Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Смазка металлов при резании

03.11.2018

Термин «смазка» применительно к смазочно-охлаждающим жидкостям используется в этой книге для описания действия, оказываемого жидкостью на поверхности раздела и проявляющегося в уменьшении сил трения и количества выделяемой теплоты или уменьшении шероховатости обработанной поверхности и изменении картины пластического течения вблизи режущей кромки. Смазочные жидкости могут способствовать повышению стойкости инструмента, хотя при некоторых условиях они могут привести к повышению скорости износа. При рассмотрении всех аспектов процесса резания металлов в этой книге особое значение придавалось условиям схватывания на поверхности раздела инструмент — заготовка. Это необходимо для правильной оценки наиболее важных проблем процесса резания металлов, а также для изменения сложившихся представлений по данному вопросу. Важность этой существенной особенности, отличающей обработку металлов резанием от других операций обработки металлов, либо полностью игнорируется, либо в значительной степени недооценивается. Однако в условиях схватывания смазочные жидкости, очевидно, не играют никакой роли, так как между двумя поверхностями не происходит относительного перемещения и на поверхность раздела не поступает подаваемая извне смазка незвисимо от того, является ли она твердой, жидкой или газообразной. Чтобы понять очень важное действие, оказываемое смазочной жидкостью, особое внимание должно быть уделено рассмотрению тех площадок на поверхности раздела инструмент — заготовка, где не происходит схватывания и которым уделено очень мало внимания ранее. Схватывания можно избежать при очень низких скоростях резания, как, например, в центре спирального сверла или когда время резания очень мало, как, например, при нарезании зубчатых колес многозубой червячной фрезой. При таких условиях металлический контакт может быть очень локализованным, и инструмент и поверхность заготовки могут быть в основном разделены очень тонким слоем смазки, ограничивающей увеличение площадок контакта. Другими словами, могут существовать условия, известные как граничная смазка, когда хорошая смазка, особенно с противозадирными присадками хлора и серы, уменьшает силы резания, выделение теплоты и способствует существенному снижению шероховатости обработанной поверхности.

При обычных условиях резания, когда происходит схватывание, вокруг площадки схватывания всегда имеется периферийная зона, в которой контакт частичный и прерывистый. Это схематически показано на рис. 3.13 для проходного токарного резца, работающего в условиях схватывания, но без нароста. В периферийной зоне нормальные напряжения сжатия ниже, чем в зоне схватывания. Действие смазочной жидкости в этой периферийной зоне и тип эффективной смазочной жидкости были наглядно продемонстрированы во время экспериментов по резанию металла в вакууме, проводимых Роувом и др.

При обработке железа в высоком вакууме (10-3 мбр) площадь контакта между стружкой и инструментом значительно возрастала, стружка оставалась схваченной с инструментом на большем протяжении, чем при обработке на воздухе. Это приводило к очень большим силам резания и чрезвычайно толстой стружке. Подача в вакуумную камеру кислорода даже при очень низком давлении способствовала уменьшению площади контакта и сил резания до значений, соответствующих обработке на воздухе. Кислород в воздухе, окружающем инструмент при обычных условиях резания, препятствует превращению небольших площадок металлического контакта в периферийной зоне в большую площадку схватывания. Действие кислорода проявляется не в предупреждении схватывания, а в ограничении площади схватывания. Свежеобразованные поверхности на контактной стороне стружки и на заготовке химически очень активны и легко повторно свариваются с инструментом даже после первоначального разделения. Роль кислорода в воздухе или хлора и серы в смазочной жидкости заключается в их соединении с вновь образованными металлическими поверхностями, что способствует уменьшению их активности и сродства с инструментом.


