Увлекательный мир сухой и полусухой механической обработки 


Большинству операторов обрабатывающих станков трудно представить себе процесс механической обработки без применения смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Однако, в некоторых случаях существует необходимость именно сухой обработки, что может быть обусловлено отсутствием соответствующей подготовки оборудования, либо другими условиями проведения работ. Аналитические данные из различных источников свидетельствуют о том, что затраты на обеспечение охлаждения заготовок в 2-3 раза превышают затраты на режущие инструменты. Кроме того, мировая общественность все более беспокоится о защите здоровья и окружающей среды при проведении производственных работ. Утилизация отработанной смазочно-охлаждающей жидкости является серьезной проблемой для большинства предприятий, а вдыхание ее паров может нанести значительный вред здоровью людей. Вследствие высоких затрат на утилизацию СОЖ, европейские производственные предприятия все чаще используют технологии сухой или полусухой (с минимальным количеством СОЖ) механической обработки, в отличии от предприятий в США. Тем не менее, такие страны как Германия по-прежнему вынуждены считаться с действующими экономическими и производственными условиями и использовать СОЖ. Однако, уже предложены новые нормативы, ограничивающие использование СОЖ при механической обработке. 

Давайте подробнее поговорим о сухой механической обработке. Можно ли обрабатывать материалы без использования СОЖ? В большинстве случаев можно, но данный вопрос требует более подробного рассмотрения.

Во-первых, смазочно-охлаждающая жидкость выполняет целый ряд задач: 
  • Охлаждение. Именно поэтому жидкость и называется охлаждающей. 

  • Смазка. Вязкие материалы, такие как как алюминий, создают нарост на режущей кромке, поэтому необходимо уменьшить трение и, соответственно, их нагрев. 

  • Очистка от стружки. Во многих случаях именно эта задача является наиболее важной. Попадание стружки на обрабатываемую поверхность ведет к повреждению последней и значительно более быстрому затуплению инструмента. В худшем случае, резец или фреза, заводимые в паз или отверстие, могут засориться стружкой, что приведет к их перегреву или даже повреждению. 
При сухой обработке необходимо учитывать каждую из вышеприведенных функций смазочно-охлаждающей жидкости. 


Смазка и нарост на режущей кромке


Поговорим о смазке. Я меньше всего уделил внимания этой теме, однако это не значит, что смазка не важна при обработке. Прежде всего, смазка способствует более эффективной работе режущего инструмента с меньшим нагревом. Когда передняя грань резца скользит по обрабатываемой заготовке, она нагревается вследствие трения. Кроме того, стружка также трется о резец, выделяя дополнительное тепло. Смазка позволяет снизить трение и, соответственно, нагрев. Таким образом, одной из функций смазки является улучшение эффективности охлаждения за счет снижения выделения тепла. При этом основной функцией смазки является предотвращение возникновения наростов на режущей кромке. Каждый, кто видел, как алюминий прикипает к резцу, сразу понимает важность этого вопроса. Наросты на режущей кромке могут очень быстро привести к повреждению инструмента и, соответственно, к задержкам в работе. 

К счастью, наличие или отсутствие наростов главным образом зависит от типа обрабатываемого материала. Чаще всего наросты возникают при обработке алюминия и стали с низким содержанием углерода или других легирующих элементов. В данном случае необходимо использовать очень острые резцы с большими передними углами (положительный передний угол — ваш друг!). Также справиться с этой проблемой помогает распыление небольшого количества СОЖ, причем эффективность такого способа не уступает традиционному методу. Главное, не забывайте предпринимать указанные меры до образования спаек стружки с обрабатываемой поверхностью.


Очистка от стружки


Следующая проблема, связанная с сухой обработкой — это очистка от стружки. Для этой цели можно применять продувку сжатым воздухом. Однако такой способ очистки может быть не в полной мере эффективным при выполнении некоторых операций, например, при сверлении. Глубокая расточка и сверление — две самые проблематичные операции при сухой обработке с точки зрения очистки от стружки. Для решения проблемы можно использовать технический воздух, подаваемый к инструменту, но более предпочтительным решением является распыление небольшого количества СОЖ. Жидкая СОЖ лучше справляется с этой задачей, поскольку имеет более высокую плотность, лучше переносит стружку и охлаждает обрабатываемую поверхность. Но правильное применение распыления позволяет продлить срок службы инструмента по сравнению с вышеописанным традиционным методом. Следует отметить, что естественная очистка от стружки более эффективна на горизонтальных фрезерных и токарных станках, нежели на вертикальных, особенно при сухой или полусухой обработке, что обусловлено наличием гравитации. 

