http://www.masters.donntu.ru/publ2005/mech/mech_tkach.pdf
ВЛИЯНИЕ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД НА ОБРАБОТКУ РЕЗАНИЕМ НЕРЖАВЕЮЩИХ И ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ
Ткач Марина Александровна
ДонНТУ
кафедра «Технология машиностроения»
E-mail: marina.t05@mail.ru
Abstract
Tkach Marina Alexandrovna
“Influence lubricating-coolling technological ambiences on the processing of both corrosion-proof and heat resisting steels and alloys by cutting”
This article is dedicated to consideration of the problems of the processing of both corrosion-proof and heat resisting steels and alloys by cutting and ways of their decision with use lubricating coolling technological ambiences.
Рабочие процессы в современных машинах характеризуются высокими значениями температур, нагрузок, давлений. Часто детали машин из обычных конструкционных материалов в таких условиях оказываются неработоспособными. В связи с этим все большее распространение в наше время в машиностроении получают конструкционные материалы, обладающие специфическими свойствами и характеризующиеся высокими значениями твердости, прочности, красностойкости, стойкости против коррозии в различных агрессивных средах. К этим материалам относят нержавеющие и жаропрочные стали и сплавы. Однако, несмотря на все достоинства этих материалов, они обладают одним весьма существенным недостатком – возникают определенные трудности при их обработке резанием на металлорежущих станках. Проблемы, связанные с обработкой нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, определяются, прежде всего, физико-химическими и механическими свойствами этих материалов.
Обработка резанием труднообрабатываемых материалов сопровождается интенсивным износом режущего инструмента. Повышенный износ инструмента определяется целым рядом факторов. В процессе обработки рассматриваемые труднообрабатываемые материалы склонны к упрочнению, а также способны сохранять исходную прочность и твердость при повышенных температурах. Это приводит к высоким удельным нагрузкам на контактные поверхности инструмента в процессе резания. Малая теплопроводность этих материалов, приводит к повышенной температуре в зоне контакта, а следовательно, к активации явлений адгезии и диффузии, интенсивному схватыванию контактных поверхностей и разрушению режущей части инструмента. Кроме того нержавеющие и жаропрочные стали и сплавы обладают большой истирающей способностью, связанной с наличием в их структуре различных интерметаллидных и карбидных включений, что приводит к интенсивному абразивному износу режущей части инструмента.
В настоящее время существует проблема повышения производительности обработки резанием труднообрабатываемых материалов, в том числе нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов. Решение этой проблемы, прежде всего, связано с повышением износостойкости режущего инструмента. Почти все известные на сегодняшний день методы повышения стойкости режущих инструментов исчерпали себя. Если брать повышение стойкости за счет изменения геометрии инструментов, то сейчас известны всевозможные конструкции режущих инструментов, учитывающие различные условия обработки, и трудно придумать что-то новое в этой области. То же самое можно сказать и о подборе оптимальных режимов резания, так как широко известны методики их определения в зависимости от характера и условий обработки, особенностей и свойств обрабатываемого материала и материала режущей части инструмента. Что касается создания и применения новых инструментальных материалов, обладающих лучшими эксплуатационными характеристиками, то, можно сказать, что это довольно эффективный метод повышения стойкости режущих инструментов, однако и требующий больших затрат. Все эти новые материалы являются дорогостоящими, так как требуют наличия в своем составе различных добавок и легирующих элементов, повышающих их режущие свойства, а также часто специальных технологий их получения и термообработки. Наиболее простым, дешевым, эффективным и прогрессивным методом повышения стойкости режущих инструментов, а значит и производительности обработки нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, является применение в процессе обработки смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС). И в настоящее время есть перспективы проведения исследований в этой области. Можно и нужно создавать новые виды СОТС, обладающие определенными свойствами, которых требуют условия и характер обработки.
Применение СОТС при обработке труднообрабатываемых материалов позволяет значительно улучшить их обрабатываемость. Применяемые в настоящее время в машиностроении смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), газовые среды и твердые смазки обладают рядом характерных воздействий на обрабатываемый материал и обрабатывающий его инструмент, определяющих их эффективность и область применения. Среди основных выделяют следующие воздействия:
1. Охлаждающее действие. Как уже говорилось, нержавеющие и жаропрочные материалы обладают низкой теплопроводностью и большая часть тепла, образующегося в зоне резания, передается инструменту, снижая его стойкость. Подводимая в зону резания СОТС забирает на себя значительную часть образующегося тепла, сокращая тем самым отвод тепла в инструмент и повышая его стойкость.
2. Смазывающее действие. Это действие проявляется в том, что СОТС, попадая в зону контакта, образует на контактных поверхностях адсорбционный смазочный слой. Этот слой приводит к снижению интенсивности схватывания трущихся поверхностей (т. е. к снижению коэффициента трения), вследствие их разъединения, обусловленного расклинивающим давлением жидкости, и износа контактирующих поверхностей.
