Свойства смазочно охлаждающих жидкостей

Инструмент врезается в заготовку, а стружка образует след на режущей кромке. Стружка образуется в зоне сдвига, положение которой определяется плоскостью сдвига и его углом. Трение в точке контакта между стружкой и резцом имеет первостепенное значение для смазки и охлаждения. Заточенная кромка резца противостоит силе вытеснения и трения в точке контакта. Результатом трения является износ режущего инструмента.

схема снятия стружки

Частицы металла под воздействием высокого давления и температур привариваются к режущей кромке, образуя наклеп. Резец особенно подвержен разрушению вследствие явления адгезии. Некоторые компоненты стали (например феррит) могут способствовать образованию наклепа.

износ режущего инструмента

Смазка Последние исследования в трибологии сож показали, что одно только охлаждение значительно повышает стойкость инструмента и снижает износ. При этом в большинстве случаев рассматривались малые скорости резания. Возможность поместить хладагент сож непосредственно в зону резания позволяет по-новому оценить важность смазки для металлообработки. Комплекс новых противоизносных присадок позволяет получить лучшие результаты при операциях шлифования. Так специальное масло позволяет проводить качественную обработку с высокой скоростью, что значительно повышает эффективность работы. При этом масло обладает худшими по сравнению с водосмешиваемыми эмульсиями охлаждающими качествами.
При обработке металла постоянно образуется чистая реакционная поверхность. Она особенно склонна к явлению адгезии по- скольку стремиться занять свободную валентность на поверхности материала. Свободная валентность «насыщается» за счет материала резца, а так же использует доступные вещества из окружающего пространства. Например: опыты показали, что износ инструмента работающего в вакууме значительно снижается по сравнению с обычной газонасыщенной средой.
Так же важным моментом в процессе резки является процесс проникновения смазочно- охлаждающего агента в контактную поверхность. Исследования показали, что часть хладагента попадает в точку контакта при помощи микро капилляров в структуре металла. Средние размеры капилляров составляют 10-3 10-6 мм. Эти значения указывают на особые требования к охлаждающим составам. Положительный трибологический эффект часто приписывается не хладагентам в целом, а отдельным их компонентам.
Лабораторные испытания показали, что смазывание улучшается вследствие факторов:
• Высокой реакционной способности активных компонентов по отношению к поверхностям.
• Низких усилий сдвига реакционного слоя (относительно усилий на базовом металле)
• Хороших диффузных свойствах присутствующих компонентов (низкого молекулярного веса)
Стоит заметить, что вновь образующаяся поверхность покрывается реакционными компонентами не полностью. Об этом свидетельствуют градиенты на рабочей плоскости, указывающие направление обработки.
Испытания показали, что при 30% насыщении контактной поверхности, силы трения снижаются на 50-75%.

Охлаждение В отношении сож, смазывающий эффект и охлаждение неотделимы. При отсутствии смазки охлаждение будет малоэффективным, а смазка без охлаждения быстро потеряет свои свойства из-за перегрева. Значение эффективного охлаждения постоянно растет, особенно при увеличении скоростей обработки и внедрения новых сплавов. Известно, что охлаждающий эффект напрямую зависит от термических свойств жидкости. (Теплоемкости, теплоотдачи и коэффициента теплоотдачи). При этом условия протекания самого процесса так же оказывают влияние. На коэффициент теплоотдачи может существенно повлиять ПАВ.
Не секрет, что коэффициент теплопередачи воды в разы выше масляных смесей. (Теплопроводность минерального масла- 0,1 \ Воды- 0,6) (Теплоемкость- Масло- 1,9\ Вода 4,2) Высокая испаряемость воды так же способствует лучшему охлаждению.

различия сож и масла

С учетом распределения термической нагрузки в точке реза, становится очевидной важность использования сож. В частности, аспект подачи сож приобретает особое значение. Именно благодаря проникновению смазочного хладагента в контактную плоскость, происходит качественное охлаждение и смазка.

температура режущего инструмента

Значение СОЖ применительно к различным материалам режущего инструмента.

