СОЖ при глубоком сверлении

Основные функции СОЖ при глубоком сверлении

Четыре главные задачи смазочно-охлаждающей жидкости

На операциях глубокого сверления СОЖ должна выполнять ряд функций. И здесь нет второстепенных задач — каждая критически важна.

Главная функция — отводить стружку из зоны резания и транспортировать ее по отводным каналам. Представьте: стружка должна выйти из глубокого отверстия, иначе инструмент заклинит или сломается.

Но это еще не все. СОЖ также должна:

• ✓ уменьшать силы резания и трения между направляющими элементами и поверхностью отверстия
• ✓ отводить тепло от зоны обработки
• ✓ смазывать контактные поверхности

Для этого СОЖ должна иметь соответствующие свойства, а оборудование — обеспечить подачу СОЖ в зону резания в необходимом количестве при соответствующем давлении и с требуемыми расходами.

Расход и давление: расчет мощности прокачивания

Физика процесса отвода стружки

Отвод стружки надежно обеспечивается в том случае, когда поток СОЖ в зоне резания имеет скорость, при которой его кинетическая энергия достаточна для сообщения стружке движения вдоль отводных каналов.

Минимально необходимая скорость СОЖ и выбранная площадь поперечных сечений отводных каналов для стружки и СОЖ определяют минимально необходимый расход СОЖ.

В свою очередь, по расходу СОЖ и ее вязкости можно определить (при выбранной площади и форме каналов и их протяженности) давление СОЖ и мощность, затрачиваемую на ее прокачивание по каналам подвода-отвода.

Это значит, что для указанных диапазонов p и Q затраты мощности на прокачивание СОЖ могут составлять 6-10 кВт и в ряде случаев превышать затраты мощности на резание!

Поэтому снижение затрат мощности на подвод СОЖ и отвод стружки очень важно. Это факт.

Вязкость СОЖ: оптимальные параметры и ограничения

Баланс между экономией и качеством

Одним из путей снижения затрат мощности является применение маловязких СОЖ, что положительно сказывается также на ее очистке (фильтрации) и снижении потерь в виде отходов вместе со стружкой.

Однако выбирать вязкость СОЖ, исходя только из снижения затрат мощности и сокращения потерь со стружкой, не следует.

Почему? Потому что вязкость влияет на процесс обработки, в частности, оказывает благотворное влияние на условия работы направляющих элементов.

Исследованиями установлено, что уменьшение вязкости ниже (8…10)·10⁻⁶ м²/с при определенных давлениях может привести к выдавливанию СОЖ или разрыву пленки смазки под направляющими элементами инструмента.

А это, в свою очередь, приводит к:

• ✖️ увеличению сил трения на направляющих
• ✖️ возникновению или усилению вибрации инструмента
• ✖️ его изнашиванию и поломке

При применении СОЖ с вязкостью меньше (8…10)·10⁻⁶ м²/с возрастают утечки через зазоры в насосе, в маслоприемнике, что при высоких давлениях приводит к резкому снижению расхода.

С учетом сказанного рекомендуется на этих операциях при обработке отверстия диаметром до 300 мм применять СОЖ с вязкостью от 30·10⁻⁶ м²/с до 10·10⁻⁶ м²/с при колебании температуры от 15 до 50°С.

Моющие свойства и отвод стружки

Как СОЖ предотвращает налипание

Успешному отводу стружки и продуктов изнашивания инструмента способствуют хорошие моющие свойства СОЖ.

Что это такое? Это способность жидкости:

• → смачивать частицы стружки и частицы износа
• → препятствовать слипанию частиц
• → предотвращать приваривание их к поверхности инструмента и обрабатываемой заготовки

Проще говоря, СОЖ должна «отталкивать» стружку от инструмента, не давая ей прилипать. Иначе начнутся проблемы.

Смазывающие свойства и химические присадки

Три элемента для снижения трения

Уменьшение сил резания и трения достигается за счет:

1. Использования смазывающих свойств СОЖ
2. Давления СОЖ
3. Наличия в СОЖ соответствующих присадок и поверхностно-активных веществ

Наиболее часто в качестве присадок используют серу, хлор, фосфор.

Химические пленки: защита при экстремальных условиях

При обработке глубоких отверстий СОЖ подается в зону резания под давлением, проникает в микротрещины и микрощели в зоне стружкообразования, вступает во взаимодействие с материалом заготовки и инструмента, образуя на их поверхностях пленки, которые экранируют трущиеся поверхности.

Особенно благоприятно действуют химические пленки, выдерживающие большие нормальные давления и высокую температуру:

Вместе с этим пленки имеют малое сопротивление сдвигу, что способствует снижению коэффициента трения.

Каждая из присадок в СОЖ способствует возникновению своей пленки, которая образуется и сохраняется при определенных условиях, причем каждая из присадок в присутствии другой действует активнее.