 

Охлаждение


Давайте поговорим об охлаждении. Температура является наиболее важным фактором, влияющим на срок службы режущего инструмента. Небольшой нагрев размягчает материал, что оказывает положительное влияние на процесс обработки. При этом сильный нагрев смягчает режущий инструмент и приводит к его преждевременному износу. Допустимая температура зависит от материала и покрытия режущего инструмента. В частности, твердосплав выдерживает значительно более высокие температуры, чем быстрорежущая сталь. Для некоторых покрытий, таких как TiAlN (титано-алюминиевый нитрид), требуется высокая рабочая температура, поэтому такие инструменты используются без СОЖ. Существует множество примеров, когда отказ от использования СОЖ при условии соблюдения технологий приводит к продлению срока службы инструмента. Твердосплавные инструменты чувствительны к образованию микротрещин в случае резких скачков температуры при неравномерном нагревании и охлаждении. Компания Sandvik рекомендует в своем образовательном курсе не использовать СОЖ, по крайней мере, в большом количестве, с целью предотвращения образования микротрещин. Следует также отметить, что сильный нагрев отрицательно влияет на точность обработки, поскольку в результате нагрева изменяется размер обрабатываемой детали. 

Каким способом можно охладить обрабатываемые детали без использования СОЖ? Для начала рассмотрим наиболее распространенные способы охлаждения. Существуют два вида СОЖ — водоэмульсионные СОЖ и СОЖ на основе масла. Для охлаждения наиболее эффективны СОЖ на водной основе. Насколько? Сравнительные данные приведены в следующей таблице: 

 СОЖ  Удельная теплоемкость Сталь А (закаленная)
Снижение температуры, % 
 Сталь В (отожженная)

Снижение температуры, %
Воздух  0.25    
Масло с присадками (низкая вязкость)  0.489 3.9  4.7
Масло с присадками (высокая вязкость)  0.556
Водный раствор увлажняющего средства  0.872 14.8   8.4
Водно-содовый раствор, 4%  0.923  13
Вода  1.00  19  15

Во-первых, представленные в таблице данные свидетельствуют о том, что эффективность различных типов СОЖ напрямую зависит от их удельной теплоемкости. Во-вторых, следует отметить, что воздух является наихудшим охлаждающим веществом — его характеристики в 4 раза уступают характеристикам воды. Также интересен тот факт, что масляные СОЖ почти в 2 раза уступают воде по охлаждающим свойствам. С учетом данного факта, а также вопросов охраны труда, неудивительно, что многие предприятия используют СОЖ на водной основе — они являются лучшими охладителями. Тем не менее, СОЖ на водной основе эффективно работают только до определенной скорости резания, и чем выше становится скорость, тем они хуже охлаждают материал и инструмент. Одна из причин такого явления состоит в том, что при высокой скорости резания СОЖ не успевает проникнуть во все выемки и трещины в материале. В итоге, охлаждение становится все менее качественным, в результате чего наблюдаются снижение эффективности охлаждения твердосплавного инструмента при скорости резания, превышающей определенное значение. 

Можно использовать стойкие к нагреву покрытия, такие как TiAlN, не требующие охлаждения, однако возможно обойтись и без них. Например, допускается применять для охлаждения сжатый воздух, однако необходимо помнить о том, что для обеспечения эффективности, сопоставимой с водяным охлаждением, потребуются его большие объемы. В случаях, когда требуется охлаждение, значительно эффективнее использовать увлажненный воздух, содержащий распыленную жидкость. Распыление также обеспечивает смазку, что может быть полезно для таких материалов как алюминий. Кроме того, на высоких скоростях резания увлажненный воздух лучше проникает во все полости в материале, чем вода при водяном охлаждении. 

Еще одним способом охлаждения является использование охлажденного воздуха. Существует множество способов охладить воздух, кроме того, он естественным образом охлаждается при выходе из сопла, однако более эффективным решением является применение устройства под названием вихревая трубка. Приведенные выше данные по различным типам СОЖ, а также детальную информацию об исследованиях, связанных с использованием для охлаждения воздуха и вихревых трубок, вы можете найти в научной работе Брайана Босвелла «Использование воздушного охлаждения и его эффективность при сухой обработке материалов». 

Данная работа может быть весьма полезной, если вы хотите разобраться в деталях. Босвелл рассматривает возможность оснащения некоторых патронов токарных станков воздушными каналами, однако приходит к выводу, что наиболее эффективным вариантом является использование вихревых трубок. Если вы собираетесь использовать только воздух, его нужно направлять в нужные места для обеспечения эффективного охлаждения. Босвелл обнаружил, что регулировать вихревую трубку значительно проще, поскольку ее сопло может быть расположено дальше от обрабатываемого материала. При этом, данное устройство в состоянии охлаждать материал так же эффективно, как традиционная система водяного охлаждения. 


