Фрезерование СОЖ

ПРИМЕНЯТЬ ЛИ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩУЮ ЖИДКОСТЬ? РЕШЕНИЕ ЗА ВАМИ!
Применять ли при фрезеровании смазочно-охлаждающую жидкость (далее СОЖ)? Этот вопрос имеет принципиальное значение при проектировании технологии обработки. Действительно, что предпочесть для эффективного резания: подвод СОЖ или отказ от него? Возможно, современные методы минимального количества смазки (англ. MQL – minimum quantity lubrication) предлагают производству разумный компромисс и несут собой взвешенное решение отмеченной проблемы? Следует сразу оговориться: как и во многих сферах техники и технологии, достаточно сложно найти однозначный ответ на поставленный вопрос, и обсуждаемая тема требует более подробного рассмотрения.		СОЖ, или жидкие смазочно-охлаждающие технологические средства (далее СОТС), как следует из самого названия, выполняют две функции: смазка и охлаждение. В процессе резания поверхности инструмента и заготовки контактируют друг с другом. Смазочный эффект СОЖ снижает возникающую силу трения и облегчает снятие материала. Механическая обработка сопровождается интенсивным тепловыделением, и температура в зоне резания высока. Охлаждающий эффект подвода СОЖ позволяет уменьшить термическую нагрузку на инструмент. Кроме того, СОЖ улучшает удаление стружки и снижает концентрацию металлической пыли вокруг станка.		Таким образом, применение СОЖ непосредственно связано с решением следующих задач: - улучшение технологических показателей точности и шероховатости, достигаемых обработкой; - повышение экономической эффективности выполняемой операции (рост производительности, увеличение стойкости инструмента, снижение затрат на инструмент); - охрана окружающей среды. Фрезерование характеризуется прерывистым резанием, в процессе которого режущее лезвие (зуб) инструмента испытывает циклическую тепловую нагрузку. Зуб фрезы, входя в материал обрабатываемой заготовки и покидая
-1-
его, находится под действием резкого изменения температуры окружающей среды. Режущая кромка пребывает в состоянии повторяющегося термического шока. Сегодня основным инструментальным материалом является твёрдый сплав – спекаемый металлокерамический продукт, получаемый технологией порошковой металлургии. Он достаточно чувствителен к существенному перепаду температур, вызывающему разрушение кромки. В данном случае подача СОЖ может усилить отрицательный эффект «шоковой терапии» фрезы, вольно или невольно способствуя её преждевременному износу. Избыточное тепло приводит к пластической деформации кромки, а значительная разница температур – к термическим трещинам. Дополнительным осложняющим фактором становятся и особенности операции: фрезерование труднообрабатываемых материалов, черновое резание с большим припуском на проход и т. п. – в такой ситуации наблюдается усиленное теплообразование. Следовательно, наряду с бесспорными достоинствами применение СОЖ обладает не менее очевидными недостатками. В то же время в ряде случаев подвод СОЖ просто необходим, так как без него производительное резание невозможно: например, фрезерование титана или жаропрочных материалов на основе никеля, различных марок нержавеющей стали аустенитной или аустенитно-ферритной (двухфазной) групп, высоколегированного износостойкого чугуна со специальными свойствами. При обработке глубоких полостей или узких пазов подвод СОЖ существенно улучшает отвод стружки и предотвращает вторичное резание. Традиционно подвод смазочно-охлаждающей жидкости проводится под «низким» давлением (20 бар). Прогресс станкостроения позволил использовать технологию подачи СОЖ под высоким давлением (англ. НРС – high-pressure cooling) в районе 80 бар и намного больше (Ultra HPC). При использовании обычного метода подвода СОЖ усиленное выделение тепла приводит к образованию в зоне резания парового слоя, который затрудняет теплопередачу.
		Струя СОЖ под высоким давлением пробивает этот слой и устраняет указанное препятствие. Кроме того, она улучшает процесс резания металла и способствует образованию тонкой стружки. Разумеется, чтобы воспользоваться преимуществами подвода СОЖ под высоким давлением, требуются особые фрезерные станки или же проведение соответствующей модернизации имеющегося оборудования. Фрезерование без СОЖ и другие варианты Оставим в стороне те случаи, когда подача СОЖ буквально «жизненно» необходима для эффективного фрезерования. Закономерен вопрос: если смазочно-охлаждающая жидкость действительно ухудшает выполнение операции, возможно,		отказ от её подвода влечёт существенное улучшение результата? Ведь тогда перед сухим резанием открываются впечатляющие перспективы. Как уже отмечалось, черновое фрезерование со значительным объёмом удаляемого материала сопровождается интенсивным выделением тепла, и подача СОЖ может выступать здесь в роли разрушающего фактора, создавая стрессовую термическую нагрузку. При сухой обработке температура твёрдосплавной режущей кромки тоже высокая, но при правильно установленных параметрах режима резания не превышает допустимых значений. Температура изменяется в достаточно узких пределах и не приводит к термическому шоку материала.