Виды трения в зоне обработки

Ввиду того, что на разных участках контактирующих поверхностей передней и задней граней инструмента и направляющих элементов складываются различные условия, то на отдельных участках могут возникать различные виды трения:

1. Трение с повреждением при схватывании трущихся поверхностей
2. Трущиеся поверхности разделены пленкой с экранизирующим и антифрикционным действием
3. Трение в условиях контактно-гидродинамической смазки

При двух последних видах существенно снижается коэффициент трения и соответствующие энергетические затраты.

Достигается это за счет применения СОЖ с хорошими смазывающими свойствами и необходимой вязкостью.

Температурный режим: зона оптимальных значений

Как температура влияет на эффективность

Эффективность действия СОЖ по уменьшению сил резания и трения удобно оценивать суммарной осевой силой P₀ (сумма осевых составляющих сил резания и трения на направляющих) и суммарным крутящим моментом Mₖ (момент от сил резания и трения на направляющих).

Проведенное по этим критериям сравнение ряда отечественных СОЖ при сохранении неизменными всех остальных параметров процесса показало, что энергетические затраты на резание и трение изменяются с изменением температуры циркулирующей СОЖ.

Причем для каждой СОЖ имеется своя зона оптимальных температур с минимальными значениями P₀ и Mₖ, при которых имеют место минимальные вибрации и энергетические затраты.

Это можно объяснить тем, что температура циркулирующих СОЖ, замеряемая при выходе из отводного канала перед входом в бак, отражает совокупность сложных явлений, протекающих в зоне резания и в значительной степени зависящих от температуры, которая устанавливается на определенном уровне за счет отвода тепла с помощью СОЖ.

Очевидно, зона оптимальных температур циркулирующей СОЖ отвечает:

• ★ оптимальным условиям существования химических пленок
• ★ оптимальной вязкости
• ★ возможности сохранения контактно-гидродинамической смазки

В целях снижения энергетических затрат можно рекомендовать поддерживать температуру циркулирующей СОЖ от 30 до 50°С.

Отвод тепла и теплообменники

Конвективный теплообмен

Отвод тепла при глубоком сверлении с помощью СОЖ решается попутно, наряду с главным назначением СОЖ — отводом стружки.

Некоторые трудности связаны с циркуляцией большого количества СОЖ в единицу времени, что приводит к ее нагреву.

И отвод тепла производится преимущественно путем конвективного теплообмена между нагретыми поверхностями заготовки и инструмента и потоком СОЖ.

Интенсивность отвода тепла в значительной степени зависит от:

1. Теплопроводности СОЖ
2. Ее расхода и скорости перемещения
3. Разности температур охлаждаемых поверхностей и потока СОЖ

Для поддержания оптимальной температуры СОЖ станки для глубокого сверления и растачивания следует снабжать теплообменниками.

А перед началом выполнения операции следует прогреть СОЖ циркуляцией в системе до 25…35°С (особенно это необходимо делать в холодное время года).

Критические температуры

Сверление отверстий диаметром до 30 мм с отношением l/d ≥ 100 при температуре СОЖ ниже 20°С практически невозможно из-за неустойчивости процесса резания и поломок инструмента.

При повышении температуры выше 50…60°С возникают:

• ✖️ интенсивные вибрации инструмента
• ✖️ испарение СОЖ
• ✖️ ухудшение санитарно-гигиенических условий
• ✖️ возможное возгорание паров СОЖ

Кроме этого, усиливается окисление СОЖ, вследствие чего она теряет свои свойства.

Масляные СОЖ против эмульсий: что выбрать

Два типа жидкостей: плюсы и минусы

При глубоком сверлении в основном применяют масляные СОЖ и реже — водные эмульсии минеральных масел.

Эмульсии имеют лучшие охлаждающие свойства в сравнении с масляными СОЖ, однако:

• ✖️ не допускают попадания масла из системы смазки станка
• ✖️ менее стойки при хранении
• ✖️ легко поражаются микроорганизмами
• ✖️ теряют свои эксплуатационные свойства

Поэтому необходимо следить за сохранением их свойств, стабильности состава и т.п.

Масляные СОЖ широко применяются при обработке глубоких отверстий. И это не случайно — они стабильнее и надежнее.

Сульфофрезол: токсичность и ограничения

Исторический стандарт с серьезными недостатками

До определенного времени при обработке использовался сульфофрезол (ГОСТ 122-54*) — осерненное минеральное масло коричневого цвета, состоящее из веретенного масла с добавлением нигрола (до 20%) и серы в свободном состоянии и в виде химического соединения (не менее 1,7%).

Для снижения вязкости часто добавляют керосин (до 10%) или дизельное топливо, что практически не снижает температуры вспышки.

Недостатком сульфофрезола является токсичность. Применение сульфофрезола ограничивается органами здравоохранения.

До сравнительно недавнего времени основным заменителем сульфофрезола при глубоком сверлении и растачивании легированных конструкционных и коррозионно-стойких сталей была определена СОЖ марки МР-3.

Отечественные СОЖ: МР-3, МР-7, МР-3К, МР-4К

Российские производители и их продукция

Отдельные фирмы и организации представляют для глубокого сверления как указанную выше марку СОЖ, так и иные марки. Естественно, изготовители дают как свою характеристику продукции, так и рекомендации.

