаждение, смазку, отвод стружки и удаление загрязнений. При исключении использования СОЖ эти функции должны компенсироваться станком и инструментом.

Компенсация смазки

Смазочное действие СОЖ распространяется по двум направлениям. С одной стороны, осуществляется смазка поверхности трения между деталью и инструментом, а с другой - смазка подвижных элементов и уплотнений в рабочей зоне. Рабочая зона станка, расположенные здесь подвижные элементы и удаление стружки должны быть рассчитаны на работу с сухой стружкой. Однако при резании не во всех случаях возможен отказ от смазки, например, при сверлении по целому алюминиевых сплавов. При этом виде обработки необходима подача смазки в минимальных дозируемых количествах в виде масляного тумана, который подается под давлением на режущие кромки и в стружечные канавки сверла. Такая смазка эффективно уменьшает тепловыделение при резании и налипание материала на инструмент, которое ведет к снижению его работоспособности. При дозированной подаче смазки ее асход составляет 5..100 мл/мин, поэтому стружка слабо смочена маслом и может удаляться, как сухая. Содержание масла в стружке, направляемой на переплавку, при правильной настройке системы не превышает допустимого значения - 0,3%.

Дозированная подача смазки вызывает увеличение загрязнений детали, приспособления и станка в целом и может привести к снижению надежности процесса обработки. Для улучшения смазки режущих кромок сверла станки, используемые для сухой обработки, должны быть оснащены системой внутреннего подвода масляного тумана через отверстие в шпинделе. Далее аэрозоль подается через канал в патроне и инструменте непосредственно к его режущим кромкам. Главным требованием к системам дозированной подачи СОЖ является быстрая и точно регулируемая подготовка масляного тумана. От этого зависит не только защита инструмента, но и чистота в рабочей зоне.

Компенсация охлаждения

Отказ от охлаждающего влияния СОЖ также должен компенсироваться конструктивными изменениями в станке.

В процессе резания механическая работа почти полностью превращается в тепло. В зависимости от параметров резания и используемого инструмента 75:95% тепловой энергии остается в стружке, снимаемой с детали. При сухой обработке она выполняет функцию отвода образующегося тепла из рабочей зоны. Поэтому важно минимизировать влияние этого транспорта тепла на точность обработки. Неравномерное температурное поле в рабочей зоне станка и точечная передача тепловой энергии на деталь, приспособление и станок в целом оказывают влияние на точность.

Следует исключать возможность накапливания стружки на приспособлении и деталях станка. Отсюда понятно, что обработка сверху является неблагоприятным вариантом. Чтобы по возможности ограничить вредное влияние тепловой энергии, станок должен проектироваться таким образом, чтобы тепловые деформации отдельных узлов и деталей станка не влияли на положение инструмента относительно детали.

Компенсация смывающего действия СОЖ

Поскольку СОЖ не используется, то при обработке таких материалов, как чугуны или легкие металлы, образуется пыль и мельчайшая стружка, которые уже не связываются жидкостью. Уплотнения и защитные устройства необходимо дополнительно защищать от абразивного воздействия.

Так как направление траектории разлета стружки не однозначно, то следует использовать действие силы тяжести. Для этого необходимо обеспечить беспрепятственное падение стружки на отводящий транспортер, располагаемый в нижней части рабочего пространства. Любая горизонтальная плоскость становится накопителем стружки и может оказать влияние на надежность обработки.

Другим средством удаления стружки являются системы вакуумного отсоса. Главным требованием здесь будет размещение отсасывающего сопла как можно ближе к рабочей зоне, чтобы повысить надежность улавливания стружки. Можно рекомендовать системы, в которых сопло крепится на шпинделе или инструменте, а также

в которых сопло устанавливается с программируемым поворотом в следящем режиме. В отдельных случаях, например, при фрезеровании плоскостей торцевой фрезой, отсасывающий эффект можно усилить за счет использования колоколообразного ограждения фрезы. Без него для улавливания разлетающейся с большой скоростью стружки потребуется мощный воздушный поток.

Отсасывающая система должна, в первую очередь, удалять пыль и излишки масляного тумана, а удаление крупной стружки - задача стружечного транспортера. Отсос мельчайших частиц очень важен, поскольку, смешиваясь с аэрозолью, они образуют прочный грязевой слой. Воздух из системы отсоса возвращается в окружающую среду и должен быть тщательно очищен от продуктов отсоса.

Аспекты безопасности при сухой обработке

При сухой обработке необходимо учитывать возможность взрыва пыли в рабочем пространстве. Поэтому пылеотсасывающее сопло должно быть размещено так, чтобы исключить появления зон с критической концентрацией пыли.

Опасность воспламенения масляной аэрозоли, как показали исследования, проведенные в Институте станкостроения и технологического оборудования Карлсруэского университета, крайне маловероятна. При работе отсасывающих систем и цеховых кондиционеров этой опасностью можно пренебречь. Все эти утверждения могут отпугнуть мелкие производства и изготовителей отдельных деталей. Многие представляют переход от обработки с применением СОЖ к сухой обработке значительно проще.