соотношение материалов используемых в режущих инструментах

Повышение производительности систем металлообработки и снижение себестоимости производства ведут к большей диверсификации нежели к унификации. при этом развитие технологий изготовления композитных покрытий и новых модификаций инструментария приобретает все большее значение.
Высокоскоростные стали.
Это эквиваленты высокосплавных нержавеющих сплавов на основе хрома, никеля и ванадия. Основное преимущество таких сплавов в достаточно высокой прочности и способности образовывать острые режущие края. Свойства сплавов можно улучшить с помощью PVD напылений.
( PVD покрытие- защитное напыление или гальванизация. Способ повышения износостойкости металла. На металл наносится нитрид титана, а сверху вакуумное напыление другого металла. В роли финишного покрытия могут выступать: титан, алюминий, молибден, медь, никель, графит, вольфрам, железо, хром. )
В последнее время доля таких сплавов снижается по причине низкой твердости при высоких температурах. В частности из-за повышения скоростей обработки. Для подобных сплавов особо рекомендуется мокрая обработка.
Цементированные карбиды металлов
В порошковой металлургии такие сплавы получают с помощью металлического связующего компонента. Металл придает тягучесть, а карбид твердость. Область применении таких карбидов значительно шире чем у высокоскоростных сталей. Самые качественные композиции получают на основе карбида вольфрама(WC) и карбида титана(TiC). Например, карбид титана с никелем, в качестве связующего компонента, получил широкое признание на территории Японии.
Использование СОЖ совместно с карбидами требует осторожности. Эти сплавы чувствительны к термическому шоку. Следует обращать особое внимание на качество охлаждения в зоне реза. Применение масел в данном случае более рационально- масло имеет меньший охлаждающий эффект и исключает острых скачков температур.
Карбиды металлов с покрытиями
Карбиды металлов модифицируются специальными износостойкими покрытиями. Например, карбид титана получил наибольшее распространение.
Керамические материалы
Керамика- точнее оксид алюминия (AL2 O3) спекают вместе с металлами и карбидами при очень высокой температуре. В результате получается материал с высокой стойкостью к износу и температурам. При этом у керамики остается чувствительность к скачкам температур. Поэтому в большинстве случаев рекомендуется избегать термического шока. Использование водосмешиваемых сож помогает сохранить равномерность охлаждения. Смешанная керамика особо актуальна при высокоскоростной обработке и для резки чугуна.
Кубический нитрид бора.(CBN)
Нитрид бора занимает второе место по твердости после алмазов. (Твёрдость по Моосу чуть меньше 10). CBN применяется как высокопрочный абразивный материал. Он обладает очень высокой точкой размягчения и широко применяется для обработки твердых сплавов. Продукция с покрытием из нитрида бора востребована для черновой и финишной обработки деталей. В некоторых случаях рекомендуется сухая обработка или использование минимального количества сож.
Поликристаллический алмаз (PCD)
Показал отличные результаты прочности в структуре металлической матрицы. Материал широко применяется при обработке сплавов алюминия. Скорость обработки может достигать 1000 м\мин. При этом сохраняется высокой качество обработки. В последнее время широкое распространение получили синтетические алмазы.
Покрытия для быстрорезов
Применение различных упрочняющих покрытий начали применять с 70х годов. Последующая разработка новых компонентов для покрытий показала высокую эффективность и позволила снизить износ инструмента. Вначале применялись однослойные покрытия толщиной в 3-5 мкм. В настоящее время технологии производства позволяют получать высокопрочные соединения с многослойными покрытиями толщиной в 15 мкм. Так же новые технологии в выращивании покрытия позволяют получать более острые кромки резца и высокую стойкость. Высокоскоростные стали с покрытиями сохраняют объемы производства и показывают хорошую износостойкость резца. Применение специальных усиленных резцов позволяет снизить объемы потребления СОЖ. .

Распределение сож по группам в соответствии с материалами, скоростью подачи и реза предпринимались неоднократно. Однако практическое применение таких таблиц крайне мало. Дело в том, что для четкой классификации продукта необходимо учитывать множество аспектов, часть из которых либо имеют «плавающую» природу, либо пересекается с другими категориями. Даже простейшее разделение сож на водосмешиваемые и масляные не дает четкой принадлежности к определенному методу обработки или легкости резки.
Использование водных или масляных сож возможно для любых операций обработки. Однако в некоторых случаях, например в операциях сверления или хонингования, масляные сож являются предпочтительными и показывают лучшие результаты обработки.
Выбор сож для конкретной операции во многом обусловлен экономической выгодой. Для обустройства системы требуется циркуляционная сеть с большим резервуаром, а так же контроль за состоянием и качеством рабочей сож. Создание нескольких таких систем сопряжено с техническими трудностями и большими затратами. Поэтому в данном случае неизбежна рационализация. В настоящее время большое количество предприятий использует универсальные составы.(часто эмульсии с 3-5%) для большинства операций.
Подобные универсальные сож имеют огромное преимущество как с точки зрения экономики производства, так и упрощения системы содержания и подачи сож. Иногда (в частности на территории США) различные группы сож характеризуются индексом обрабатываемости. Т.е. зависят от свойств обрабатываемого материала. Эта характеристика основана на «эталонном» материале или в соотношении со стойкостью инструмента. Подобная классификация в большинстве случаев не применима, по скольку разность в свойствах металлов и сплавов неизбежна, а стойкость инструмента зависит от множества второстепенных факторов.
Оптимальный подбор СОЖ под конкретные условия возможен только с учетом множества параметров как самой сож, так обрабатываемого материала и условий работы.
Использование классификации по Индексу обрабатываемости возможно для примерного определения области и оценки возможного ассортимента сож. В среднем выделяются 6 групп обрабатываемости.
Индексы обрабатываемости материалов

Лабораторные исследования сож не всегда способны описать всех аспектов работы состава. Это связано с ограничением по времени и затратам на исследования. Так же невозможно смоделировать всех особенностей сплавов. Частично дополнительная полезная информация образуется при наложении данных из двух или более испытаний. Стоит отметить, что даже многократное проведение лабораторных тестов способно дать лишь частичную картину по рабочим свойствам состава.
Проведение «живых» испытаний на конкретном оборудовании и с применением рабочего материала неизбежный этап оценки сож.
Срок службы инструмента как параметр оценки