Переваги обробки металів без застосування мастильно-охолоджувальної рідини (СОЖ) або суха обробка звучать підкупно: економія виробничих витрат на СОЖ та її очищення, підвищення продуктивності. Однак недостатньо просто закрити кран подачі СОЖ. Для здійснення сухої обробки верстат має бути функціонально доопрацьований.

При звичайному різанні СОЖ виконує такі основні функції: охолодження, мастило, відведення стружки та видалення забруднень. За винятком використання СОЖ ці функції повинні компенсуватися верстатом та інструментом.

Компенсація мастила

Мастильна дія СОЖ поширюється за двома напрямками. З одного боку, здійснюється змащення поверхні тертя між деталлю та інструментом, а з іншого - змащення рухомих елементів та ущільнень у робочій зоні. Робоча зона верстата, розташовані тут рухомі елементи та видалення стружки повинні бути розраховані на роботу із сухою стружкою. Однак при різанні не завжди можлива відмова від мастила, наприклад, при свердлінні по цілому алюмінієвих сплавів. При цьому виді обробки необхідна подача мастила в мінімальних дозованих кількостях у вигляді масляного туману, який подається під тиском на кромки ріжучі і в стружкові канавки свердла. Таке мастило ефективно зменшує тепловиділення при різанні та налипання матеріалу на інструмент, що веде до зниження його працездатності. При дозованій подачі мастила її сход становить 5..100 мл/хв, тому стружка слабо змочена олією і може видалятися, як суха. Вміст олії в стружці, що направляється на переплавлення, при правильному налаштуванніСистема не перевищує допустимого значення - 0,3%.

Дозована подача мастила викликає збільшення забруднень деталі, пристосування та верстата загалом і може призвести до зниження надійності процесу обробки. Для покращення мастила різальних кромок свердла верстати, що використовуються для сухої обробки, повинні бути оснащені системою внутрішнього підведення масляного туману через отвір у шпинделі. Далі аерозоль подається через канал у патроні та інструменті безпосередньо до його ріжучих кромок. Головна вимога до систем дозованої подачі СОЖ є швидка і точно регульована підготовка масляного туману. Від цього залежить не тільки захист інструменту, а й чистота у робочій зоні.

Компенсація охолодження

Відмова від охолоджувального впливу СОЖ також має компенсуватися конструктивними змінами у верстаті.

У процесі різання механічна робота майже повністю перетворюється на тепло. Залежно від параметрів різання та інструменту, що використовується, 75:95% теплової енергії залишається в стружці, що знімається з деталі. При сухій обробці вона виконує функцію відведення тепла, що утворюється, з робочої зони. Тому важливо мінімізувати вплив цього транспорту тепла на точність обробки. Нерівномірне температурне поле в робочій зоні верстата та точкова передача теплової енергії на деталь, пристосування та верстат загалом впливають на точність.

Слід виключати можливість накопичення стружки на пристрої та деталях верстата. Звідси зрозуміло, що обробка згори є несприятливим варіантом. Щоб по можливості обмежити шкідливий впливтеплової енергії, верстат повинен проектуватися таким чином, щоб теплові деформації окремих вузлів та деталей верстата не впливали на положення інструменту щодо деталі.

Компенсація дії, що змиває СОЖ

Оскільки СОЖ не використовується, то при обробці таких матеріалів, як чавуни або легкі метали, утворюється пил та дрібна стружка, які вже не зв'язуються рідиною. Ущільнення та захисні пристрої необхідно додатково захищати від абразивної дії.

Оскільки напрямок траєкторії розльоту стружки не однозначно, слід використовувати дію сили тяжіння. Для цього необхідно забезпечити безперешкодне падіння стружки на транспортер, що відводить, розташований в нижній частині робочого простору. Будь-яка горизонтальна площина стає накопичувачем стружки і може вплинути на надійність обробки.

Іншим засобом видалення стружки є системи вакуумного відсмоктування. Головною вимогою тут буде розміщення сопла, що відсмоктує, якомога ближче до робочої зони, щоб підвищити надійність уловлювання стружки. Можна рекомендувати системи, в яких сопло кріпиться на шпинделі або інструменті, а також

в яких сопло встановлюється з програмованим поворотом у режимі, що стежить. В окремих випадках, наприклад, при фрезеруванні площин торцевою фрезою, ефект, що відсмоктує, можна посилити за рахунок використання дзвоноподібного огородження фрези. Без нього для уловлювання розлітається з великою швидкістюстружки знадобиться потужний повітряний потік.

Система, що відсмоктує, повинна, в першу чергу, видаляти пил і надлишки масляного туману, а видалення великої стружки - завдання стружкового транспортера. Відсмоктування найдрібніших частинок дуже важливий, оскільки, змішуючись з аерозолью, вони утворюють міцний грязьовий шар. Повітря із системи відсмоктування повертається у навколишнє середовище і має бути ретельно очищено від продуктів відсмоктування.

Аспекти безпеки при сухій обробці

При сухій обробці необхідно враховувати можливість вибуху пилу у робочому просторі. Тому пиловідсмоктуючий сопло має бути розміщено так, щоб виключити появи зон з критичною концентрацією пилу.

Небезпека займання масляної аерозолі, як показали дослідження, проведені в Інституті верстатобудування та технологічного обладнанняКарлсруеського університету, вкрай малоймовірна. При роботі відсмоктувальних систем та цехових кондиціонерів цієї небезпеки можна знехтувати. Всі ці твердження можуть відлякати дрібні виробництва та виробників окремих деталей. Багато хто представляє перехід від обробки із застосуванням СОЖ до сухої обробки значно простіше.

