4.3.2.Проблемы экологически безопасного резания

Стратегия ведущих стран мира связаны с полным или частичным отказом от применения смазочно-охлаждающих технологических средств при проектировании новых производств из-за их большого влияния на загрязненность окружающей среды, особенно при использовании таких типов смазочно-охлаждающих средств, которые содержат опасные для окружающей среды ингредиенты (хлор, сера, водные растворы электролитов и щелочей) [2].

Традиционные подходы к проблеме снижения вредного техногенного воздействия смазочно-охлаждающих технологических средств на окружающую среду связаны с ограничением количества смазочно-охлаждающих технологических средств, подаваемой в зону обработки, заменой токсичных компонентов смазочно-охлаждающих технологических средств на безвредные со сходным физическим действием, использованием методов активизации этих средств и улучшения проникающей способности.

Последнее время все большее применение получают технологии «сухого резания» с полным отказом от применения смазочно-охлаждающих технологических средств. Технологии сухого резания обычно включает использование новых инструментальных материалов высокой износостойкости и термодинамической устойчивости (материалы с износостойким покрытием, режущая керамика повышенной прочности, сверхтвердые материалы) или дополнительных источников энергии.

Известно, что применение смазочно-охлаждающих технологических средств в процессе резания заметно трансформирует основные физические процессы, сопровождающие резание. В частности, такая трансформация связана со значительным уменьшением энергетических затрат на упруго-пластическое деформирование и трение, что в свою очередь приводит к снижению термомеханической напряженности зоны резания, инструмента и формируемой поверхности детали. Это позволяет резко интенсифицировать процесс резания, за счет роста скорости. Поэтому отказ от смазочно-охлаждающих технологических средств требует альтернативной компенсации указанных эффектов.

В технологии экологически безопасного резания предлагается использование трех основных элементов в системе резания, компенсирующих отсутствие смазочно-охлаждающих технологических средств: инструмент с многофункциональным покрытием, ионизированную газовую среду и ультразвуковые колебания.

Ключевым элементом является режущий инструмент с многофункциональным покрытием, включающим износостойкий, трибоактивный и активный слои, чередование которых в супермногослойной конструкции покрытия позволяет выполнить несколько функций.

Износостойкий слой, имеющий повышенную твердость и термическую устойчивость, позволяет снизить интенсивность изнашивания инструмента в условиях повышенных термомеханических напряжений характерных для сухого резания.

Трибоактивный слой, содержащий трибоактивные элементы (например, , , соединения йода и др.), снижает трение и интенсивность теплообразования основных фрикционных источников тепла, компенсируя отсутствие «смазочных» эффектов смазочно-охлаждающего технологического средства.

Активный слой, содержащий элементы ( и др.) в виде пересыщенных твердых растворов в соединениях тугоплавких металлов, которые адаптированы для взаимодействия с элементами внедрения ионизированной газовой среды (например, и др.). В результате взаимодействия элементов ионизированной газовой среды и активного слоя многофункционального покрытия на контактных площадках инструмента непрерывно формируются тонкие пленки в виде твердых тугоплавких соединений, что приводит к увеличению сопротивляемости инструмента изнашиванию и одновременному снижению трения, приводящего к изнашиванию.

Для синтеза супермногослойных многофункциональных покрытий разработана нанотехнология с использованием модернизированных вакуумно-дуговых установок.

Важным элементом являются ионизированные газовые среды. Их введение в зону резания необходимо для компенсации охлаждающих, смазочных и пластифицирующих физических эффектов, возникающих в процессе резания при использовании смазочно-охлаждающих технологических средств. Для увеличения проникающей способности ионизированных газовых сред и стимуляции физико-химических процессов в зонах контактирования инструментального и обрабатываемого материалов необходима их активация, например, путем ионизации с использованием электрических разрядов различных видов.

Для повышения проникающей способности ионизированных газовых сред особенно при высокоскоростной обработке используются ультразвуковые колебания, прикладываемые к режущему инструменту. Ультразвуковые колебания, прикладываемые к режущему инструменту в направлении скорости резания, способствуют дискретизации контактирования инструментального и обрабатываемого материалов, стимулируя проникновение элементов внедрения ионизированных газовых сред к активным слоям многофункционального покрытия. Кроме того, при наложении на инструмент высокочастотных колебаний возможно устранение эффекта неустойчивости стружкообразования, если частота прилагаемых колебаний больше частоты неизотермической неустойчивости деформационных процессов в стружке.

Таким образом, применение технологическое системы, интегрирующей эффекты резания с наложением ультразвуковых колебаний, применением ионизированной газовой среды и инструмента с покрытием многофункционального назначения служит основой создания высокоэффективной технологии экологически безопасного резания.

В результате интегрирования нескольких механизмов взаимодействия элементов внедрения ионизированной газовой среды, проникновения которых на контактные площадки с покрытием многофункционального назначения стимулируется ультразвуковыми колебаниями, возникает несколько физических эффектов, компенсирующих основные эффекты смазочно-охлаждающих технологических средств:

1. Формируются антифрикционные пленки и упрочняющие фазы (соединения тугоплавких металлов) в результате чего за счет уменьшения адгезионной активности инструментального материала (покрытия) снижается трение, мощность фрикционных источников тепла, термомеханические напряжения и интенсивность изнашивания контактных площадок инструмента.

2. Снижается поверхностная прочность прирезцовой части срезаемого слоя за счет высокой проникающей способности элементов внедрения ионизированной газовой среды и последующего расклинивающего эффекта в результате чего формируются дискретные типы стружек, наиболее удобные для транспортировки из зоны резания.

3. Перераспределяется направленность тепловых потоков и их интенсивность, что позволяет регулировать эффекты упрочнения и разупрочнения инструментального и обрабатываемого материалов, снижаются энергетические затраты на процесс резания за счет разупрочнения обрабатываемого материала в зоне резания, увеличивается сопротивляемость инструментального материала макро- и микроразрушению.

4. Увеличивается теплопроводность среды, окружающей зону обработки, что позволяет существенно интенсифицировать тепловой поток в окружающую среду, снизить температуру в зоне обработки.