Параметры сухой механической обработки материалов


Предположим, что у вас нет дополнительных приспособлений вроде вихревой трубки, однако вы используете сухой или увлажненный сжатый воздух для смазки и удаления стружки. Как это влияет на условия обработки (подача и скорость резания) по сравнению с традиционным способом обработки с применением СОЖ? 
  1. Рассмотрим в отдельности такой параметр как подача на зуб. Регулируемой величиной в зависимости от типа охлаждения является скорость резания. При этом скорость подачи для заданной подачи на зуб несколько снизится. 

  2. При превышении определенного порогового значения скорости резания регулировка в зависимости от типа охлаждения не приносит результатов. В большинстве случаев охлаждающая система будет и вовсе отключена. Назовем это пороговое значение критической скоростью резания. Эта скорость будет немного ниже, но ее определенно можно принять в качестве рекомендуемой для инструментов, имеющих покрытие из TiAlN. Инструменты с покрытием из TiN (нитрид-титан) по-прежнему будут работать на этих скоростях более эффективно с охлаждением, таким образом получается, что критическая скорость резания — промежуточное значение между скоростями, рекомендованными для инструментов с покрытиями из TiN и TiAlN. Очевидно, что критическая скорость будет зависеть от типа обрабатываемого материала, поэтому не существует универсального для всех случаев значения.

  3. Для скоростей резания ниже критической применяется специальный поправочный коэффициент. Как и критическая скорость, коэффициент зависит от обрабатываемого материала и принимает значения 60% до 85%. Иными словами, для некоторых материалов используется коэффициент 60% от рекомендованной скорости (рекомендации производителей инструментов основываются на методе обработки с применением СОЖ), а для других материалов значение коэффициента может достигать 85%. Коэффициент зависит от теплопроводности материала (жаропрочные сплавы достаточно тяжелы в обработке, так как они плохо проводят тепло, а также при резании образуется большое количество нароста), смазочных свойств СОЖ и пр. 

А что насчет качества обработки поверхности? 

Это последний вопрос, касающийся сухой механической обработки. Зачастую, качество финишной сухой обработки ниже, чем при обработке с использованием СОЖ. Существует множество факторов, влияющих на качество, однако в большинстве случаев все упирается в снижение скорости резания. Для сохранения качества обработки снижение скорости важно компенсировать использованием инструмента большего радиуса (например, фрезы). Вторичным фактором является смазка, которая снижает износ и обеспечивает плавность при резании. В данном случае вам поможет увлажненный воздух. 


Итоги


Итак, каковы выводы? 

Понятно, что обработка с использованием смазочно-охлаждающей жидкости превосходит по параметрам сухую или полусухую обработку, если не учитывать затраты на СОЖ и иметь в наличии соответствующее оборудование. Однако, эффекты не настолько ярко выражены, как это может показаться. При обработке вязких материалов можно использовать увлажненный воздух, а вихревые трубки и прочие приспособления для охлаждения воздуха не менее эффективны, чем традиционный метод с применением СОЖ. В этом случае, вы как минимум будете иметь поток сжатого воздуха для очистки заготовки от стружки. Следует понимать, что сухая обработка приводит к изменению скорости резания на 20-25%. Подача на зуб зависит от реализации водяного охлаждения. Правильная ориентация сопла подачи СОЖ может увеличить подачу на зуб на 5%, а подача СОЖ под высоким давлением через шпиндель позволяет добиться еще большего прироста производительности. 

В некоторых случаях отказ от использования СОЖ является достаточно сложной задачей: 

  • Жаропрочные сплавы и титан должны обрабатываться с использованием СОЖ, помимо случаев применения инструментов, для которых рекомендована сухая обработка. Вышеуказанные материалы имеют недостаточную теплопроводность для использования исключительно воздушного охлаждения. 

  • Материалы, образующие нарост на режущей кромке (некоторые нержавеющие сплавы и алюминий), для обеспечения смазки требуют использования СОЖ или, как минимум, увлажненного воздуха. 

  • Без использования СОЖ очень сложно извлекать стружку из глубоких отверстий. Данная проблема может быть решена подачей увлажненного воздуха под давлением.

Помните! 
  • Если ваш шпиндель не является самым быстрым в мире, вероятнее всего, вам придется снизить скорость резания вследствие его недостаточной частоты вращения. Особенно это справедливо при обработке алюминия (или других мягких материалов, таких как латунь), а также при использовании твердосплавных резцов малых размеров. Однако, в данном случае отказ от традиционного жидкостного охлаждения не является критичным. 

  • Зачастую можно увеличить скорость подачи, уменьшив толщину снимаемой стружки.