13. Резание с применением технологических сред.

Применение при обработке резанием смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) повышает период стойкости режущего инструмента, уменьшает силы резания, улучшает качество обработанной поверхности детали, а, следовательно, и ее эксплуатационные характеристики. Применение технологических сред – одно из основных направлений интенсификации процесса механической обработки различных материалов.

Все виды СОТС, несмотря на конкретные области их применения, должны удовлетворять следующим требованиям [6, 9]: 1) не снижать эксплуатационные характеристики деталей, изготовленных при их применении, прежде всего коррозионную стойкость и прочность; 2) быть устойчивыми при эксплуатации и хранении; 3) не воспламеняться при температурах, сопровождающих процесс резания; 4) не оказывать аллергического, дерматического или иного вредного воздействия на организм человека; 5) не выделять в процессе эксплуатации пену, дым, клейкие вещества, не смешиваться с машинными маслами; 6) не оказывать окрашивающего или коррозионного действия на узлы и механизмы станка.

Смазочное действие. Цель применения СОТС – снижение интенсивности изнашивания режущего инструмента, улучшение качества обработанной поверхности и повышение производительности труда. Достичь этого можно направленным воздействием на элементарные физико-механические и механохимические процессы, протекающие при резании металлов. В результате смазочного действия технологической среды уменьшаются схватывание, фрикционный нагрев и силы трения при перемещении стружки и обрабатываемого металла по передней и задней поверхностям инструмента. В зависимости от свойств обрабатываемого и инструментального материалов СОТС могут уменьшать или увеличивать схватывание между ними, изменять длину контакта стружки с передней поверхностью и силы резания. Соответственно улучшаются или ухудшаются такие параметры обработки, как период стойкости инструмента, производительность процесса, качество обработанной поверхности и др. Смазочное действие СОТС осуществляется в значительной степени за счет уменьшения реакционной способности образуемых в процессе резания ювенильных (новых, химически чистых) поверхностей. Эти поверхности характеризуются высокой физической и химической активностью, высокими коэффициентами трения [1]. При отсутствии смазочной пленки наличие ювенильных поверхностей вызывает значительную адгезию, т.е. сцепление поверхностей контактирующих металлов. Вследствие этого резко возрастают силы трения, тепловыделение и т. д. Молекулы поверхностно- и химически активных веществ (ПХАВ), входящих в состав СОТС, адсорбируются на поверхности, снижают адгезию, уменьшают нарост. Вследствие уменьшения интенсивности адгезионных явлений уменьшается длина контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Наиболее широко применяемые ПХАВ содержат атомы серы, фосфора, галогенов, группы ОН и СООН, высокомолекулярные органические и металлоорганические соединения.

По характеру взаимодействия с контактными поверхностями режущего лезвия и стружки образующиеся в процессе резания смазочные пленки можно разделить на физические, действующие при малых напряжениях на контактных площадках и температурах в ниже 300С, и химические, действующие при высоких скоростях резания. В первом случае назначение пленок заключается в нейтрализации силового поля физически чистых металлических поверхностей, образовании физических абсорбированных пленок (в результате действия сил Ван-дер-Ваальса) и, в конечном итоге, уменьшении адгезии трущихся тел. На активность протекания физической абсорбции влияют концентрация вещества и температура. В частности, при низких температурах процесс протекает быстрее, так как отсутствует десорбция молекул. Концентрация же активных веществ может быть весьма незначительной.