Шлях до багатоцільового верстата, що працює за сухою технологією

Верстатобудівною фірмою, яка точно знає, куди йти є Hüller Hille. Від цього постачальника комплектних систем потрібно забезпечувати в автоматичних установках високу якість обробки. Такі ж вимоги мають пред'являтися і до всіх верстатів, що працюють за сухою технологією. Як приклад на рис.1 показаний виробничий модуль технологічної системи, призначеної для обробки кронштейна колеса автомобіля. На кожному з двох верстатів, що входять до модуля, при 3-х змінній роботі обробляються з дозованою подачею СОЖ1400 пар кронштейнів. Матеріал, що обробляється - алюміній.

Підведення дозованого мастила при різанні легких сплавів

Якщо при обробці сірих чавунів у широкому діапазоні можна реалізувати повністю суху обробку, то при свердлінні, розгортанні та різьбонарізуванні алюмінієвими і магнієвими сплавами для забезпечення надійності процесу необхідна дозована подача СОЖ. В іншому випадку через забиття стружкових канавок існує загроза частих поломок інструменту та утворення наросту, що перешкоджає отриманню якісної обробки.

Головним аспектом є підведення змащувального середовища. При дозованій подачі СОЖ - це повітряно-масляна суміш (аерозоль).

Використовувані нині системи за видом підведення аерозолі поділяються на зовнішні та внутрішні. Якщо при зовнішньому підведенні аерозоль або окремі краплі олії можна підводити безпосередньо до ріжучих кромок інструменту, то при внутрішньому дозована подача олії проводиться через шпиндель і канал в інструменті до зони різання. Тут також існують 2 технічні рішення: 1-канальне та 2-канальне підведення. При 2-канальному підведенні повітря та масло подаються в шпиндель окремо і змішуються безпосередньо перед подачею до інструменту. Це дозволяє швидко доставити суміш до робочої зони і скоротити шлях аерозолі всередині деталей, що швидко обертаються, знизивши тим самим небезпеку її розшарування.

На рис. 2 показано технічне рішення, використовуване фірмою Huller Hille, для роздільної подачі компонентів аерозолі через розподільник, що обертається, до шпинделя. Олія потрапляє в пристрій, що дозує, яке продавлює його в корпус, виготовлений методом порошкової металургії. Корпус є накопичувачем для масла і змішувачем його з повітрям, що підводиться. Аерозоль утворюється безпосередньо перед входом до каналу інструменту. Так створюється мінімальний шлях до ріжучої кромки, де можливий прояв розшарування ефекту. Пристрій дозволяє точно регулювати вміст олії в аерозолі і завдяки цьому точніше підлаштовуватись під умови роботи різних інструментів.

Крім цього, пристрій дозволяє швидко вмикати та вимикати дозовану подачу СОЖ. Залежно від конструкції каналу в інструменті час спрацьовування може становити 0,1 с. Це дозволяє вимикати подачу олії під час процесу позиціонування, що сприяє зниженню витрати олії та забрудненості верстата.

Як наслідок, при дослідній обробці головки циліндрів середнє споживання олії склало 25 мл/год, тоді як при обробці з вільним поливом витрата досягає 300:400 л/хв.

В даний час для виключення мертвих зон проводяться тестові випробування системи дозованої подачі СОЖ, спрямовані на підвищення однорідності аерозолі, зниження вмісту олії та оптимізацію конструкції підведення аерозолі через хвостовик типу<полый конус>. Вирішення цих проблем дозволить зменшити споживання олії та забрудненість верстата. Досліджується можливість адаптивного керування струменем мастила в залежності від заданого та виміряного значень об'ємного потоку. Це дозволить підтримувати постійними умови мастила за зміни температури, в'язкості, внутрішньої геометрії інструменту.

Оптимізація робочої зони верстата

Крім шпинделя, створеного відповідно до вимог дозованого подами мастила через внутрішню порожнину, фірма Huller Hille випустила багатоцільовий верстат, призначений для обробки деталей за сухою технологією. Базою для надійного видалення стружки стало конструктивне оформлення робочої зони. Так виключені різні кромки і поверхні, на яких може накопичуватися стружка. Збільшено розміри вікон для вільного проходу стружки, що падає, які обмежуються крутими стінками (кут нахилу більше 55 0). Незабарвлені сталеві листи огорож зводять до мінімуму прилипання стружки та утворення підпалин.

Важливе значення для безперешкодного падіння стружки має установка пристрою з деталлю на вертикальній стінці (рис.3). На верстаті для зміни супутників із деталями використовується поворотний навколо горизонтальної осі внутрішній маніпулятор. У позиції зміни деталь приймає звичне вертикальне положення та може бути замінена вручну або автоматично зовнішнім маніпулятором, що з'єднує верстат з транспортною системою.

При відведенні стружки з робочої зони використовується пиловідсмоктувальна система. Як передбачається в країнах ЄЕС, відсмоктуючий сопло розташовується під сіткою стружкового транспортера. Воно забирає пилові частинки, залишки аерозолі та дрібну стружку. Велика стружка затримується сіткою транспортера і видаляється. Таке рішення дозволяє знизити потужність пилевідсмоктувальної системи.