Путь к многоцелевому станку, работающему по сухой технологии

Станкостроительной фирмой, которая точно знает, куда идти, является Hüller Hille. От этого поставщика комплектных систем требуется обеспечивать в автоматически работающих установках высокое качество обработки. Такие же требования должны предъявляться и ко всем станкам, работающим по сухой технологии. В качестве примера на рис.1 показан производственный модуль технологической системы, предназначенной для обработки кронштейна колеса автомобиля. На каждом из двух станков, входящих в модуль, при 3-х сменной работе обрабатываются с дозированной подачей СОЖ1400 пар кронштейнов. Обрабатываемый материал - алюминий.

Подвод дозированной смазки при резании легких сплавов

Если при обработке серых чугунов в широком диапазоне можно реализовать полностью сухую обработку, то при сверлении, развертывании и резьбонарезании по алюминиевым и магниевым сплавам для обеспечения надежности процесса необходима дозированная подача СОЖ. В противном случае из-за забивки стружечных канавок существует угроза частых поломок инструмента и образование нароста, препятствующего получению качественной обработки.

Главным аспектом является подвод смазывающей среды. При дозированной подаче СОЖ - это воздушно-масляная смесь (аэрозоль).

Используемые в настоящее время системы по виду подвода аэрозоли делятся на наружные и внутренние. Если при наружном подводе аэрозоль или отдельные капли масла можно подводить непосредственно к режущим кромкам инструмента, то при внутреннем дозированная подача масла производится через шпиндель и канал в инструменте к зоне резания. Здесь также существуют 2 технических решения: 1-канальный и 2-канальный подвод. При 2-канальном подводе воздух и масло подаются в шпиндель раздельно и смешиваются непосредственно перед подачей к инструменту. Это позволяет быстро доставить смесь к рабочей зоне и сократить путь аэрозоли внутри быстровращающихся деталей, снизив тем самым опасность ее расслоения.

На рис. 2 показано техническое решение, используемое фирмой Huller Hille, для раздельной подачи компонентов аэрозоли через вращающийся распределитель к шпинделю. Масло попадает в дозирующее устройство, которое продавливает его в корпус, изготовленный методом порошковой металлургии. Корпус является накопителем для масла и смесителем его с подводимым воздухом. Аэрозоль образуется непосредственно перед входом в канал инструмента. Так создается минимальный путь до режущей кромки, где возможно проявление эффекта расслоения. Устройство позволяет точно регулировать содержание масла в аэрозоли и благодаря этому точнее подстраиваться под условия работы различных инструментов.

Кроме этого, устройство позволяет быстро включать и выключать дозированную подачу СОЖ. В зависимости от конструкции канала в инструменте, время срабатывания может составлять 0,1 с. Это позволяет выключать подачу масла во время процесса позиционирования, что способствует снижению расхода масла и загрязненности станка.

Как следствие, при опытной обработке головки цилиндров среднее потребление масла составило 25 мл/ч, тогда как при обработке со свободным поливом расход достигает 300:400 л/мин.

В настоящее время для исключения мертвых зон проводятся тестовые испытания системы дозированной подачи СОЖ, направленные на повышение однородности аэрозоли, снижение содержания масла и оптимизацию конструкции подвода аэрозоли через хвостовик типа <полый конус>. Решение этих проблем позволит уменьшить потребление масла и загрязненность станка. Исследуется возможность адаптивного управления струей смазки в зависимости от заданного и измеренного значений объемного потока. Это позволит поддерживать постоянными условия смазки при изменении температуры, вязкости, внутренней геометрии инструмента.

Оптимизация рабочей зоны станка

Кроме шпинделя, созданного в соответствии с требованиями дозированной подами смазки через внутреннюю полость, фирма Huller Hille выпустила многоцелевой станок, предназначенный для обработки деталей по сухой технологии. Базой для надежного удаления стружки явилось конструктивное оформление рабочей зоны. Так исключены всевозможные кромки и плоскости, на которых может скапливаться стружка. Увеличены размеры окон для свободного прохода падающей стружки, которые ограничиваются крутыми стенками (угол наклона более 55 0). Неокрашенные стальные листы ограждений сводят до минимума прилипание стружки и образования подпалин.

Важное значение для беспрепятственного падения стружки имеет установка приспособления с деталью на вертикальной стенке (рис.3). На станке для смены спутников с деталями используется поворотный вокруг горизонтальной оси внутренний манипулятор. В позиции смены деталь принимает привычное вертикальное положение и может быть заменена вручную или автоматически внешним манипулятором, соединяющим станок с транспортной системой.

При отводе стружки из рабочей зоны используется пылеотсасывающая система. Как предписывается в странах ЕЭС, отсасывающее сопло располагается под сеткой стружечного транспортера. Оно забирает пылевые частицы, остатки аэрозоли и мелкую стружку. Крупная стружка задерживается сеткой транспортера и им удаляется. Такое решение позволяет снизить мощность пылеотсасывающей системы.