Таким образом, воздух сам по себе действует до некоторой степени как смазочная жидкость, и если бы резание происходило в космическом пространству, то возникли бы проблемы, связанные с большими силами резания и интенсивным схватыванием. Действие воздуха сказывается на изменении пластического течения стружки у ее наружного края при обработке стали. В этой зоне кислород из воздуха способен проникать на некоторое расстояние от края стружки и препятствовать схватыванию в отдельных зонах, например, на участке H—E. Электронная микрофотография стальной стружки, полученной при обработке со скоростью резания 49 м/мин, на которой видны сегменты на наружном крае стружки, представлена на рис. 3.3. Сечения по наружному краю стружки свидетельствуют о характерном прерывистом скольжении (рис. 8.6). Вначале происходит схватывание стали с инструментом, однако присутствие кислорода в этой зоне ограничивает схватывание между инструментальным и обрабатываемым материалом до размеров небольших локальных площадок; сила подачи возрастает, происходит разрушение этих локальных связей, и сегмент стружки перемещается по поверхности инструмента. Процесс повторяется, последовательные сегменты, находящиеся в условии прерывистого скольжения, образуют наружный край стружки. Кислород может проникать только на небольшое расстояние от наружного края стружки на такой скорости резания, например на 0,25 мм, а дальше схватывание является непрерывным. В сечении по той же стружке, расположенном на расстоянии 0,5 мм от края (рис. 8.7), картина пластического течения характерна для условия схватывания. Глубокие канавки, иногда появляющиеся там, где край стружки перемещается по поверхности инструмента при прерывистом скольжении, вероятно, вызваны химическим взаимодействием как инструментального, так и обрабатываемого материала с атмосферным кислородом. В воздухе содержится 80% азота и 20% кислорода, и азот играет важную роль в уменьшении окисления инструмента при обработке стали с высокой скоростью резания. Это может быть показано следующим простым экспериментом. На тех поверхностях инструмента, на которых температура при резании превышает 400° С, образуются окрашенные окисные пленки, известные как цвета побежалости. При детальном изучении инструментов после обработки стали с высокими скоростями резания можно видеть две площадки, полностью свободные от окисной пленки, даже-если при резании на них образовывалась высокая температура. Эти зоны, отмеченные буквой X (рис. 8.8), расположены на задней поверхности непосредственно под площадкой износа и на передней поверхности за лункой износа. Отсутствие в этих зонах пленки вызвано не тем, что эти зоны были холодными во время обработки, в действительности они были расположены ближе к источнику тепловыделения и подвергались воздействию более высоких температур, чем смежные окисленные поверхности.


Это объясняется тем, что в процессе обработки эти участки инструмента образуют одну поверхность очень тонкой щели (зона ниже точки С на рис. 3.13 на задней поверхности и сразу за участком С—D на передней поверхности). Противоположная поверхность этой щели представляет собой нагретую до высокой температуры свежеобразованную поверхность, которая вместе с поверхностью инструмента препятствует доступу кислорода в эту узкую полость, образуя заполненный азотом карман, который защищает поверхность инструмента от окисления. Ниже этой зоны на задней поверхности в тех местах, где проходят края стружки, возможен больший доступ кислорода, и инструмент покрывается окисной пленкой, несмотря на более низкую температуру. Это схематически показано на рис. 8.8, а на рис. 8.9 микрофотография задней поверхности инструмента из твердого сплава после обработки стали с высокой скоростью резания. Защитное действие атмосферного азота исключается, если направить струю кислорода в щель на задней поверхности. Происходит значительное окисление инструмента в зоне, ранее свободной от окисных пленок (сравните рис. 8.10 и 8.9). Таким образом, атмосферный кислород играет роль «смазки», уменьшая площадь схватывания, тогда как атмосферный азот изменяет это действие и в значительной степени предотвращает серьезную проблему, связанную с окислением режущих инструментов при обработке металлов, имеющих высокую температуру плавления, с высокой скоростью резания, так как твердосплавные инструменты окисляются очень быстро на воздухе при температуре около 900° С.

Другие активные элементы, главным образом хлор и сера, введенные в смазочные жидкости, по-видимому, оказывают аналогичное с кислородом действие. Даже в составе жидких смазочных веществ они должны действовать в газообразном состоянии вследствие высокой температуры на поверхности раздела. Смазочные жидкости могут оказаться более эффективными, чем воздух, так как они исключают образование карманов, заполненных азотом, и позволяют активным элементам проникать в щели и тем самым способствовать дальнейшему уменьшению поверхности схватывания. В этом смысле вода, вероятно, действует как смазочная, так и охлаждающая жидкость, проникая между поверхностями инструмента и заготовки и вызывая оксидирование и уменьшение схватывания.


