Охлаждение и смазка при резании металлов

С применением жидкостей и других веществ, обладающих смазочно-охлаждающими свойствами, облегчается процесс резания, вследствие чего уменьшается износ режущего инструмента, снижаются силы резания и повышается качество обработанной поверхности. Эти жидкости и вещества не должны вызывать раздражение слизистых оболочек и кожного покрова у рабочих, а также коррозию станка, инструмента и обрабатываемой детали.

Молекулы жидкости адсорбируются на поверхности твердого тела, образуя на ней пленку. Адсорбированный слой создается тем интенсивнее, чем сильнее молекулы жидкости сцепляются с металлом. При резании металлов возникают высокие давления и температуры. Поэтому смазочная пленка применяемой жидкости должна обладать способностью выдерживать значительные критические давления и высокую температуру плавления. Эти свойства жидкости определяются наличием в ней поверхностно-активных веществ, к которым относятся: животные жиры, растительные масла, жирные кислоты, ализариновое масло, сера, хлор и др. В результате взаимодействия поверхностно-активных веществ с металлом образуются прочные пленки.

При наличии смазочных пленок значительно снижается трение при резании. Однако его уменьшение зависит от условий работы инструмента. При точении контактные площадки резца плотно прикрыты непрерывно сходящей стружкой и давление на передней поверхности может достигать больших значений – порядка 1900–2500 МПа. В этом случае попадание жидкости возможно при наличии вакуума в месте контакта с резцом. Вакуум может возникнуть при наростообразовании. В момент отрыва нароста пластически деформированный металл не успевает мгновенно заполнить образовавшуюся пустоту и в нее с боковых сторон поверхности контакта затягивается жидкость.

Образование вакуума также может быть при «налипах» на резце вследствие слипания стружки с передней поверхностью. Когда «налип» уносится стружкой, на его месте образуется вакуум, куда засасывается жидкость. При небольших скоростях резания возможен несплошной контакт между стружкой и инструментом, что позволяет жидкости заполнить образовавшиеся пустоты на контактной поверхности. Смазывающее действие жидкости может оказать и отрицательное влияние на износостойкость инструмента.

Например, в случае, когда компоненты жидкости вступают в активное химическое взаимодействие с материалом режущей части инструмента. Жидкость, проникая в микротрещины, расклинивая материал, уменьшает силы сцепления между атомами, в результате чего происходит разрыхление срезаемого слоя и облегчается его пластическое деформирование. Это действие жидкости заметно проявляется в случае снятия тонких стружек при небольших скоростях резания.

Смывающее действие жидкости состоит в том, что ее молекулы обволакивая частицы стружки, препятствуют слипанию, облегчая удаление стружки из зоны резания. Смывающая способность жидкости играет значительную роль при обработке хрупких металлов, а также при шлифовании и при хонинговании, когда образуется мелкая стружка и абразивная пыль.

Для охлаждения при резании применяются также газы, например, углекислый (СО2), и твердые смазки – графит, тальк, дисульфид молибдена (MaS2), парафин. Следует иметь в виду, что при использовании углекислого газа необходимо выполнять соответствующие правила техники безопасности, например, осуществлять вентиляцию или принимать другие меры.

Выбор СОЖ зависит от условий обработки. При черновой обработке стали применяются жидкости, обладающие хорошими охлаждающими свойствами, при чистовой – жидкости, обладающие высокими смазывающими свойствами, так как в этом случае обеспечивается более высокий класс чистоты обработанной поверхности. При скоростном резании необходимо обильное охлаждение, так как при неравномерном попадании жидкости на пластинку твердого сплава может произойти ее растрескивание.

При скоростном торцевом фрезеровании в связи с прерывистой работой фрезы охлаждение не применяется. Применение охлаждения и смазки наиболее эффективно при обработке пластичных металлов, которые в процессе резания упрочняются. В этом случае возникают высокие температуры. Кроме того, вследствие наклепа, когда имеет место разрушение кристаллической решетки, в большей мере проявляется расклинивающее действие жидкости. При обработке хрупких металлов, когда образуется стружка надлома, применение охлаждения и смазки будет менее эффективным, так как температура и трение на рабочих поверхностях инструмента сравнительно невелики.

С повышением скорости резания эффективность применения охлаждения и смазки снижается. Эффективность применения СОЖ во многом зависит от способа ее подвода в зону резания. Основными способами являются: охлаждение падающей струей; напорно-струйное охлаждение; охлаждение распыленной жидкостью.