Незважаючи на оптимальний варіанткріплення деталі, у деяких випадках стружка не видаляється вільним падінням, наприклад, при обробці корпусних деталей, що мають внутрішні порожнини, де вона може накопичуватися. Для таких випадків верстат оснащується круглим столомз високою частотою обертання - 500 хв -1 проти 50 хв -1 на звичайних верстатах. При швидкому обертанні стружка викидається з порожнин деталі, якщо при зміні вона іноді встановлюється в горизонтальне положення.

Важливим аспектом є забруднення верстата. Дрібна стружка, змочена олією, покриває досить товстим шаром вузли верстата у робочій зоні. Якщо з-за високої кінетичної енергії велику стружку, що розлітається, складно видалити відсмоктуванням, то дрібна, що є основним компонентом забруднень, видаляється легко. Тому використання пиловідсмоктування є головним компонентом боротьби із забрудненням.

Актуальним предметом досліджень є пошук універсально застосовуваних рішень пиловідсмоктувача для різних типівінструментів або можливостей використання магазину та маніпулятора системи автоматичної зміни інструменту для автоматичної зміни пристроїв, що відсмоктують.

Термічний ефект

Термічні проблеми стосуються як пристроїв для кріплення деталей, і процесу обробки, і верстата загалом. Верстат повинен мати термосиметричну конструкцію. 3-х координатні вузли, якими комплектується верстати гами Specht, відповідають цим умовам. Поворотний у вертикальній площині внутрішній маніпулятор для супутника з деталлю змонтований на двох опорах у стійці рамного типу, що забезпечує термосиметричність конструкції. Таким чином, забезпечується рівномірність теплових деформацій верстата перпендикулярно поверхні деталі. У верхній частині стійка пов'язана із 3-х координатним вузлом. Спільно зі зв'язуванням у нижній частині станини конструкція виключає перекидання. Виникає чисте поступальне усунення, що може бути враховано запровадженням компенсації.

Термосиметричність, однак, не запобігає появі помилки вздовж осі Z, в чесності подовження шпинделя і вузлів верстата. У цілому обробні операції, у яких потрібно точне позиціонування осі Z, зустрічаються негаразд часто. Тим не менш, Hüller Hille пропонує додаткові можливостіактивної компенсації похибки цієї осі. Так, верстат Specht 500T оснащений лазерною системою контролю поломки інструменту. Положення контрольних марок на шпинделі та на пристосуванні реєструється лазерним променем, за допомогою якого визначається зміна положень та вводиться поправка.

Побудова процесу обробки визначає точність

Як і раніше, побудова процесу є вирішальною для досягнення точності. Послідовність операцій при сухій обробці порівняно з мокрою суттєво змінена. У більшості випадків пряме перенесення послідовності операцій з мокрої обробки на суху не бажане. З іншого боку, використовується при сухій технології послідовність не шкідлива і при мокрій технології. Тому концепції сухої обробки можуть бути прийняті у будь-яких випадках.

Найчастіше мастильно-охолоджувальна рідина подається в зону обробки вільно падаючим струменем. СОЖ стікає із сопел різних конструкційпід тиском 0,03-0,1 МПа (тобто під дією сили тяжіння).

Крім методу поливу, існують такі типи подачі рідини:

• напірним струменем;
• струменем повітряно-рідинної суміші в розпорошеному стані;
• через канали у тілі ріжучого інструменту.

Подача напірного струменя широко практикується при операціях глибокого свердління. Тиск струменя зазвичай варіюється в межах 0,1-2,5 МПа, але може досягати 10 МПа.

Напірний струмінь може подаватися як у зону обробки (з боку задньої грані інструменту), так і каналами в тілі інструменту. При подачі в зону обробки швидкість напірного струменя досягає 40-60 м/с. З метою зменшення розбризкування рекомендується розгалужувати потік СОЖ: частину потоку направляти у вигляді тонкого напірного струменя, а частина - вільним поливом.

При подачі СОЖ високонапірним струменем спостерігаються такі недоліки:

• складність забезпечення необхідного напрямку струменя СОЖ на ріжучу кромку інструмента;
• необхідність ретельного очищення СОЖ, щоб уникнути засмічення сопла;
• обов'язкове оснащення верстата спеціального насосною станцією;
• сильне розбризкування рідини.

Подача СОЖ у розпорошеному стані здійснюється шляхом змішування рідини з повітрям та її направлення до зони різання. Така подача СОЖ ефективніша, ніж охолодження нерозпиленим струменем, оскільки фізична та хімічна активність аерозольних СОЖ вища. Крім того, метод розпилення відрізняється надзвичайно малою витратою СОЖ.

Охолодження розпиленням застосовується у тому випадку, коли полив рідиною неможливий чи неефективний, за необхідності оздоровлення умов праці, з метою зменшення температурних деформацій деталей у процесі обробки.

СОЖ у вигляді аерозолів використовуються на агрегатних верстатах, автоматичних лініях та верстатах з ЧПУ, у тому числі багатоопераційних.

Подача каналами в тілі інструменту дуже ефективна, але можлива для обмеженої номенклатури інструментів. Така технологія набула поширення при обробці глибоких отворів спіральними, рушничними та кільцевими свердлами, мітчиками, протяжками. Для підведення СОЖ до інструментів, що обертаються, з внутрішніми каналами застосовують спеціальні патрони і маслоприймачі.

Глибокі отвори свердлять із примусовим зовнішнім або внутрішнім відведенням стружки та підведенням СОЖ.