Одним из наиболее эффективных смазочных веществ является четыреххлористый углерод CCl4, хотя он не должен вообще рассматриваться как смазочное вещество в большинстве случаев скольжения. Из-за токсичности CCl4 не может быть использован в промышленных условиях. На рис. 8.11 показано влияние CCl4 и воды на силы резания при обработке стали в широком диапазоне скоростей резания. Вследствие этого действия, уменьшающего площадь контакта, активные смазочные вещества эффективно снижают силу резания. Они наиболее эффективны при низких скоростях резания и оказывают сравнительно небольшое влияние при скоростях свыше 30 м/мин. За счет уменьшения сил резания уменьшается потребление мощности и снижается температура с последующим увеличением стойкости инструмента. Однако иногда скорость износа инструмента увеличивается при применении активных смазочных веществ.

Уменьшение шероховатости поверхности является основной целью применения смазочных жидкостей. В этом отношении они особенно эффективны на весьма низких скоростях резания и подач в присутствии нароста. В качестве примера на рис. 8.12 приведены снятые на приборе типа Talysurf профилограммы поверхности, обработанной при точении низкоуглеродистой стали со скоростью 8 м/мин и подачей 0,2 мм/об как всухую, так и с применением масляной эмульсии. Значительное снижение шероховатости вызвано уменьшением размера нароста. Часто при обработке всухую при тех же режимах образуется большой нарост по сравнению с подачей (рис. 8.13). Действие растворимых масел и активных смазок заключается в уменьшении нароста до величины, соизмеримой с величиной подачи (рис. 8.13,б). Эксперименты показали, что аналогичный результат может быть получен за счет применения дистиллированной воды или струи и газообразного кислорода. Это дает возможность предположить, что устойчивость большого нароста, состоящего из многих слоев материала заготовки, по крайней мере частично зависит от защитных карманов, заполненных азотом. Когда вместо воздуха присутствует кислород, водяные пары или химически активный газ, соединяющиеся со свежеобразованной поверхностью металла, сцепление между слоями нароста уменьшается и стабильный нарост гораздо меньше. В опытах по обработке стали с низкой скоростью резания и подачей твердосплавными инструментами активные смазки, уменьшающие размер нароста, также приводили к увеличению скорости износа и изменению вида износа. Скорость износа задней поверхности значительно увеличивалась, и вблизи режущей кромки образовывалась лунка износа (рис. 8.13,б). На рис. 8.14 показан износ передней поверхности четырех резцов после обработки всухую (рис. 8.14, а), с применением минерального масла (рис. 8.14,б), с применением дистиллированной воды (рис. 8.14,в), с подачей струи кислорода (рис. 8.14,г).

Ускоренный износ в случаях (см. рис. 8.14,б и г) появляется в результате взаимодействия инструмента и материала заготовки с химически активным газом или жидкостью, тогда как минеральное масло не уменьшило нарост, не ускорило износ инструмента. Значительное увеличение скорости износа отмечается также при применении растворимых масел при обработке чугуна твердосплавными инструментами со средними и низкими скоростями резания и при наличии нароста. Активные смазки могут поэтому уменьшить шероховатость поверхности за счет изменения характера пластического течения обрабатываемого материала вблизи режущей кромки, хотя это может быть достигнуто ценой уменьшения стойкости инструмента.

Знание действия охлаждающих и смазочных жидкостей при обработке металлов резанием все еще находится на весьма низком уровне. Условия очень сложны, и практически целесообразно продолжать полагаться на практические испытания при разработке и выборе СОЖ. Однако даже простые представления, выдвинутые в данной книге, могут оказать помощь в разрешении проблем, включающих большой комплекс разнообразных требований и процессов.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: