Исследование влияния сож iia процесс взаимодействия инструмента ii заготовки при обработке металлов резанием

 

    Как видно из таблицы, наилучшие результаты показали Автокат Ф- 78, ВЕЛС-1 (для  стали ЩХ15) и Оксидол - ОС1 (для  стали 45Х), которые позволили, по сравнению  с эталонной СОЖ Укринол -1М, повысить коэффициент шлифования в 1,1 -1,2 раза.

    Взаимосвязь между отдельными явлениями, происходящими в зоне резания, может быть непосредственная или косвенная, через изменение ряда других (цепочки) физических явлений, связывающих два исследуемых параметра. Например, влияние СОЖ на износ инструмента связано с трибологией резания. При этом СОЖ оказывает влияние на физико- химические процессы в зоне резания, пластические деформации, тепловые явления и др. Зачастую косвенная взаимосвязь явлений, составляющих процесс резания, имеет большее значение, чем непосредственная, а иногда и решающее. Кроме того, непосредственная и косвенная взаимосвязь отдельных физических явлений может оказывать как одинаковое, так и противоположное воздействие.

    Существует  тесная взаимосвязь явлений пластического  деформирования и трения, на основе которых построены все исследования в области механики процесса стружкообразования. Чем меньше толщина срезаемой стружки, тем сильнее влияние СОЖ на параметры обработки.

    1.3. Тепловой баланс процесса резания

    В процессе резания металлов происходит интенсивное тепловыделение. Практически вся механическая работа, затрачиваемая на срезание припуска заготовки, превращается в теплоту. Полное количество теплоты Q, выделяющейся в единицу времени, можно определить из выражения:

Q=P.V [Дж/с], (2)

где Р - сила резания;

    V - скорость резания.

    Тепловой  баланс в процессе резания можно  представить в следующем виде:

Q=Q*+Q_m+Q„~Qc+Q,+Q*+Q, №L (3)

Где Q_d - количество теплоты, выделяемой при упругопластичной деформации обрабатываемого материала;

    Q_M - количество теплоты, выделяемой при трении стружки о переднюю поверхность лезвия режущего инструмента;

    Q_m~ количество теплоты, выделяемой при трении задней поверхности режущего инструмента о заготовку;

    Q_c - количество теплоты, отводимое стружкой;

    Q_} ~ количество теплоты, отводимое заготовкой;

    Q_u - количество теплоты, отводимое режущим инструментом;

    Q, - количество теплоты, отводимое в окружающую среду.

    В зависимости от технологического метода и условий обработки стружкой отводится от 25 до 85% всей выделяемой теплоты; заготовкой - 10-50%; инструментом - 2-8%. Количественное распределение  теплоты, отводимое стружкой через  инструмент и заготовку, зависит  главным образом от скорости резания V^.

    Нагрев  режущего инструмента в зоне контакта с прирезцовой стороной стружки до высоких температур (t=800 °С и выше) и связанное с этим тепловыделение отрицательно влияет на инструмент и заготовку: вызывает снижение твердости режущего инструмента и потерю его режущих свойств, структурные превращения в поверхностном слое обрабатываемого металла. Нагрев инструмента вызывает изменение его геометрических размеров, что снижает точность обработки, вызывает погрешность геометрической формы обрабатываемых поверхностей.

    Температурные деформации режущего инструмента, приспособления, заготовки и станка снижают не только точность, но и качество обработки. Изменение температурного поля по объему заготовки в процессе обработки приводит к погрешности формы обрабатываемых поверхностей. Необходимо отметить, что в значительной части работ по резанию металлов взаимосвязь стойкости инструмента и производительности обработки определялась на основе рассмотрения только тепловых зависимостей без учета трибологии резания [74].

    Нагрев  до высоких температур инструмента  и заготовки отрицательно влияет на точность и качество обработки, на экологическую обстановку в цехе, на работу систем ЧПУ станков. Поэтому в механообрабаты- вающих цехах применяют меры по снижению отрицательного влияния высоких температур при резании. К основным методам борьбы с высокими температурами относятся:

• использование обильного охлаждения СОЖ;
• применение систем приточно-вытяжной вентиляции и систем кондиционирования воздуха,
• проведение наиболее вредных операций в специальных помещениях.

    1.4. Методы подачи  СОЖ в зону резания

    СОЖ могут по-разному подаваться в  зону резания. Наиболее распространенный способ - подача жидкости поливом через сопло на переднюю поверхность инструмента. В тех случаях, когда попадание СОЖ в зону резания при поливе затруднено, жидкость подают через каналы в теле режущего инструмента. Такой способ подачи СОЖ нашел широкое применение при сверлении глубоких отверстий.

    Хорошо  зарекомендовало себя высоконапорное охлаждение, когда жидкость подается с большой скоростью под давлением  через отверстия небольшого диаметра в задних поверхностях инструмента. Основные трудности использования этого метода - необходимость хорошей очистки

СОЖ. Малейшие загрязнения в виде обломков стружки  закупоривают каналы подачи СОЖ, и она прекращает подаваться в зону резания. Весьма эффективно охлаждение распыленными жидкостями (туманом).

    Для ограничения подачи СОЖ фирмы разрабатывают новые конструкции патронов, применяемых, например, с концевым лезвийным инструментом диаметром до 2 мм. СОЖ проникает в зону резания через специальные отверстия в инструменте. Возможны и другие варианты, например, использование специальных насадок, определяющих характер струи СОЖ, образующих "водяной колпак'¹ вокруг концевого инструмента. При относительно малом сечении отверстий в насадке струя концентрируется под давлением; в противном случае осуществляется обильное охлаждение.