Найбільші труднощі виникають під час виборів технології подачі СОЖ на операціях обробки глибоких отворів дрібнорозмірним інструментом без внутрішніх каналів. У цих випадках доцільно подавати в зону різання кілька струменів рідини рівномірно по конусу, вісь якого збігається з віссю ріжучого інструменту, а вершина розташовується в зазор між кондукторною втулкою і оброблюваної деталлю.

При обробці глибоких отворів перспективною є також подача СОЖ імпульсним (ударним) методом. Так, при подачі охолодної рідини з частотою 10-13 Гц продуктивність обробки, дроблення та відведення стружки в 2-2,5 рази вище, ніж при подачі СОЖ безперервним напірним струменем.

На деяких свердлильних операціях при зенкеруванні та розгортанні отворів глибиною менше двох діаметрів, а також отворів малого діаметра СОЖ підводять через кільцеві насадки.

Особливості шпиндельних вузлів.Важливою особливістю багатоцільових верстатів з ЧПУ є застосування в конструкції мотор-шпинделів. Вони забезпечують високу точність обертання, великі числаоборотів (до 60000 об/хв і більше), мають малі габарити та власну вагу. Обов'язковою умовою є система охолодження. Застосовуються системи зовнішньої та внутрішньої подачі СОЖ. Зовнішня система базується на використанні сопел, що встановлюються в потрібному напрямку для охолодження різального інструменту та змивання стружки з поверхонь, що обробляються. Внутрішня системазабезпечує подачу СОЖ безпосередньо через шпиндель. Тиск охолоджуючих рідин може досягати значних величин.

Один із прикладів зовнішнього вигляду такого шпинделя показаний на рис. 79. А на рис. 80 показано розріз аналогічного пристрою. Слід звернути увагу на наявність датчиків вібрацій та температурних датчиківна підшипниках, а також датчика наявності інструменту та датчика положення.

Рис. 79. Зовнішній виглядшпинделя для швидкісної обробки деталей

Рис. 80. Структурна схема пристрою шпинделя (подовжній розріз)

Така кількість джерел інформації про процес обробки робить його безвідмовним та безпечним на високих режимах різання, що дозволяє отримувати необхідну точність розмірів оброблюваних деталей.

На рис. 81 представлені графіки параметрів роботи шпиндельних вузлів багатоцільових верстатів. Цифрою 1 позначена крива залежності потужності, що розвивається від числа оборотів шпинделя, а цифрою 2 - крива залежності крутного моменту, що розвивається, також від числа оборотів шпинделя.

Характер зміни зазначених параметрів добре проглядається за формою кривих та пояснень не вимагає.

Для шпинделя моделі MTS-28.63 характерні більші значення параметрів потужності і моменту, ніж шпинделя моделі ETS-21.32, що збігається з даними табл. 10. Число оборотів у нього значно менше.

Отже, модель MTS-28.63 доцільно застосовувати для більш важких умов обробки, у т. ч. для чорнових операцій.

Рис. 81. Графіки параметрів (потужності та моменту, що крутить) роботи шпиндельних вузлів: а – шпиндель моделі ETS-21.32; б – шпиндель моделі MTS-28.63

Табл. 10. Моделі шпиндельних вузлів верстатів та їх технічні дані

Табл. 11. Основні характеристики деяких шпиндельних вузлів обробних центрів

Шпиндельні вузли як основні вузли верстатів і найбільш відповідальні за якість обробки забезпечуються додатковими системами. У тому числі система внутрішнього охолодження, система подачі СОЖ до інструменту через шпиндель, система охолодження деталей поливом під тиском через спеціальні трубки-сопла. Є датчики величини вібрації, і навіть датчики температури підшипникових вузлів, наявності інструменту та інших. (рис. 82).

Враховуючи складні високошвидкісні умови обробки, вирішуються питання швидкої заміни підшипникових вузлів та підвищення довговічності підшипників за рахунок використання керамічних тіл кочення.

а

б

Рис. 82. Схема розміщення датчиків: а – наявність вібрації; б – температури нагрівання підшипників

Системи охолодження верстатів.Велику увагу розробники верстатів із ЧПУ приділяють проблемі охолодження. Об'єктом уваги служать шпиндельні вузли, частота обертання яких сягає десятків тисяч обертів за хвилину. Від ефективного охолодження конструктивних елементівверстата залежить точність обробки та довговічність роботи самих вузлів.

Ще більш важливо ефективно охолоджувати оброблювану деталь та інструмент, що знаходяться в зоні різання. Цим визначається точність одержуваних розмірів та стійкість ріжучого інструменту. В даний час застосовують різні схеми подачі СОТС в зону різання (рис. 83). Наприклад, подача під тиском через шпиндель та канали, виконані в інструменті. В цьому випадку деталь охолоджується безпосередньо по оброблюваної поверхні (в отворі). Поліпшуються умови різання через вимивання стружки. Такими каналами для внутрішнього підведення можуть забезпечуватися твердосплавні свердла діаметром від 1 мм.

Для гарного відведення стружки при свердлінні СОЖ повинна подаватися через інструмент Якщо верстат не оснащений системою подачі СОЖ через шпиндель, рекомендується під

Для хорошого відведення стружки при свердлінні СОЖ має подаватися через інструмент. Якщо верстат не оснащений системою подачі СОЖ через шпиндель, рекомендується подавати СОЖ через спеціальні перехідники, що обертаються. При глибині отвору менше 1xD допускається використання зовнішнього охолодження та знижені режими. На діаграмі показана витрата СОЖ для різних типів свердл та матеріалів. Тип СОЖ Рекомендується емульсія 6-8%. При свердлінні нержавіючої сталі та високоміцних сталей застосовуйте 10% емульсію. При використанні свердлильних головок IDM використовуйте 7-15% емульсії на основі мінеральних та рослинних олійдля свердління нержавіючої сталі та високотемпературних сплавів. Свердління без СОЖ Можливе свердління чавуну без СОЖ з подачею масляного туману через канали свердлу. Симптоми зносу свердлильної головки Зміна діаметра 0 > D nominal + 0.15mm D nominal (1) Нова головка (2) Зношена головка Сильно збільшується вібрація і шум Ышиг D41 (шшшрті. (шшртц/ Посібник з використання Умови обробки Тиск внутрішнього витрати Витрата СОЖ (л/хв) Мінімальний тиск СОЖ (бар) Діаметр свердла D (мм) Діаметр свердла D (мм) Для спеціальних свердл більше 8xD рекомендується високий тискСОЖ 15 70 бар.

02.11.2012
Нові напрямки у технології СОЖ для металообробки

1. Олія замість емульсії

На початку 90-х років. пропозиції щодо заміни емульсій СОЖ на чисті олії розглядалися з погляду аналізу загальної вартості процесу. Основним запереченням була висока вартість безводних робочих рідин (5-17% від загальної вартості процесу) порівняно з СОЖ на водній основі.
В даний час заміна емульсій СОЖ на чисті олії є можливим вирішенням багатьох проблем. При використанні чистих масел перевага полягає не тільки в ціні, а й у покращенні якості металообробки, а також у забезпеченні безпеки на робочих місцях. У плані безпеки чисті олії менш шкідливі при вплив на відкриті ділянки шкіри людини, ніж емульсії. У їхньому складі відсутні біоциди та фунгіциди. Безводні СОЖ мають більший термін служби (від 6 тижнів для індивідуальних верстатів до 2-3 років у централізованих циркуляційних системах). Використання чистих олій менш негативно впливає на екологію. Чисті олії забезпечують більш високу якість металообробки на всіх стадіях процесу (понад 90%).
Заміна емульсії на олії забезпечує кращу мастильну здатність СОЖ, покращує якість поверхні при шліфуванні (фінішуванні) та значно збільшує термін служби обладнання. Ціновий аналіз показав, що з виробництві коробки передач вартість майже всіх стадій знижується вдвічі.
При використанні безводних СОЖ термін служби обладнання на CBN (кубічний нітрид бору) обдирці та протяжці отворів збільшується в 10-20 разів. Крім того, при обробці чавуну та м'яких сталей не потрібний додатковий корозійний захист. Це ж стосується і обладнання, навіть у тому випадку, коли пошкоджений захисний шар фарби.
Єдиним недоліком безводних СОЖ є виділення у процесі металообробки великої кількості тепла. Відведення тепла може знизитися вчетверо, що особливо важливо при таких операціях, як свердління твердих високовуглецевих матеріалів. В цьому випадку в'язкість масел, що застосовуються, повинна бути якомога нижче. Однак це призводить до зниження безпеки роботи (масляний туман та ін.), причому випаровування експоненційно залежить від зниження в'язкості. Крім того, знижується температура спалаху. Ця проблема може бути вирішена застосуванням нетрадиційних (синтетичних) масляних основ, що поєднують високу температуру спалаху з низькою випаровуваністю та в'язкістю.
Першими оліями, що відповідають цим вимогам, були суміші олій гідрокрекінгу та складних ефірів, які з'явилися наприкінці 80-х років. XX ст., і чисті ефірні олії, що надійшли ринку на початку 90-х.
Найбільш цікавими є олії на основі складних ефірів. Вони мають дуже низьку випаровуваність. Ці олії є продуктами різної хімічної структури, одержувані як із тварин, і з рослинних жирів. Крім низької випаровування, ефірні олії характеризуються хорошими трибологічними властивостями. Навіть без присадок вони забезпечують зниження тертя та зносу внаслідок своєї полярності. Крім того, вони характеризуються високим в'язкісно-температурним індексом, вибухо-пожежно-безпекою, високою біостійкістю і можуть використовуватися не тільки як СОЖ, але і як мастила. На практиці краще використовувати суміш ефірних олійі масел гідрокрекінгу, так як трибологічні характеристики залишаються високими, а їхня ціна значно нижча.

1.1. Сімейство багатофункціональних СОЖ

Вирішальним кроком у оптимізації вартості мастильних матеріалів у процесах металообробки стало використання чистих олій. При розрахунку загальної вартості СОЖ недооцінювався вплив вартості мастильних матеріалів, що використовуються у металообробці. Дослідження в Європі та США показали, що за рік змішання гідравлічних рідин із СОЖ відбувається від трьох до десяти разів.
На рис. 1 ці дані наведені у графічному вигляді за 10-річний період у європейській автомобільній промисловості.