3. Моющее действие. Это действие определяется способностью применяемой СОТС ускорить процесс удаления образующейся стружки из зоны резания. Эффективность этого воздействия определяется видом и качеством СОТС, величиной ее расхода и давления, а также размерами и формой стружки. При этом СОТС должна обладать достаточным обволакивающим свойством, т. е. должна обладать способностью захватывать и уносить с собой даже самые мельчайшие частички грязи и стружки.
4. Диспергирующее (разрушающее) действие. Оно проявляется в том, что применение при обработке некоторых СОТС облегчает процесс разрушения обрабатываемого материала в месте контакта его с режущими кромками инструмента, а, следовательно, способствует уменьшению работы и сил резания по сравнению с обработкой без применения СОТС.
5. Защитное и упрочняющее действие. Кроме всего выше перечисленного, применение в процессе обработки СОТС позволяет некоторой мерой повысить эксплуатационные характеристики обработанного материала. Защитное действие СОТС наиболее четко наблюдается в процессе обработки заготовок в газообразной среде (прежде всего в среде инертных газов). Чистая обработанная поверхность заготовки быстро окисляется в атмосфере воздуха, что значительно снижает прочность обработанного материала. При обработке в среде инертных газов это явление можно избежать и повысить эксплуатационные характеристики обработанных деталей. Кроме того, подбором специальных сред можно получить упрочнение поверхностного слоя в результате тонкого внутреннего диспергирования кристаллической решетки поверхности как обрабатываемого материала, так и материала режущей части инструмента в поверхностно-активной среде.
Таким образом, труднообрабатываемые нержавеющие и жаропрочные материалы нуждаются при обработке резанием в применении смазочно-охлаждающих технологических сред. Эффективность применения каждой из этих сред определяется, прежде всего, видом выполняемой обработки, комплексом физико-химических свойств как обрабатываемого материала и режущей части инструмента, так и применяемой специальной среды, а также способом ее подачи в зону резания. Только с учетом всей совокупности этих факторов можно правильно подобрать необходимую СОТС для осуществления обработки конкретного материала в конкретных условиях. Зная физико-химические свойства обрабатываемого материала и специальной среды и учитывая вид обработки и применяемый режущий инструмент, можно предварительно оценить насколько эффективным будет ее применение на практике. Однако, чтобы достоверно определить, какая из рассматриваемых видов СОТС будет давать наилучшие результаты при обработке конкретной детали, необходимо провести целый ряд испытаний и сделать вывод на основании сравнения полученных результатов.
В дальнейшем подробнее остановимся на смазочно-охлаждающих жидкостях, как наиболее распространенных представителях СОТС наряду с газовыми средами и твердыми смазками. Кроме того, применение СОЖ является неотъемлемой частью процесса обработки нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов.
Эффективность обработки материалов с применением различных видов СОЖ по сравнению с обработкой всухую часто определяют на основании следующих коэффициентов (при условии, что стойкость инструмента одинакова в обоих случаях Т=const) [1].
Кvохл=Vохл/Vсух ;
КРzохл=Pzохл/Pzсух ; К
охл=охл/сух ,
где Vохл, Vсух – допускаемые скорости резания при работе с охлаждением и резании всухую соответственно;
Pzохл, Pzсух – тангенциальная составляющая силы резания при работе с охлаждением и резании всухую соответственно;
охл, сух – температура в зоне резания при работе с охлаждением и всухую соответственно.
Величины приведенных коэффициентов определяются свойствами обрабатываемого материала, а также скоростью резания и сечением снимаемого слоя. Эти значения тем больше, чем больше пластичность обрабатываемого материала и чем ниже скорость обработки.
Большое влияние на интенсивность воздействия специальных сред оказывает скорость резания. Увеличение скорости резания ведет к снижению эффективности применения СОЖ. Существует определенное значение скорости, при котором положительное воздействие среды становится незначительным. Эффект от применения СОЖ практически сводится к нулю начиная со скоростей резания V=60 м/мин для стали 1Х18Н9Т, V=150 м/мин для стали 45, V=25…30 м/мин для стали ЭИ69 [1]. Это явление объясняется следующим. С увеличением скорости резания уменьшается время контакта рабочих поверхностей инструмента с поверхностью обрабатываемой заготовки и стружкой. На контактирующих поверхностях просто не успевает образовываться адсорбционный слой, предотвращающий явление их схватывания и разрушения. Кроме того, применение каждого конкретного вида смазочно-охлаждающей жидкости ограничивается величиной возникающего в зоне резания удельного контактного давления. Если это давление оказывается больше критического давления характерного для этой жидкости, происходит разрыв пленки жидкости и, как следствие, резкое повышение коэффициента трения и ухудшение условий обработки.