Несмотря на оптимальный вариант крепления детали, в некоторых случаях стружка не удаляется свободным падением, например, при обработке корпусных деталей, имеющих внутренние полости, где она может скапливаться. Для таких случаев станок оснащается круглым столом с высокой частотой вращения - 500 мин -1 по сравнению с 50 мин -1 на обычных станках. При быстром вращении стружка выбрасывается из полостей детали, особенно если при смене она время от времени устанавливается в горизонтальное положение.

Важным аспектом является загрязнение станка. Мелкая стружка, смоченная маслом, покрывает довольно толстым слоем узлы станка в рабочей зоне. Если из-за высокой кинетической энергии разлетающуюся крупную стружку сложно удалить отсосом, то мелкая, являющаяся основным компонентом загрязнений, удаляется легко. Поэтому использование пылеотсоса является главным компонентом борьбы с загрязнением.

Актуальным предметом исследований является поиск универсально используемых решений пылеотсоса для различных типов инструментов или возможностей использования магазина и манипулятора системы автоматической смены инструмента для автоматической смены отсасывающих устройств.

Термический эффект

Термические проблемы касаются как устройств для крепления деталей, и процесса обработки, так и станка в целом. Станок должен иметь термосимметричную конструкцию. 3-х координатные узлы, которыми комплектуется станки гаммы Specht, удовлетворяют этим условиям. Поворотный в вертикальной плоскости внутренний манипулятор для спутника с деталью смонтирован на двух опорах в стойке рамного типа, что также обеспечивает термосимметричность конструкции. Таким образом, обеспечивается равномерность тепловых деформаций станка перпендикулярно поверхности детали. В верхней части стойка связана с 3-х координатным узлом. Совместно со связкой в нижней части станины конструкция исключает опрокидывание. Возникает чистое поступательное смещение, которое может быть учтено введением компенсации.

Термосимметричность, однако, не предотвращает появления ошибки вдоль оси Z, в честности удлинения шпинделя и узлов станка. В целом обрабатывающие операции, при которых требуется точное позиционирование по оси Z, встречаются не так часто. Тем не менее, Hüller Hille предлагает дополнительные возможности активной компенсации погрешности по этой оси. Так, станок Specht 500T оснащен лазерной системой контроля поломки инструмента. Положение контрольных марок на шпинделе и на приспособлении регистрируется лазерным лучом, посредством которого определяется изменение положений и вводится поправка.

Построение процесса обработки определяет точность

По прежнему построение процесса является решающим для достижения точности. Последовательность операций при сухой обработке в сравнении с мокрой существенно изменена. В большинстве случаев прямой перенос последовательности операций с мокрой обработки на сухую не желателен. С другой стороны, используемая при сухой технологии последовательность не вредна и при мокрой технологии. Поэтому концепции сухой обработки могут быть приняты в любых случаях.

Чаще всего смазочно-охлаждающая жидкость подается в зону обработки свободно падающей струей. СОЖ стекает из сопел различных конструкций под давлением 0,03-0,1 Мпа (то есть под действием силы тяжести).

Кроме метода полива, существуют следующие типы подачи жидкости:

• напорной струей;
• струей воздушно-жидкостной смеси в распыленном состоянии;
• через каналы в теле режущего инструмента.

Подача напорной струей широко практикуется при операциях глубокого сверления. Давление струи обычно варьируется в пределах 0,1-2,5 МПа, но может достигать и 10 МПа.

Напорную струю может подаваться 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.

При подаче СОЖ высоконапорной струей наблюдаются следующие недостатки:

• трудность обеспечения нужного направления струи СОЖ на режущую кромку инструмента;
• необходимость тщательной очистки СОЖ во избежание засорения сопла;
• обязательное оснащение станка специальной насосной станцией;
• сильное разбрызгивание жидкости.

Подача СОЖ в распыленном состоянии осуществляется путем смешивания жидкости с воздухом и ее направления в зону резания. Такая подача СОЖ эффективнее, чем охлаждение нераспыленной струей, так как физическая и химическая активность аэрозольных СОЖ выше. Кроме того, метод распыления отличается чрезвычайно малым расходом СОЖ.

Охлаждение распылением применяется в том случае, когда полив жидкостью невозможен или неэффективен, при необходимости оздоровления условий труда, в целях уменьшения температурных деформаций деталей в процессе обработки.

СОЖ в виде аэрозолей используются на агрегатных станках, автоматических линиях и станках с ЧПУ, в том числе многооперационных.

Подача по каналам в теле инструмента весьма эффективна, но возможна для ограниченной номенклатуры инструментов. Такая технология получила распространение при обработке глубоких отверстий спиральными, 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.

Наибольшие трудности возникают при выборе технологии подачи СОЖ на операциях обработки глубоких отверстий мелкоразмерным инструментом без 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 подаче охлаждающей жидкости с частотой 10-13 Гц производительность обработки, дробления и отвода стружки в 2-2,5 раза выше, чем при подаче СОЖ непрерывной напорной струей.

На некоторых сверлильных операциях при зенкеровании и развертывании отверстий глубиной менее двух диаметров, а также отверстий малого диаметра СОЖ подводят через кольцевые насадки.

Особенности шпиндельных узлов. Важной особенностью многоцелевых станков с ЧПУ является применение в их конструкции мотор-шпинделей. Они обеспечивают высокую точность вращения, большие числа оборотов (до 60000 об/мин и более), имеют малые габариты и собственный вес. Обязательным условием является наличие систем охлаждения. Применяются системы внешней и внутренней подачи СОЖ. Внешняя система базируется на использовании сопел, устанавливаемых в нужном направлении для охлаждения режущего инструмента и смывания стружки с обрабатываемых поверхностей. Внутренняя система обеспечивает подачу СОЖ непосредственно через шпиндель. Давление охлаждающих жидкостей может достигать значительных величин.

Один из примеров внешнего вида такого шпинделя показан на рис. 79. А на рис. 80 показан разрез аналогичного устройства. Следует обратить внимание на наличие датчиков вибраций и температурных датчиков на подшипниках, а также датчика наличия инструмента и датчика положения.

Рис. 79. Внешний вид шпинделя для скоростной обработки деталей

Рис. 80. Структурная схема устройства шпинделя (продольный разрез)

Такое количество источников информации о процессе обработки делает его безотказным и безопасным на высоких режимах резания, позволяет получать необходимую точность размеров обрабатываемых деталей.

На рис. 81 представлены графики параметров работы шпиндельных узлов многоцелевых станков. Цифрой 1 обозначена кривая зависимости развиваемой мощности от числа оборотов шпинделя, а цифрой 2 – кривая зависимости развиваемого крутящего момента также от числа оборотов шпинделя.

Характер изменения указанных параметров хорошо просматривается по форме кривых и пояснений не требует.

Для шпинделя модели MTS-28.63 характерны большие значения параметров мощности и момента, чем для шпинделя модели ETS-21.32, что совпадает с данными табл. 10. Число оборотов у него значительно меньше.

Следовательно, модель MTS-28.63 целесообразно применять для более тяжелых условий обработки, в т. ч. для черновых операций.

Рис. 81. Графики параметров (мощности и крутящего момента) работы шпиндельных узлов: а – шпиндель модели ETS-21.32; б – шпиндель модели MTS-28.63

Табл. 10. Модели шпиндельных узлов станков и их технические данные

Табл. 11. Основные характеристики некоторых шпиндельных узлов обрабатывающих центров

Шпиндельные узлы, как основные узлы станков и наиболее ответственные за качество обработки, снабжаются дополнительными системами. Среди них система внутреннего охлаждения, система подачи СОЖ к инструменту через шпиндель, система охлаждения деталей поливом под давлением через специальные трубки-сопла. Имеются датчики величины вибрации, а также датчики температуры подшипниковых узлов, наличия инструмента и др. (рис. 82).

Учитывая сложные высокоскоростные условия обработки, решаются вопросы быстрой замены подшипниковых узлов и повышения долговечности подшипников за счет использования керамических тел качения.

а

б

Рис. 82. Схема размещения датчиков: а – наличия вибрации; б – температуры нагрева подшипников

Системы охлаждения станков. Большое внимание разработчики станков с ЧПУ уделяют проблеме охлаждения. Объектом внимания служат шпиндельные узлы, частота вращения которых достигает десятков тысяч оборотов в минуту. От эффективного охлаждения конструктивных элементов станка зависит точность обработки и долговечность работы самих узлов.

Еще более важно эффективно охлаждать обрабатываемую деталь и инструмент, находящиеся в зоне резания. Этим определяется точность получаемых размеров и стойкость режущего инструмента. В настоящее время находят применение различные схемы подачи СОТС в зону резания (рис. 83). Например, подача под давлением через шпиндель и каналы, выполненные в инструменте. В этом случае деталь охлаждается непосредственно по обрабатываемой поверхности (в отверстии). Улучшаются условия резания из-за вымывания стружки. Такими каналами для внутреннего подвода могут снабжаться твердосплавные сверла диаметром от 1 мм.

Для хорошего отвода стружки при сверлении СОЖ должна подаваться через инструмент Если станок не оснащен системой подачи СОЖ через шпиндель, рекомендуется под

Для хорошего отвода стружки при сверлении СОЖ должна подаваться через инструмент. Если станок не оснащен системой подачи СОЖ через шпиндель, рекомендуется подавать СОЖ через специальные вращающиеся переходники. При глубине отверстия менее 1xD допускается использование внешнего охлаждения и пониженные режимы. На диаграмме показан расход СОЖ для различных типов свёрл и материалов. Тип СОЖ Рекомендуется эмульсия 6-8%. При сверлении нержавеющей стали и высокопрочных сталей применяйте 10% эмульсию. При использовании сверлильных головок IDM используйте 7-15% эмульсии на основе минеральных и растительных масел для сверления нержавеющей стали и высокотемпературных сплавов. Сверление без СОЖ Возможно сверление чугуна без СОЖ с подачей масленного тумана через каналы сверла. Симптомы износа сверлильной головки Изменение диаметра 0 > D nominal + 0.15mm D nominal (1) Новая головка (2) Изношенная головка Сильно увеличивается вибрация и шум Ышыг D41 (шшшрти. (шшртц/ Руководство по использованию Условия обработки Давление внутреннего охлаждения Рекомендуемые значения давления и расхода Расход СОЖ (л/мин) Минимальное давление СОЖ (бар) Диаметр сверла D (мм) Диаметр сверла D (мм) Для специальных свёрл больше 8xD рекомендуется высокое давление СОЖ 15 70 бар.

02.11.2012
Новые направления в технологии СОЖ для металлообработки

1. Масло вместо эмульсии

В начале 90-х гг. предложения по замене эмульсий СОЖ на чистые масла рассматривались с точки зрения анализа общей стоимости процесса. Основным возражением являлась высокая стоимость безводных рабочих жидкостей (5—17% от общей стоимости процесса) по сравнению с СОЖ на водной основе.
В настоящее время замена эмульсий СОЖ на чистые масла является возможным решением многих проблем. При использовании чистых масел преимущество заключается не только в цене, но и в улучшении качества металлообработки, а также в обеспечении безопасности на рабочих местах. В плане безопасности чистые масла менее вредны при воздействии на открытые участки кожи человека, нежели эмульсии. В их составе отсутствуют биоциды и фунгициды. Безводные СОЖ имеют больший срок службы (от 6 недель для индивидуальных станков до 2—3 лет в централизованных циркуляционных системах). Использование чистых масел оказывает меньшее негативное влияние на экологию. Чистые масла обеспечивают более высокое качество металлообработки практически на всех стадиях процесса (более 90%).
Замена эмульсии на масла обеспечивает лучшую смазочную способность СОЖ, улучшает качество поверхности при шлифовании (финишировании) и значительно увеличивает срок службы оборудования. Ценовой анализ показал, что при производстве коробки передач стоимость практически всех стадий снижается вдвое.
При использовании безводных СОЖ срок службы оборудования на CBN (кубический нитрид бора) обдирке и протяжке отверстий увеличивается в 10-20 раз. Кроме того, при обработке чугуна и мягких сталей не требуется дополнительная коррозионная защита. Это же относится и к оборудованию, даже в том случае, когда поврежден защитный слой краски.
Единственным недостатком безводных СОЖ является выделение в процессе металлообработки большого количества тепла. Отвод тепла может снизиться в четыре раза, что особенно важно при таких операциях, как сверление твердых высокоуглеродистых материалов. В этом случае вязкость применяемых масел должна быть как можно ниже. Однако это приводит к снижению безопасности работы (масляный туман и пр.), причем испаряемость экспоненциально зависит от снижения вязкости. Кроме того, снижается температура вспышки. Эта проблема может быть решена применением нетрадиционных (синтетических) масляных основ, сочетающих высокую температуру вспышки с низкой испаряемостью и вязкостью.
Первыми маслами, отвечающими этим требованиям, были смеси масел гидрокрекинга и сложных эфиров, которые появились в конце 80-х гг. XX в., и чистые эфирные масла, поступившие на рынок в начале 90-х.
Наиболее интересными являются масла на основе сложных эфиров. Они обладают очень низкой испаряемостью. Эти масла представляют собой продукты различной химической структуры, получаемые как из животных, так и из растительных жиров. Кроме низкой испаряемости, эфирные масла характеризуются хорошими трибологическими свойствами. Даже без присадок они обеспечивают снижение трения и износа вследствие своей полярности. Кроме того, они характеризуются высоким вязкостно-температурным индексом, взрыво-пожаро-безопасностью, высокой биостойкостью и могут использоваться не только как СОЖ, но и как смазочные масла. На практике лучше использовать смесь эфирных масел и масел гидрокрекинга, так как трибологические характеристики остаются высокими, а их цена значительно ниже.

1.1. Семейство многофункциональных СОЖ

Решающим шагом в оптимизации стоимости смазочных материалов в процессах металлообработки стало использование чистых масел. При расчете обшей стоимости СОЖ недооценивалось влияние стоимости смазочных материалов, используемых в металлообработке. Исследования в Европе и США показали, что за год смешение гидравлических жидкостей с СОЖ происходит от трех до десяти раз.
На рис. 1 эти данные приведены в графическом виде за 10-летний период в европейской автомобильной промышленности.

В случае применения СОЖ на водной основе попадание значительных количеств масел в СОЖ приводит к серьезному изменению качества эмульсии, что ухудшает качество металлообработки, вызывает коррозию и ведет к увеличению стоимости. При использовании чистых масел загрязнение СОЖ смазочными материалами неощутимо и становится проблемой только тогда, когда начинает снижаться точность обработки и увеличивается износ оборудования.
Тенденции использования чистых масел в качестве СОЖ металлообработки открывают ряд возможностей по снижению стоимости. Анализ, проведенный немецкими машиностроителями, показал, что в среднем в каждом типе металлообрабатывающих станков используется семь различных наименований смазочных материалов. Это, в свою очередь, поднимает проблемы утечек, совместимости и стоимости всех используемых смазочных материалов. Неправильный выбор и применение смазочных материалов могут привести к выходу оборудования из строя, что, вероятно, повлечет за собой остановку производства. Одним из возможных решений этой проблемы является использование многофункциональных продуктов, которые удовлетворяют широкому спектру требований и могут заменять собой смазочные материалы различных назначений. Препятствием к применению универсальных жидкостей является требования стандарта ISO к гидравлическим жидкостям VG 32 и 46, так как современное гидравлическое оборудование разрабатывается с учетом приведенных в этих стандартах значений вязкости. С другой стороны, металлообработка требует СОЖ с низкой вязкостью для уменьшения потерь и улучшения отвода тепла при скоростном резании металла. Эти противоречия в требованиях к вязкости при различном использовании смазочных материалов разрешаются использованием присадок, что позволяет снизить общую стоимость.
Преимущества:
. неизбежные потери гидравлических и приработочных масел не ухудшают СОЖ;
. неизменность качества, что позволяет исключить сложные анализы;
. использование СОЖ в качестве смазочных масел снижает общую стоимость;
. повышение надежности, результатов процесса и долговечности оборудования значительно снижает общую стоимость производства;
. универсальность применения.
Рациональное использование универсальных жидкостей предпочтительнее для потребителя. Примером этому может служить двигателестроение. Одно и то же масло может быть использовано при первичной обработке блока цилиндров и при их хонинговании. Такая технология очень эффективна.