У разі застосування СОЖ на водній основі попадання значних кількостей олій у СОЖ призводить до серйозної зміни якості емульсії, що погіршує якість металообробки, викликає корозію та веде до збільшення вартості. При використанні чистих масел забруднення СОЖ мастильними матеріалами невідчутно і стає проблемою тільки тоді, коли починає знижуватися точність обробки та збільшується зношування обладнання.
Тенденції використання чистих масел як СОЖ металообробки відкривають ряд можливостей зниження вартості. Аналіз, проведений німецькими машинобудівниками, показав, що в середньому в кожному типі металообробних верстатів використовують сім різних найменувань мастильних матеріалів. Це, у свою чергу, порушує проблеми витоків, сумісності та вартості всіх мастильних матеріалів. Неправильний вибір та застосування мастильних матеріалів можуть призвести до виходу обладнання з ладу, що, ймовірно, спричинить зупинку виробництва. Одним із можливих рішеньцієї проблеми є використання багатофункціональних продуктів, які задовольняють широкому спектру вимог та можуть замінювати собою мастильні матеріали різних призначень. Перешкодою для застосування універсальних рідин є вимоги стандарту ISOдо гідравлічних рідин VG 32 і 46, оскільки сучасне гідравлічне обладнання розробляється з урахуванням наведених у цих стандартах значень в'язкості. З іншого боку, металообробка вимагає СОЖ з низькою в'язкістю зменшення втрат і поліпшення відведення тепла при швидкісному різанні металу. Ці суперечності у вимогах до в'язкості при різному використанні мастильних матеріалів дозволяються використанням присадок, що дозволяє знизити загальну вартість.
Переваги:
. неминучі втрати гідравлічних та приробіткових масел не погіршують СОЖ;
. незмінність якості, що дозволяє виключити складні аналізи;
. використання СОЖ як мастила знижує загальну вартість;
. підвищення надійності, результатів процесу та довговічності обладнання значно знижує загальну вартість виробництва;
. Універсальність застосування.
Раціональне використання універсальних рідин краще для споживача. Прикладом цього може бути двигунобудування. Одне і те масло може бути використане при первинній обробці блоку циліндрів і при їх хонінгуванні. Така технологія дуже ефективна.

1.2. Миючі лінії

На цих лініях операцій з очищення потрібно виключити миючі розчини на водній основі, щоб уникнути утворення небажаних сумішей із гідрофільними оліями. Тверді забруднення видаляються з олій ультрафільтрацією, а миючі засоби(енерговитрати на очищення та перекачування води, аналіз якості води, що відходить) можна виключити, що призведе до зниження загальної вартості виробництва.

1.3. Видалення олії з відходів металу та з обладнання

Правильний підбір присадок дозволяє залучати назад у процес масла, витягнуті з відходів металу та обладнання. Об'єм рециркуляту становить до 50% від втрат.

1.4. Перспективи універсальних рідин. Unifluid»

Майбутнє за низьков'язким маслом, яке використовуватиметься як гідравлічна рідина, і як СОЖ для металообробки. Універсальна рідина « Unifluid» розроблена та випробувана в німецькій дослідному проекті, що спонсорується міністерством сільського господарства. Ця рідина має в'язкість 10 мм 2 /с при температурі 40 °С і показує чудові результати на підприємствах з виробництва автомобільних двигунів у процесах металообробки, для мастила та силових лініях, включаючи гідравлічні системи.

2. Мінімізація кількості мастильних матеріалів

Зміни в законодавстві та вимоги до захисту, що підвищуються довкіллястосуються та виробництва СОЖ. Враховуючи міжнародну конкуренцію, металообробна промисловість вживає всіх можливих заходів щодо зниження вартості виробництва. Аналіз автомобільної промисловості, опублікований у 90-х рр., показав, основні проблеми вартості викликані застосуванням робочих рідин, причому вартість СОЖ у разі грає важливу роль. Реальна вартість обумовлюється вартістю самих систем, вартістю трудовитрат і витрат за підтримку рідин у робочому стані, витрат за очищення як рідин, і води, і навіть на утилізацію (рис. 2).

Все це призводить до того, що велика увага приділяється можливому зниженню використання мастильних матеріалів. Значне зниження кількості використовуваних СОЖ, як наслідок використання нових технологій, дає можливість знизити вартість виробництва. Однак це вимагає того, щоб такі функції СОЖ, як відведення тепла, зниження тертя, видалення твердих забруднень були вирішені за допомогою інших технологічних процесів.

2.1. Аналіз потреб у СОЖ при різних процесах металообробки

Якщо СОЖ не використовуються, то, природно, обладнання під час роботи перегрівається, що може призвести до структурної зміни та відпуску металу, зміни у розмірах і навіть поломки обладнання. Використання СОЖ, по-перше, дозволяє відводити тепло, а по-друге, зменшує тертя при обробці металу. Однак якщо обладнання виконане з вуглецевих сплавів, то використання СОЖ може, навпаки, призвести до його поломки і відповідно знизити термін служби. І все ж таки, як правило, використання охолоджуючих рідин (особливо завдяки їх здатності знижувати тертя) призводить до збільшення терміну служби обладнання. У разі шліфування та хонінгування застосування СОЖ виключно важливе. Система охолодження грає величезну роль цих процесах, оскільки підтримується нормальна температура устаткування, що дуже важливо у металообробці. При знятті стружки виділяється приблизно 80% тепла, і СОЖ виконують тут подвійну функцію, охолоджуючи як різець, так і стружку, запобігаючи можливим перегріванням. Крім того, частина дрібної стружки йде разом із СОЖ.
На рис. 3 показані потреби у СОЖ при різних процесах металообробки.

