Охлаждение металлов при резании

В связи с обработкой стали и других металлов, имеющих высокую температуру плавления, применение охлаждающих жидкостей становится существенным. Это наиболее важно при резании стальными инструментами, хотя охлаждающие жидкости часто применяются также и при резании твердосплавными инструментами. Типичным примером условий применения охлаждающих жидкостей является обработка сравнительно небольших деталей на токарных автоматах одновременно несколькими резцами или с небольшим интервалом.

Два основных источника теплообразования при резании — плоскость сдвига и поверхность раздела инструмент — заготовка (особенно в зоне пластического течения на передней поверхности инструмента) — были рассмотрены ранее. Работа, совершаемая при срезании материала заготовки в этих двух зонах, превращается в теплоту, тогда как работа, совершаемая при трении скольжения, имеет второстепенное значение для теплообразования в большинстве условий резания. Охлаждающие жидкости не препятствуют выделению теплоты и не имеют прямого доступа в зоны, являющиеся источниками теплообразования. Теплота, выделяющаяся в зоне сдвига, в основном уносится стружкой, и незначительная ее часть уходит в заготовку. Охлаждающие жидкости на водной основе эффективно снижают температуру как заготовки, так и стружки, после того как стружка сходит с инструмента.

Охлаждение стружки имеет второстепенное значение, тогда как поддержание низкой температуры заготовки оказывает существенное влияние на обеспечение размерной точности.

Отвод теплоты, выделяющейся в первичной зоне сдвига, не оказывает заметного влияния на стойкость или качество режущих инструментов. Как - было показано, теплота, выделяющаяся на поверхности раздела инструмент — заготовка и в прилегающей к ней зоне, имеет гораздо большее значение, особенно при высоких скоростях резания, когда источником тепловыделения является тонкая зона пластического течения, находящаяся в условиях схватывания с инструментом. Охлаждающая жидкость не может непосредственно воздействовать на тонкую зону, являющуюся источником тепловыделения, а способствует отводу теплоты с поверхностей стружки, заготовки и инструмента, доступных для охлаждающей жидкости и расположенных возможно ближе к источнику тепловыделения. Отвод теплоты в стружку и заготовку, по-видимому, оказывает небольшое влияние на температуру на поверхности раздела инструмент — заготовка вследствие того, что непрерывно перемещающаяся заготовка и стружка находятся очень мало времени на площадке контакта с инструментом. Например, при обработке со скоростью резания 30 м/мин время, необходимое для прохождения стружки через зону контакта с инструментом, равно примерно 0,005 с.

Инструмент является единственным стационарным элементом системы. Именно инструмент подвергается воздействию высокой температуры, и поэтому в большинстве случаев охлаждение наиболее эффективно может быть осуществлено через инструмент. Инструмент охлаждается наиболее эффективно за счет подачи жидкости на те доступные его поверхности, которые имеют наиболее высокую температуру, так как здесь происходит наиболее быстрый отвод теплоты, а также потому, что повреждение этих поверхностей наиболее вероятно. Знание распределения температуры в инструменте может помочь рациональному применению охлаждающих жидкостей. Это подтверждается экспериментальными данными лабораторных испытаний инструментов при обработке стали с очень низким содержанием углерода и технически чистого никеля.

На рис. 8.1 приведены сечения по режущей кромке инструментов после обработки низкоуглеродистой стали с высокой скоростью резания: всухую и с подачей масляной эмульсии свободно падающей струей, а также с подачей тонкой струей, направленной на вспомогательную заднюю поверхность. Инструменты были разрезаны и подвергнуты травлению для определения градиентов температуры методами, изложенными ранее. Температурные поля в инструментах в той последовательности, в которой они расположены на рис. 8.1, представлены на рис. 8.2. На рис. 8.3 показаны температурные поля на передней поверхности инструментов, применявшихся для резания при условиях, аналогичных условиям, представленным на рис. 8.2. На них видны важные особенности, относящиеся к действию охлаждающих жидкостей.

Во-первых, применение охлаждающей жидкости не препятствовало возникновению высокой температуры на поверхности раздела инструмент — заготовка вследствие того, что выделение теплоты происходило в зоне пластического течения, недоступной прямому воздействию охлаждающей жидкости. Максимальная температура на передней поверхности инструмента составляла выше 900° С независимо от того, протекал ли процесс резания всухую, с подачей охлаждающей жидкости поливом или тонкой струей, направленной на вспомогательную заднюю поверхность. Во-вторых, применение охлаждающей жидкости уменьшило нагрев режущего инструмента. Струя, направленная на вспомогательную заднюю поверхность, была в этом отношении гораздо эффективнее, чем свободный полив охлаждающей жидкости на переднюю поверхность. Градиенты температуры в инструменте были гораздо круче при применении охлаждающей жидкости. В-третьих, не происходило повреждения вспомогательной задней поверхности, вызванного деформацией инструмента при обработке всухую, или при поливе охлаждающей жидкостью, когда температура этой поверхности была снижена за счет подачи охлаждающей жидкости через сопло. Более широкая холодная зона на режущей кромке на этом инструменте дает возможность предположить, что скорость диффузионного износа задней поверхности возможно также уменьшится при таком способе охлаждения.

Колодная зона на режущей кромке, являющаяся характерной особенностью инструментов, применяемых для обработки стали, отсутствует при обработке никеля, как было показано ранее. Высокая температура на главной режущей кромке способствует ее износу и выходу из строя под действием деформации. Было найдено что при обработке никеля эффективность охлаждения увеличивается, если подавать охлаждающую жидкость через сопло в виде тонкой струи на заднюю поверхность инструмента на участок, расположенный под главной режущей кромкой. На рис. 8.4, а приведено сечение по инструменту после обработки технически чистого никеля всухую, а на рис. 8.4, б — соответствующий резец после обработки с подачей охлаждающей жидкости через сопло на заднюю поверхность. Соответствующие градиенты температуры показаны на рис. 8.5. Приведенные рисунки свидетельствуют о значительном уменьшении температуры и износа инструмента на режущей кромке вследствие подачи охлаждающей жидкости непосредственно к определенному участку инструмента.

Подача охлаждающей жидкости поливом сверху на переднюю поверхность инструмента является наиболее простым и дешевым методом, и большинство станков имеет именно такую систему охлаждения. Когда необходимо более эффективное охлаждение, обычно увеличивают расход охлаждающей жидкости. Это не обязательно приводит к увеличению стойкости инструмента вследствие того, что подаваемая таким образом охлаждающая жидкость может и не попасть на заднюю поверхность инструмента, с которой наиболее эффективно отводится теплота. Подача гораздо меньшего количества точно направленной в горячие зоны охлаждающей жидкости может оказаться более эффективным, хотя и более дорогим способом. Направленная подача распыленной охлаждающей жидкости применяется для разрешения сложных проблем, как, например, при обработке никелевых сплавов. Очень эффективным является также применение углекислого газа в качестве охлаждающего вещества. Углекислый газ подается под высоким давлением через отверстие в инструменте и выходит из малых каналов под пластинкой как можно ближе к режущей кромке. При расширении углекислого газа температура снижается и температура инструмента у сопла снижается до 0 и ниже. Было подтверждено повышение стойкости инструмента вследствие применения углекислого газа, однако этот способ охлаждения, как и охлаждение распыленной жидкостью, является дорогим и не получил широкого распространения в практике.