    В большинстве случаев заводы стремятся  подобрать оптимальный состав СОЖ. Активация СОЖ и применение специальных  методов подачи используются редко. Подача СОЖ под давлением, распылением, через каналы в теле инструмента требует хорошей ее очистки. Для улучшения степени очистки СОЖ необходимы большие капитальные затраты на приобретение соответствующих устройств фильтрации СОЖ и требуются большие свободные площади для размещения этих устройств. В связи с этим в настоящей работе основное внимание уделено теоретическим аспектам выбора оптимального состава и экспериментальным методам оценки эффективности СОЖ.

    1.5. Истощение водных  эмульсин в процессе  эксплуатации

    В водные СОЖ добавляют нефтяные и  синтетические сульфонаты и минеральные  масла. В процессе эксплуатации эмульсии может происходить ее расслоение с выделением масляной фазы. Для обеспечения стабильности водных эмульсий в них используют эмульгаторы.

    Присутствие в эмульсиях сульфонатов приводит к их быстрому поражению бактериями, к появлению запаха сероводорода, вызывает трудности при их утилизации и заставляет заводы чаще менять СОЖ. В силу того, что масляная фаза лучше смачивает обрабатываемый металл, она в большем количестве остается на заготовке, чем водная составляющая. Происходит истощение эмульсии в процессе эксплуатации.

6. Улучшение санитарно-гигиенических условий обработки за счет применения эффективных СОЖ

    Улучшение санитарно-гигиенических условий  обработки за счет применения эффективных СОЖ достигается за счет:

• уменьшения содержания металлической и органической пыли в атмосфере цеха;
• понижения температуры обработанной заготовки, снимаемой со станка оператором;
• снижения вероятности травм рабочего персонала в связи с улучшением стружкозавивания и стружкоотвода.

    СОЖ на водной основе дешевле масляных и обладают лучшими санитарно-гигиеническими свойствами. На машиностроительных заводах, чтобы не ухудшать условия труда рабочих, часто применяют водные СОЖ вместо масляных, несмотря на снижение технологических показателей.

7. Цель и задачи исследования

    Выполненный обзор показывает, что опубликовано большое количество работ, посвященных исследованию и внедрению серийно выпускаемых марок СОЖ на определенных операциях механической обработки. Эффективность использования этих составов на других операциях обработки металлов резанием, при использовании других инструментальных или обрабатываемых материалов прогнозировать трудно. Разработка и выбор СОЖ для различных операций обработки металлов резанием должны производиться на основании принципиально нового подхода, позволяющего прогнозировать эффективность СОЖ на основании научно обоснованных универсальных критериев.

    Цель  исследования: разработка теоретических основ повышения качества, точности и производительности обработки деталей машиностроения за счет применения эффективных составов СОЖ и целенаправленного подбора их компонентов.

    Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

• выполнить анализ механизма действия СОЖ в процессе резания;
• разработать теоретические вопросы, связанные с анализом факторов, влияющих на выбор эффективного состава СОЖ;
• разработать методы количественной оценки функциональных свойств СОЖ на модельных установках и натурных стендах;
• провести исследование различных составов СОЖ на стендах и металл орежущих станках..

    1.8. Выводы

1. Опубликован достаточно обширный материал, посвященный исследованию и внедрению серийно выпускаемых марок СОЖ на определенных операциях механической обработки.
2. Большая номенклатура обрабатываемых и инструментальных материалов, методов обработки, применяемых на машиностроительных заводах, вызывает значительные материальные и временные затраты на подбор оптимальных СОЖ для конкретных условий обработки. При этом не гарантируется выбор оптимального состава.
3. Недостаточность разработки теоретических основ применения СОЖ приводит к тому, что подбор СОЖ в нашей стране и за рубежом

осуществляется  в основном эмпирическим путем - на основе личного опыта специалистов.

4. Задача  разработки и выбора СОЖ для  различных операций обработки металлов резанием является весьма актуальной для машиностроительного производства. Она требует принципиально нового научно обоснованного подхода, позволяющего прогнозировать эффективность СОЖ на основании научно обоснованных универсальных критериев.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА  ДЕЙСТВИЯ СОЖ В  ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ

    2.1. Теоретические основы повышения эффективности процесса резания за счет применения оптимальных составов СОЖ

    Долговечность деталей и узлов машин в  значительной степени зависит от качества их рабочих поверхностей. Получение оптимальных параметров качества этих поверхностей в процессе резания представляет определенные трудности. Следует учитывать, что влияние значительного количества параметров качества поверхности на долговечность в настоящее время изучено недостаточно.

    В процессе эксплуатации деталей машин формируются параметры качества поверхностного слоя, которые зависят от конкретных условий работы. Так, например, независимо от исходной шероховатости поверхности по мере работы механизма наблюдается воспроизводимость той шероховатости, которая наиболее рациональна для данной трущейся пары [57].

    Обработка металлов резанием является наиболее распространенным способом получения  поверхностей деталей машин с  заданными физико- механическими  свойствами. Необходима разработка математической модели, описывающей условия контакта рабочих поверхностей инструмента и заготовки и изучение влияния условий обработки, в том числе состава СОЖ, на физико-химические процессы в зоне резания.

    Процесс резания имеет двойственную природу. С одной стороны, большое количество факторов обеспечивает непрерывность процесса резания металла и снятие с обрабатываемой поверхности стружки. С другой стороны - процесс резания, в определенной степени, является дискретным (прерывистым), что связано с влиянием большого количества случайных факторов.

    Дискретность  процесса резания подтверждается видом  стружки, неоднородной шероховатостью и волнистостью обработанной поверхности, значительным рассеиванием параметров, характеризующих физико- механические свойства поверхностного слоя металла, частотно- амплитудными характеристиками контакта инструмент-заготовка, колебаниями сил резания (Р ) и др.