При высоких же скоростях резания процесс резания характеризуется хемосорбцией, т.е. быстротечными радикально-цепными реакциями на ювенильных поверхностях металлов. При хемосорбции вместо сил Ван-дер-Ваальса действуют химические связи, для образования которых требуется затратить энергию активации. При хемосорбции молекулы СОЖ или газовой среды распадаются на свободные атомы и радикалы, которые и образуют хемосорбированные слои. С увеличением температуры и при наличии катализаторов (которым может быть и обрабатываемый материал), скорость хемосорбции возрастает. В зависимости от химического потенциала внешней среды, режимов резания, химических составов контактирующих материалов и многих других факторов на различных участках площадок контакта образуются соединения различных типов. Пленки, образуемые в результате адсорбции, тонкие, иногда мономолекулярные. Молекулы располагаются в определенном порядке, образуя своего рода кристаллическую решетку, чрезвычайно прочно связанную с металлом. Смазочное действие по разному влияет на процесс резания. При лезвийной обработке углеродистых и легированных сталей в зоне низких скоростей резания повышение смазочных свойств СОТС стабилизирует нарост, уменьшает его размеры, прочность и силу сцепления между отдельными слоями. Известно, что в случае нестабильного наростообразования интенсифицируется абразивное изнашивание инструмента. Поэтому, если нарост оказывает защитное действие, например, при резании инструментами из быстрорежущих сталей, использование СОТС может отрицательно сказаться на их стойкости [10]. С ростом толщины среза и скорости резания влияние СОТС снижается. При шлифовании смазочное действие способствует повышению периода стойкости круга, позволяет избежать налипов, сократить цикл обработки путем увеличения бесприжоговой подачи.

Охлаждающее действие. В результате этого действия изменяется температурное поле инструмента, заготовки, стружки, что влияет на период стойкости инструмента, точность обработки, шероховатость и остаточные напряжения в поверхностном слое, форму стружки. При лезвийной обработке это наблюдается, когда скорость резания менее 150 м/мин, а при более высоких скоростях температура обрабатываемой заготовки стабилизируется. Снижение температуры резания при применении СОТС обеспечивается за счет активного теплоотвода с незанятых стружкой рабочих поверхностей инструмента и, в меньшей степени, с самой стружки. Исходя из прямой взаимосвязи между температурой резания и периодом стойкости инструмента, можно прогнозировать положительное влияние охлаждения. Однако в результате этого процесса могут разупрочняться режущая часть инструмента при прерывистом резании в результате колебаний температуры; образовываться растягивающие напряжения в поверхностном слое; увеличиваться силы резания. Кроме того, при определенных режимах резания может возрастать изнашивание инструмента из-за смещения экстремума интенсивности изнашивания в зону более высоких скоростей резания (рис. 9.4). Теплообмен с СОТС уменьшает радиус завивания стружки, так как приводит к разным тепловым удлинениям ее наружной и прирезцовой сторон. В целом охлаждающее действие уменьшается с увеличением толщины среза и скорости резания. СОЖ с высокими охлаждающими свойствами уменьшает температуру резания на 100...150С.

Моющее действие. Оно определяется степенью очистки обрабатываемой детали и инструмента в зоне резания от шлама, содержащего мелкие частицы стружки, обрабатываемого металла, инструментального материала, которые удерживаются на поверхности твердых тел электростатическими, электромагнитными и механическими силами. Чем меньше частицы шлама, тем легче они проникают в микронеровности на поверхности инструмента и детали и тем прочнее там удерживаются, ухудшая технологические показатели процесса обработки.

Режущее и пластифицирующее действие. Под режущими свойствами СОТС понимают ее способность облегчать разрыв связей в обрабатываемом материале при внедрении инструмента. Это способствует повышению стойкости инструмента и облегчению процесса резания. Пластифицирующее действие СОТС заключается в облегчении пластического деформирования металлов за счет локализации деформации в тонких поверхностных слоях. Эти слои выполняют роль смазочного материала и препятствуют налипанию обрабатываемого металла на инструмент, уменьшают трение на контактных площадках и силу резания.

Защитное и упрочняющее действие. СОТС способствует повышению эксплуатационных характеристик деталей. Высоким защитным действием обладают, в частности, инертные газы. Обработка в их атмосфере титановых сплавов предохраняет поверхностный слой от разупрочнения в результате диспергирования в него атомов азота, водорода, кислорода. Это существенно повышает прочность сплавов при циклических нагрузках. В ряде случаев путем правильного подбора компонентов технологической среды можно нанести на поверхность детали пленку ингибиторов коррозии.