1.2. Моющие линии

На этих линиях операций по очистке нужно исключить моющие растворы на водной основе, чтобы избежать образования нежелательных смесей с гидрофильными маслами. Твердые загрязнения удаляются из масел ультрафильтрацией, а моющие средства (энергозатраты на очистку и перекачку воды, анализ качества отходящей воды) можно исключить, что приведет к снижению общей стоимости производства.

1.3. Удаление масла из отходов металла и с оборудования

Правильный подбор присадок позволяет вовлекать обратно в процесс масла, извлеченные из отходов металла и с оборудования. Объем рециркулята составляет до 50% от потерь.

1.4. Перспективы универсальных жидкостей — «Unifluid »

Будущее за низковязким маслом, которое будет использоваться и как гидравлическая жидкость, и как СОЖ для металлообработки. Универсальная жидкость «Unifluid » разработана и опробована в немецком исследовательском проекте, спонсируемом министерством сельского хозяйства. Эта жидкость имеет вязкость 10 мм 2 /с при температуре 40 °С и показывает прекрасные результаты на предприятиях по производству автомобильных двигателей в процессах металлообработки, для смазки и в силовых линиях, включая гидравлические системы.

2. Минимизация количества смазочных материалов

Изменения в законодательстве и повышающиеся требования к защите окружающей среды касаются и производства СОЖ. Учитывая международную конкуренцию, металлообрабатывающая промышленность принимает все возможные меры по снижению стоимости производства. Анализ автомобильной промышленности, опубликованный в 90-х гг., показал, что основные проблемы стоимости вызваны применением рабочих жидкостей, причем стоимость СОЖ в этом случае играет немаловажную роль. Реальная стоимость обуславливается стоимостью самих систем, стоимостью трудозатрат и затрат на поддержание жидкостей в рабочем состоянии, затрат на очистку как жидкостей, так и воды, а также на утилизацию (рис. 2).

Все это приводит к тому, что большое внимание уделяется возможному снижению использования смазочных материалов. Значительное снижение количества используемых СОЖ, как результат использования новых технологий, дает возможность снизить стоимость производства. Однако это требует того, чтобы такие функции СОЖ, как отвод тепла, снижение трения, удаление твердых загрязнений, были решены с помощью других технологических процессов.

2.1. Анализ потребностей в СОЖ при различных процессах металлообработки

Если СОЖ не используются, то, естественно, оборудование во время работы перегревается, что может привести к структурному изменению и отпуску металла, изменению в размерах и даже поломке оборудования. Использование СОЖ, во-первых, позволяет отводить тепло, а во-вторых, уменьшает трение при обработке металла. Однако если оборудование выполнено из углеродистых сплавов, то использование СОЖ может, наоборот, привести к его поломке и, соответственно, снизить срок службы. И все же, как правило, использование охлаждающих жидкостей (особенно благодаря их способности снижать трение) приводит к увеличению срока службы оборудования. В случае шлифовки и хонингования применение СОЖ исключительно важно. Система охлаждения играет огромную роль в этих процессах, так как поддерживается нормальная температура оборудования, что очень важно в металлообработке. При снятии стружки выделяется примерно 80% тепла, и СОЖ выполняют здесь двойную функцию, охлаждая как резец, так и стружку, предотвращая возможные перегревы. Кроме того, часть мелкой стружки уходит вместе с СОЖ.
На рис. 3 показаны потребности в СОЖ при различных процессах металлообработки.

Сухая (без использования СОЖ) обработка металла возможна при таких процессах, как дробление, и очень редко — при обточке и сверлении. Но следует обратить внимание на то, что сухая обработка с геометрически неточным концом режущего инструмента невозможна, так как в этом случае отвод тепла и орошение жидкостью оказывает решающее влияние на качество изделия и срок службы оборудования. Сухая обработка при дроблении чугуна и стали в настоящее время применяется с помощью специального оборудования. Однако при этом удаление стружки должно производиться или простой очисткой, или сжатым воздухом, и в результате возникают новые проблемы: повышенный шум, дополнительная стоимость сжатого воздуха, а также необходимость тщательной очистки от пыли. Кроме того, пыль, содержащая кобальт или хромникель, токсична, что также влияет на стоимость производства; нельзя игнорировать и повышенную взрывопожароопасность при сухой обработке алюминия и магния.

2.2. Системы малой подачи СОЖ

По определению, минимальным количеством смазочного материала считается количество не превышающее 50 мл/ч.
На рис. 4 приведена принципиальная схема системы с минимальным количеством смазочного материала.

С помощью дозирующего устройства небольшое количество СОЖ (максимум 50 мл/ч) в виде мелких брызг подается на место металлообработки. Из всех видов дозирующих устройств, существующих на рынке, в металлообработке успешно используются только два вида. Наиболее широкое применение находят системы, работающие под давлением. Применяются системы, где масло и сжатый воздух смешиваются в емкости, и аэрозоль шлангом подается непосредственно на место металлообработки. Существуют также системы, когда масло и сжатый воздух, не смешиваясь, подаются под давлением к форсунке. Объем жидкости, подаваемый поршнем за один ход, и частота работы поршня весьма различны. Количество подаваемого сжатого воздуха определяется отдельно. Преимущество использования дозирующего насоса состоит в том, что есть возможность применять компьютерные программы, контролирующие весь рабочий процесс.
Поскольку используются очень небольшие количества смазочного материала, подача непосредственно к рабочему месту должна производиться с особой аккуратностью. Существуют два варианта подачи СОЖ, которые весьма различны: внутренний и внешний. При внешней подаче жидкости смесь распыляется форсунками на поверхность режущего инструмента. Этот процесс относительно недорогой, прост в исполнении и не требует больших трудозатрат. Однако при внешней подаче СОЖ отношение длины инструмента к диаметру отверстия должно быть не более 3. Кроме того, при смене режущего инструмента легко допустить позиционную ошибку. При внутренней подаче СОЖ аэрозоль подается через канал внутри режущего инструмента. Отношение длины к диаметру должно быть более 3, а позиционные ошибки исключаются. Кроме того, стружка легко удаляется через эти же внутренние каналы. Минимальный диаметр инструмента — 4 мм, из-за наличия канала подачи СОЖ. Этот процесс является более дорогостоящим, так как подача СОЖ происходит через шпиндель станка. Системы с малой подачей СОЖ имеют одну общую черту: жидкость поступает в рабочую зону в виде мелких капель (аэрозоль). При этом основными проблемами становятся токсичность и поддержание гигиенических норм рабочего места на должном уровне. Современные разработки систем подачи аэрозолей СОЖ позволяют предотвратить заливание рабочего места, уменьшить потери при разбрызгивании, улучшая тем самым показатели воздуха на рабочем месте. Большое количество систем малой подачи СОЖ приводит к тому, что хотя и возможно подобрать требуемый размер капель, но многие показатели, как то: концентрация, размер частиц и пр., недостаточно изучены.

2.3. СОЖ для систем с малой подачей

Наряду с минеральным маслами и СОЖ на водной основе, сегодня применяются масла на основе сложных эфиров и жирных спиртов. Так как в системах малой подачи СОЖ используют масла для проточного смазывания, распыляемые в рабочей зоне в виде аэрозолей и масляного тумана, то первоочередными проблемами становятся вопросы охраны труда и промышленной безопасности (ОТ и ПБ). В этом плане предпочтительнее применение смазочных материалов на основе сложных эфиров и жирных спиртов с низкотоксичными присадками. Природные жиры и масла имеют большой недостаток — низкая стабильность к окислению. При использовании смазочных материалов на основе сложных эфиров и жирных кислот не образуется осадков в рабочей зоне благодаря их высокой антиокислительной стабильности. В табл. 1 приведены данные по смазочным материалам на основе сложных эфиров и жирных спиртов.

Для систем с малой подачей СОЖ имеет большое значение корректный подбор смазочного материала. Для снижения выбросов используемый смазочный материал должен быть малотоксичным и дерматологически безопасным, обладая при этом высокой смазочной способностью и термической стабильностью. Смазочные материалы на основе синтетических сложных эфиров и жирных спиртов характеризуются низкой испаряемостью, высокой температурой вспышки, малотоксичны и хорошо зарекомендовали себя в практическом применении. Основными показателями при подборе низкоэмиссионных смазочных материалов являются температура вспышки (DIN EN ISO 2592) и потери на испаряемость по Ноаку (DIN 51 581Т01). t всп должна быть не ниже 150 °С, а потери на испаряемость при температуре 250 °С — не выше 65%. Вязкость при 40 °С> 10 мм 2 /с.