-2-
Другой пример – высокоскоростное фрезерование (англ. HSM – high speed milling), в первую очередь, закалённых сталей твёрдостью HRC 45 и выше. Резание в этом случае отличается снятием тонкой стружки, и в качестве СОТС настоятельно рекомендуется использовать только воздух. В обоих приведенных случаях отказ от СОЖ кардинально повышает стойкость инструмента. Другими немаловажными факторами, без учёта которых всестороннее рассмотрение вопроса невозможно, являются экономика охлаждения и безопасность труда. В серийном производстве расходы на режущий иструмент составляют примерно 3% стоимости операции механической обработки. Доля затрат, связанных с СОЖ (приобретение, обслуживание, фильтрация и т.д.), по оценкам различных источников в ряде случаев приближается к 12 и даже 17%. Длительное воздействие смазочно-охлаждающей жидкости способствует развитию профессиональных заболеваний у персонала. Совершенствование международных и национальных стандартов, отраслевых нормативных документов и внутризаводских инструкций ужесточает требования к СОЖ и, несомненно, сказывается на её стоимости. Станки, предназначенные для сухого фрезерования, при прочих равных условиях конструктивно проще, а следовательно, и дешевле:		отсутствуют насос для подачи СОЖ, система её переработки и т.п. Указанные факторы совсем не второстепенны при поиске ответа на наш вопрос о необходимости использования СОЖ. Развитие технологий позволило разработать еще один метод: фрезе- рование с минимальным количеством смазки (MQL). В соответствии с этим методом обработка осуществляется в окружении масляного тумана, аэрозоля, образуемого подачей сжатого воздуха и малого количества СОЖ непосредственно на режущий инструмент. В зависимости от конструктивных особенностей станка и фрезы подвод аэрозоля бывает внешним и внутренним (через корпус инструмента). Основная задача метода – обеспечить надёжное смазывание режущей кромки фрезы. Так как потребляется лишь минимально необходимое количество СОЖ, эффективность использования смазочно-охлаждающей жидкости резко возрастает. Заготовка и образуемая стружка остаются практически сухими, что помогает предотвратить слипание стружки и значительно облегчает её переработку. Метод MQL повышает стойкость режущего инструмента. Сухим остаётся также и рабочее пространство станка. Следовательно, его различные части находятся в более благоприятных условиях эксплуатации, и срок их службы увеличивается.		Новые решения предлагает также криогенное охлаждение. Создание окружающей среды очень низкой температуры исключает перегрев инструмента и приводит к повышению его стойкости. Комбинируя криогенное охлаждение с принципами метода MQL, можно организовать более действенную минимальную подачу хладоагента (например, жидкого азота) в зону резания через внутренние каналы в корпусе фрезы. Некоторые криогенные системы рассчитаны на использование углекислого газа (CO2) низкой температуры, подаваемого под давлением. В любом случае частицы хладоагента, попадая на режущую кромку, эффективно отводят образующееся тепло. Принципиальные преимущества очевидны, но криогенное охлаждение – дорогостоящая технология, требующая особой конструкции станка. Прогрессивные методы фрезерования с подводом СОЖ и без него находят своё отражение в станках, поставляемых компанией GALIKA AG. Компания GALIKA AG специализируется в инжиниринге – целом комплексе услуг по созданию и внедрению новейших технологий, включая проектирование процессов обработки, поставку металлорежущих станков и роботизированных модулей, совершенствование текущих производственных методов и обеспечение качества продукции.
-3-
Благодаря 30-летней успешной деятельности на российском рынке компания GALIKA AG превратилась в ведущее инжиниринговое предприятие, завоевавшее заслуженный авторитет у отечественного производителя. А с 2006 года к решению вопросов инструментального обеспечения проектов компании GALIKA AG подключились специалисты компании ISCAR – одного из лидеров рынка мировой инструментальной промышленности, тесно сотрудничающего с компанией GALIKA AG. Совместные усилия привели к хорошим результатам в реализации многих проектов в различных отраслях промышленности: авиа- и двигателестроении, изготовлении космических аппаратов и др. Среди заказчиков – ключевые предприятия машиностроительного комплекса: НПК «Уралвагонзавод», НПО «Сатурн», РКК «Энергия» им. С.П. Королёва, «Роствертол», экспериментальные участки ведущих НИИ. Особенности фрезерного инструмента Итак, использовать СОЖ или нет? Вероятно, правильным ответом сегодня будет как использование обработки со смазочно-охлаждающей жидкостью, так и сухого резания. Решение зависит от специфики процесса, имеющегося станочного парка и доступного инструмента. Производители инструмента должны учитывать особенности современной технологии и предоставить заказчику такие конструкции фрез, которые отвечают требованиям различных методов подвода СОТС. Наличие внутренних каналов для подачи СОЖ в корпусе инструмента – характерная черта большинства фрез последних лет. Таким образом достигается более рациональный подвод смазочно- охлаждающей жидкости в зону резания. Если же приходится работать с насадными фрезами предыдущих поколений, компания ISCAR предлагает использовать для закрепления фрезы на оправке винт с регулируемым соплом, позволяющий перейти от внешней подачи СОЖ к внутренней.
		Во многих случаях не только повышается смазочно-охлаждающий эффект, но также и улучшается процесс удаления стружки. Конструкция инструмента, предназначенного для фрезерования с подачей СОЖ под высоким давлением и криогенного охлаждения, требует особого внимания: профиль внутренних каналов, их размеры, уплотняющие элементы – все эти, на первый взгляд, второстепенные детали приобретают важное значение для обеспечения нормального режима течения СОЖ. Важным звеном являются специальные сопла, устанавливаемые на выходе каналов. С их помощью удаётся оптимизировать скорость СОТС и направить его на необходимый участок. А как же сменная многогранная пластина		(СМП) из твёрдого сплава? Именно её кромка непосредственно осуществляет резание материала. Как связать её с требованиями к фрезерованию с различными СОТС? «Ключом» становится сам твёрдый сплав и особенно его покрытие, создающее барьеры для проникновения тепла в тело пластины. Стойкость покрытия к термическому шоку прямо связана с сопротивляемостью тепловому разрушению. Покрытия различаются по своим свойствам, и одни из них более подходят к обработке с подачей СОЖ, другие – менее. Однако малый по своим размерам микромир покрытий так богат факторами, прямо влияющими на состояние своего макроокружения – собственно пластину, что данная тема заслуживает отдельного обсуждения.