Суха (без використання СОЖ) обробка металу можлива при таких процесах, як дроблення, і дуже рідко - при обточуванні та свердлінні. Але слід звернути увагу на те, що суха обробка з геометрично неточним кінцем ріжучого інструменту неможлива, тому що в цьому випадку відведення тепла та зрошення рідиною надає вирішальний вплив на якість виробу та термін служби обладнання. Суха обробка при дробленні чавуну та сталі в даний час застосовується за допомогою спеціального обладнання. Однак при цьому видалення стружки повинно проводитися або простим очищенням, або стисненим повітрям, і в результаті виникають нові проблеми: підвищений шум, додаткова вартість стисненого повітря, а також ретельне очищення від пилу. Крім того, пил, що містить кобальт або хромнікель, токсичний, що також впливає на вартість виробництва; не можна ігнорувати і підвищену вибухопожежонебезпеку при сухій обробці алюмінію та магнію.

2.2. Системи малої подачі СОЖ

За визначенням, мінімальною кількістю мастильного матеріалу вважається кількість, що не перевищує 50 мл/год.
На рис. 4 наведено принципова схемасистеми з мінімальною кількістю мастильного матеріалу.

За допомогою дозуючого пристрою невелика кількість СОЖ (максимум 50 мл/год) у вигляді дрібних бризок подається на місце металообробки. З усіх видів дозуючих пристроїв, що існують на ринку, у металообробці успішно використовуються лише два види. Найширше застосування знаходять системи, які працюють під тиском. Застосовуються системи, де олію та стиснене повітря змішуються в ємності, і аерозоль шлангом подається безпосередньо на місце металообробки. Існують також системи, коли олія та стиснене повітря, не змішуючись, подаються під тиском до форсунки. Об'єм рідини, що подається поршнем за один хід, і частота роботи поршня дуже різні. Кількість стисненого повітря, що подається, визначається окремо. Перевага використання дозуючого насоса полягає в тому, що можна застосовувати комп'ютерні програми, що контролюють весь робочий процес.
Оскільки використовуються дуже невеликі кількості мастильного матеріалу, подача безпосередньо до робочого місця має проводитися з особливою акуратністю. Існують два варіанти подачі СОЖ, які дуже різні: внутрішній та зовнішній. При зовнішній подачі рідини суміш розпорошується форсунками на поверхню ріжучого інструменту. Цей процес відносно недорогий, простий у виконанні і не потребує великих трудовитрат. Однак при зовнішній подачі СОЖ відношення довжини інструменту до діаметра отвору має бути не більше 3. Крім того, при зміні ріжучого інструменту легко припуститися позиційної помилки. При внутрішній подачі СОЖ аерозоль подається через канал усередині ріжучого інструменту. Відношення довжини до діаметра має бути більше 3, а позиційні помилки виключаються. Крім того, стружка легко видаляється через ці внутрішні канали. Мінімальний діаметр інструменту - 4 мм, через наявність каналу подачі СОЖ. Цей процес є дорожчим, оскільки подача СОЖ відбувається через шпиндель верстата. Системи з малою подачею СОЖ мають одну спільну рису: рідина надходить у робочу зонуу вигляді дрібних крапель (аерозоль). При цьому основними проблемами є токсичність та підтримання гігієнічних норм робочого місця на належному рівні. Сучасні розробки систем подачі аерозолів СОЖ дозволяють запобігти заливанню робочого місця, зменшити втрати при розбризкуванні, покращуючи тим самим показники повітря на робочому місці. Велика кількістьсистем малої подачі СОЖ призводить до того, що хоч і можливо підібрати необхідний розмір крапель, але багато показників, як то: концентрація, розмір часток тощо, недостатньо вивчені.

2.3. СОЖ для систем з малою подачею

Поряд з мінеральними маслами та СОЖ на водній основі, сьогодні застосовуються олії на основі складних ефірів та жирних спиртів. Так як в системах малої подачі СОЖ використовують олії для проточного змащування, що розпорошуються в робочій зоні у вигляді аерозолів та масляного туману, то першочерговими проблемами стають питання охорони праці та промислової безпеки (ВІД та ПБ). У цьому плані краще застосування мастильних матеріалів на основі складних ефірів і жирних спиртів з низькотоксичними присадками. Природні жири та олії мають великий недолік – низька стабільність до окислення. При використанні мастильних матеріалів на основі складних ефірів та жирних кислот не утворюється опадів у робочій зоні завдяки їх високій антиокислювальній стабільності. У табл. 1 наведені дані щодо мастильних матеріалів на основі складних ефірів та жирних спиртів.

Для систем із малою подачею СОЖ має велике значеннякоректний підбір мастильного матеріалу. Для зниження викидів використовуваний мастильний матеріал повинен бути малотоксичним і дерматологічно безпечним, володіючи при цьому високою мастильною здатністю та термічною стабільністю. Мастильні матеріали на основі синтетичних складних ефірів і жирних спиртів характеризуються низькою випаровуваністю, високою температурою спалаху, малотоксичними і добре зарекомендували себе в практичному застосуванні. Основними показниками підбору низькоемісійних мастильних матеріалів є температура спалаху ( DIN EN ISO 2592) і втрати на випаровування за Ноаком ( DIN 51581Т01). tВП повинна бути не нижче 150 ° С, а втрати на випаровування при температурі 250 ° С - не вище 65%. В'язкість при 40 ° С> 10 мм 2 /с.