При равной вязкости смазочные материалы на основе жирных спиртов имеют температуру вспышки ниже, чем на основе сложных эфиров. Их испаряемость выше, поэтому охлаждающий эффект — ниже. Смазывающие свойства по сравнению со смазочными материалами на основе сложных эфиров также относительно низкие. Жирные спирты можно использовать там, где смазывающие способности не являются основными требованиями. Например, при обработке серого чугуна. Углерод (графит), входящий в состав чугуна, сам обеспечивает смазывающий эффект. Также их можно применять при резании чугуна, стали и алюминия, так как рабочая зона в результате быстрого испарения остается сухой. Однако слишком высокое испаре¬ние нежелательно из-за загрязнения воздуха в рабочей зоне масляным туманом (не должно превышать 10 мг/м 3). Смазочные материалы на основе сложных эфиров целесообразно использовать тогда, когда необходима хорошая смазка и наблюдается большой отход стружки, например при нарезании резьб, сверлении и обточке. Преимущество смазочных материалов на основе сложных эфиров — в высоких температурах кипения и вспышки при низкой вязкости. В результате этого испаряемость ниже. В то же время на поверхности детали остается предотвращающая коррозию пленка. Кроме того, смазочные материалы на основе сложных эфиров легко разлагаются биологически и имеют 1-й класс загрязнения воды.
В табл. 2 приводятся примеры применения смазочных материалов на основе синтетических сложных эфиров и жирных спиртов.

Основные аспекты, рассматриваемые при разработке СОЖ для систем с малой подачей, приведены ниже. Главное, на что следует обратить внимание при разработке СОЖ, это их низкая испаряемость, нетоксичность, слабое воздействие на кожу человека в сочетании с высокой температурой вспышки. Результаты новых исследований по подбору оптимальных СОЖ показаны далее.

2.4. Исследование факторов, влияющих на образование масляного тумана СОЖ для систем с малой подачей

Когда в процессе металлообработки используется система с малой подачей СОЖ, то образование аэрозоля происходит при подаче жидкости в рабочую зону, причем высокая концентрация аэрозоля наблюдается при использовании внешней системы разбрызгивания. При этом аэрозоль представляет собой масляный туман (размер частиц от 1 до 5 мкм), оказывающий вредное влияние на легкие человека. Изучались факторы, способствующие образованию масляного тумана (рис. 5).

Особый интерес представляет собой влияние вязкости смазочного материала, а именно снижение концентрации масляного тумана (индекс масляного тумана) с увеличением вязкости СОЖ. Проводились исследования по влиянию антитуманных присадок с целью снизить его вредное влияние на легкие человека.
Необходимо было выяснить, как влияет давление, применяемое в системе подачи СОЖ, на количество образующегося масляного тумана. В целях оценки образуемого масляного тумана использовался прибор, основанный на эффекте «конус Тиндаля», — тиндаллометр (рис. 6).

Для оценки масляного тумана тиндаллометр располагают на некотором расстоянии от форсунки. Далее полученные данные обрабатывают на компьютере. Ниже приведены результаты оценки в виде графиков. Из этих графиков видно, что образование масляного тумана усиливается с увеличением давления при разбрызгивании, особенно при использовании маловяз¬ких жидкостей. Увеличение давления разбрызгивания в два раза вызывает соответственно увеличение объема образующегося тумана также в два раза. Однако если давление разбрызгивания мало и стартовые характеристики оборудования низки, то период, за который количество СОЖ достигает требуемых норм для обеспечения нормальной работы, увеличивается. В то же время индекс масляного тумана значительно возрастает при снижении вязкости СОЖ. С другой стороны, стартовые характеристики оборудования разбрызгивания выше при использовании жидкости с низкой вязкостью, чем при использовании высоковязких СОЖ.
Эта проблема решается добавлением к СОЖ антитуманных присадок, что позволяет снизить количество образуемого тумана для жидкостей с различной вязкостью (рис. 7).

Применение таких присадок дает возможность уменьшить образование тумана более чем на 80%, не ухудшая при этом ни стартовых характеристик системы, ни стабильности СОЖ, ни характеристик самого масляного тумана. Как показано проведенными исследованиями, образование тумана можно значительно снизить при правильном выборе давления разбрызгивания и вязкости применяемой СОЖ. Введение соответствующих антитуманных присадок также приводит к положительным результатам.

2.5. Оптимизация систем с малой подачей СОЖ для сверлильного оборудования

Испытания проводились на материалах, используемых в системах с малой подачей СОЖ (глубокое сверление (соотношение длина/диаметр более 3) с внешней подачей СОЖ) , на сверлильном оборудовании DMG (табл. 3)

В обрабатываемой детали из высоколегированной стали (Х90МоСг18) с высокой прочностью на разрыв (от 1000 Н/мм 2) требуется просверлить глухое отверстие. Сверло из высокоуглеродистой стали SE — шток с режущей кромкой, обладающей высоким сопротивлением к изгибу, покрытый PVD-TIN . СОЖ подбирались в целях получения оптимальных условий процесса с учетом внешней подачи. Исследовалось влияние вязкости эфира (основы СОЖ) и композиции специальных присадок на срок службы сверла. Испытательный стенд позволяет измерять величину режущих сил в направлении оси z (в глубину) с помощью измерительной платформы Кистлера. Рабочие характеристики шпинделя измерялись в течение всего времени, требуемого для сверления. Два метода, принятых для измерения нагрузок при однократном сверлении, позволили определить нагрузки в течение всего испытания. На рис. 8 приведены свойства двух эфиров, каждого с одинаковыми присадками.

Роман Маслов.
По материалам зарубежных изданий.