Что касается вопроса выбора СОЖ в зависимости от вида обработки, то можно предположить следующее. При обдирке и черновой обработке заготовок снимается большой слой материала, возникают большие усилия резания и высокие температуры в зоне контакта материала заготовки и инструмента. В таких условиях особое значение имеет повышение стойкости режущей части инструмента за счет интенсивного его охлаждения. Поэтому применяемые при таких видах обработки СОЖ должны обладать высокими охлаждающими и диспергирующими свойствами при возможно небольшом смазывающем воздействии. При чистовых и отделочных операциях большее значение имеет получение в результате обработки качественной поверхности с низкой шероховатостью. Поэтому здесь особое значение принимают повышенные смазывающие свойства применяемых СОЖ.
Достаточно большое влияние на эффективность применения СОЖ оказывает способ подачи ее в зону резания. На сегодняшний день довольно хорошо исследованы различные способы подвода смазочно-охлаждающих жидкостей в контактную зону и выявлены наиболее эффективные из них. При обработке нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов охлаждение простым поливом СОЖ является малоэффективным. Здесь наиболее целесообразным является применение следующих способов подачи жидкости:
1. Высоконапорное охлаждение тонкой струей жидкости со стороны задней поверхности инструмента. В этом случае жидкость подается через насадку с отверстием диаметром 2…3 мм под давлением 15…20 атм, распыляется и, соприкасаясь с нагретым металлом, испаряется, поглощая большое количество тепла. Большая скорость подачи СОЖ способствует быстрому разрушению паровой рубашки, образующейся возле зоны контакта. Этот способ позволяет повысить стойкость инструмента в 3…6 раз по сравнению с обработкой всухую. Однако он имеет и недостатки, связанные с разбрызгиванием и большим расходом СОЖ.
2. Высоконапорное охлаждение с подачей жидкости под давлением одновременно со стороны задней поверхности инструмента и сверху на стружку. Этот способ относится к комбинированным способам подачи жидкости в зону резания и позволяет добиться еще лучших результатов по сравнению с предыдущим способом.
3. Недостатки высоконапорного охлаждения устраняются при использовании способа охлаждения распыленной сжатым воздухом охлаждающей жидкостью. Эта жидкость в виде тумана легко проникает во все мельчайшие зазоры на контактных поверхностях инструмента со стружкой и обрабатываемой заготовкой и интенсивно испаряется, отбирая большое количество тепла. Этот способ позволяет увеличить стойкость режущего инструмента в 2…3 раза по сравнению с сухим резанием.
4. Охлаждение пенистой жидкостью. Этот способ заключается в том, что через подаваемую жидкость пропускают тонкие струйки воздуха под давлением 0.6…0.7 атм и образуется пена. Пенистая жидкость очень хорошо сцепляется с контактирующими поверхностями инструмента и заготовки, снижая при этом трение и повышая стойкость режущей части инструмента.
5. Охлаждение углекислотой. Этот способ охлаждения является наиболее эффективным, однако и наиболее дорогим из-за высокой стоимости самой углекислоты. Охлаждение здесь происходит следующим образом. Подаваемая в зону резания жидкая углекислота содержит в себе до 50% твердых частиц снегообразной формы с температурой -79°С. Эти частицы оседают в виде инея на поверхность горячего металла и вскипают, поглощая 158 ккал тепла на 1 кг углекислоты.
Кроме того, эффективность охлаждения контактирующих поверхностей инструмента и заготовки с использованием СОЖ можно повысить, если перед подачей ее предварительно охладить до температуры ниже 0°С. Однако в этом случае необходимо будет снабжать станки дополнительными охладительными установками, что требует определенных денежных затрат.
Таким образом, сделаем вывод. Обработка нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, вследствие особенностей их физико-химических и механических свойств, сопровождается интенсивным износом режущей части инструмента. Это вызывает необходимость использовать все возможные способы повышения его стойкости, а, следовательно, и производительности механической обработки. Применение при обработке СОЖ является наиболее простым и эффективным из этих способов. Изменяя состав, свойства и способ подачи смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания в зависимости от конкретного вида и условий обработки можно достичь требуемых результатов по стойкости режущего инструмента и качеству обработанной поверхности.
Список литературы:
1. В. Н. Подураев. Обработка резанием жаропрочных и нержавеющих материалов. – М.: Высшая школа, 1965. – 520 с.
2. Н. И. Резников, И. Г. Жарков и др. Производительная обработка нержавеющих и жаропрочных материалов. – М.: Машгиз, 1960. – 200 с.
3. Обработка резанием высокопрочных, коррозионностойких и жаропрочных сталей / Под ред. П. Г. Петрухи – М.: Машиностроение, 1980. – 167 с.
4. В. А. Кривоухов. Обрабатываемость резанием жаропрочных и титановых сплавов. – М.: Машиностроение, 1961. – 267 с.
http://www.masters.donntu.ru/publ2005/mech/mech_tkach.pdf