При рівній в'язкості мастильні матеріали на основі жирних спиртів мають температуру спалаху нижче, ніж на основі складних ефірів. Їхня випаровуваність вища, тому охолодний ефект — нижче. Змащувальні властивості порівняно з мастильними матеріалами на основі складних ефірів також відносно низькі. Жирні спирти можна використовувати там, де змащувальні здібності є основними вимогами. Наприклад, при обробці сірого чавуну. Вуглець (графіт), що входить до складу чавуну, сам забезпечує змащувальний ефект. Також їх можна застосовувати при різанні чавуну, сталі та алюмінію, тому що робоча зона в результаті швидкого випаровування залишається сухою. Однак надто високе випаровування небажане через забруднення повітря в робочій зоні масляним туманом (не повинно перевищувати 10 мг/м3). Мастильні матеріали на основі складних ефірів доцільно використовувати тоді, коли необхідна хороша мастило і спостерігається великий відхід стружки, наприклад при нарізанні різьблення, свердлінні та обточування. Перевага мастильних матеріалів на основі складних ефірів - у високих температурах кипіння та спалаху при низькій в'язкості. В результаті цього випаровування нижче. У той же час на поверхні деталі залишається плівка, що запобігає корозії. Крім того, мастильні матеріали на основі складних ефірів легко розкладаються біологічно та мають 1-й клас забруднення води.
У табл. 2 наводяться приклади застосування мастильних матеріалів на основі складних синтетичних ефірів і жирних спиртів.

Основні аспекти, що розглядаються при розробці СОЖ для систем з малою подачею, наведено нижче. Головне, на що слід звернути увагу при розробці СОЖ, це їхня низька випаровуваність, нетоксичність, слабкий вплив на шкіру людини у поєднанні з високою спалахом. Результати нових досліджень щодо підбору оптимальних СОЖ показані далі.

2.4. Дослідження факторів, що впливають на утворення масляного туману СОЖ для систем з малою подачею

Коли в процесі металообробки використовується система з малою подачею СОЖ, утворення аерозолю відбувається при подачі рідини в робочу зону, причому висока концентрація аерозолю спостерігається при використанні зовнішньої системи розбризкування. При цьому аерозоль є масляним туманом (розмір частинок від 1 до 5 мкм), що надає шкідливий вплив на легені людини. Вивчалися фактори, що сприяють утворенню масляного туману (рис. 5).

Особливий інтерес є вплив в'язкості мастильного матеріалу, а саме зниження концентрації масляного туману (індекс масляного туману) зі збільшенням в'язкості СОЖ. Проводилися дослідження впливу антитуманних присадок з метою знизити його шкідливий вплив на легені людини.
Необхідно було з'ясувати, як впливає тиск, що застосовується в системі подачі СОЖ, на кількість масляного туману, що утворюється. З метою оцінки масляного туману, що утворюється, використовувався прилад, заснований на ефекті «конус Тіндаля», — тиндаллометр (рис. 6).

Для оцінки масляного туману тиндалометр розташовують на деякій відстані від форсунки. Далі отримані дані обробляють на комп'ютері. Нижче наведено результати оцінки у вигляді графіків. З цих графіків видно, що утворення масляного туману посилюється зі збільшенням тиску при розбризкуванні, особливо при використанні малов'язких рідин. Збільшення тиску розбризкування вдвічі викликає відповідно збільшення обсягу туману, що утворюється, також вдвічі. Однак якщо тиск розбризкування мало і стартові характеристики обладнання низькі, то період, за який кількість СОЖ досягає необхідних норм для забезпечення нормальної роботи, збільшується. У той же час індекс масляного туману значно зростає при зниженні СОЖ. З іншого боку, стартові характеристики обладнання розбризкування вище при використанні рідини з низькою в'язкістю, ніж при використанні високов'язких СОЖ.
Ця проблема вирішується додаванням до СОЖ антитуманних присадок, що дозволяє знизити кількість туману, що утворюється для рідин з різною в'язкістю (рис. 7).

Застосування таких присадок дає можливість зменшити утворення туману більш ніж на 80%, не погіршуючи при цьому ні стартових характеристик системи, ні стабільності СОЖ, ні характеристик масляного туману. Як показано проведеними дослідженнями, утворення туману можна значно знизити при правильному виборітиску розбризкування та в'язкості застосовуваної СОЖ. Введення відповідних антитуманних присадок також призводить до позитивних результатів.

2.5. Оптимізація систем з малою подачею СОЖ для свердлильного обладнання

Випробування проводилися на матеріалах, що використовуються в системах з малою подачею СОЖ (глибоке свердління (співвідношення довжина/діаметр більше 3) із зовнішньою подачею СОЖ), на свердлильному обладнанні DMG(Табл. 3)

У оброблюваної деталі з високолегованої сталі (Х90МоСг18) з високою міцністю на розрив (від 1000 Н/мм 2) потрібно просвердлити глухий отвір. Свердло з високовуглецевої сталі SE- Шток з ріжучою кромкою, що має високий опір до вигину, покритий. PVD-TIN. СОЖ підбиралися з метою отримання оптимальних умовпроцесу з урахуванням зовнішнього подання. Досліджувався вплив в'язкості ефіру (основи СОЖ) та композиції спеціальних присадок на термін служби свердлу. Випробувальний стенд дозволяє вимірювати величину ріжучих сил у напрямку осі z (глибину) за допомогою вимірювальної платформи Кістлера. Робочі характеристики шпинделя вимірювалися протягом усього часу, необхідного для свердління. Два методи, прийняті для вимірювання навантажень при одноразовому свердлінні, дозволили визначити навантаження протягом усього випробування. На рис. 8 наведено властивості двох ефірів, кожного з однаковими присадками.

Роман Маслов.
За матеріалами закордонних видань.