ООО «Ивхимпром»

Старейшее российское предприятие химической отрасли промышленности. Для глубокого сверления рекомендуется СОТС ГСВ-1 (ТУ 0258199057446852003).

Предназначено для использования при резании конструкционных легированных и коррозионно-стойких сталей на операциях глубокого сверления, протягивания, резьбонарезания.

Состав: масляная композиция на основе минеральных масел и присадок, улучшающих противозадирные и смазочные свойства, не имеет в составе хлорсодержащих компонентов.

Внешний вид: однородная маслянистая жидкость от светло-коричневого до коричневого цвета.

ОАО «Пермский завод смазок и СОЖ»

Предлагает большую номенклатуру масляных СОЖ для механической обработки металлов. Для глубокого сверления рекомендуется СОЖ МР-7 (ТУ 0258114001488432008).

Представляет собой стабилизированную смесь минерального масла с противозадирными, антиокислительными и антикоррозионными присадками.

Применяется при обработке резанием конструкционных углеродистых среднелегированных сталей на операциях точения, фрезерования, сверления, глубокого сверления, растачивания, развертывания, резьбонарезания, в том числе для работы на станках-автоматах.

Преимущества продукта: высокие противозадирные свойства, не содержит хлор.

Производственная фирма «Олеокам»

Существует на российском рынке с 1991 года. Продукция — смазочно-охлаждающие жидкости и технологические присадки.

СОЖ МР-3К (ТУ 0258027278336852004) — использовать на операциях глубокого сверления, резьбо- и зубошлифования легированных сталей.

СОЖ МР-3К представляет собой высокоочищенное минеральное масло, активированное антифрикционными и противозадирными присадками.

СОЖ МР-4К (ТУ 0258031278336852005) предназначена для применения на операциях глубокого сверления и скоростного точения коррозионно-стойких, жаропрочных сталей и сплавов, а также алюминиевых и титановых сплавов.

Представляет собой высокоочищенное минеральное масло, активированное антифрикционными и противозадирными присадками.

Производственная фирма «Ариан» (Украина)

Рекомендует для глубокого сверления:

Ариан СОЖ МР-3 — резание легированных, нержавеющих сталей, сплавов (глубокое сверление, растачивание, резьбо- и зубошлифование).

Ариан СОЖ МР-6 — резание титановых, тугоплавких сплавов, высоколегированных, нержавеющих, жаропрочных сталей (глубокое сверление, растачивание, резьбо- и зубошлифование, протягивание)| не рекомендуется для обработки меди и сплавов.

Ариан СОЖ МР-7 — резание легированных, нержавеющих сталей, сплавов (глубокое сверление, растачивание, резьбо- и зубошлифование, фрезерование).

Особенности: можно обрабатывать жаропрочные и высоколегированные стали.

ЗАО «Завод имени Шаумяна» (Санкт-Петербург)

Производит присадку ЛЗ-23М, которая представляет собой композицию антифрикционных, противоизносных, противозадирных, противопенных присадок в масле, обладает высокими трибологическими характеристиками.

ЛЗ-23М предназначена для приготовления масляных смазочно-охлаждающих жидкостей путем введения 20% присадки в масла минеральные различной вязкости.

ЛЗ-23М применяется для СОЖ на операциях глубокого сверления, зенкерования, развертывания сталей.

Импортные масла: TOTAL, OL Acticut

Зарубежные альтернативы

ООО «Ойл Трейд» — официальный дистрибьютор концерна TOTAL (Франция)

Предлагаются масла для наиболее сложной механической обработки металлов, среди которых для глубокого сверления предлагается средство VALONA MS 7009.

Используется при механической обработке твердых, нержавеющих, жаропрочных сталей и титановых сплавов в процессах глубокого сверления, скоростной обработки резанием, фрезерования, токарных работ, нарезки резьбы.

Завод «Азмол»

Представляет масляные СОЖ и технологические смазки, среди которых для глубокого сверления рекомендуются:

СОЖ МР-3 — применяется при обработке резанием конструкционных легированных и нержавеющих сталей на операциях сверления, глубокого сверления отверстий диаметром до 30 мм, растачивания, резьбо- и зубошлифования.

Подача в зону резания производится поливом или под давлением.

СОЖ МР-7В применяется при обработке резанием углеродистых, легированных, нержавеющих и жаропрочных сталей на операциях точения, сверления, глубокого сверления отверстий диаметром свыше 30 мм, фрезерования, резьбонарезания и автоматной обработки.

Ограниченно применяется при обработке меди и ее сплавов.

Подача в зону резания производится поливом или под давлением.

Дальневосточная Нефтяная Компания

Представляет ряд СОЖ, среди которых рекомендуется для глубокого сверления OL Acticut ME 15 — высокоэффективная СОЖ, специально разработанная для применения в процессах глубокого сверления и обработки резанием стальных сплавов, при которых возникают большие силы резания (прошивка, нарезание зубьев, нарезание резьбы и др.).

Благодаря своим реологическим характеристикам обладает хорошими моющими и охлаждающими свойствами.

Способствует увеличению ресурса инструмента и обеспечивает исключительное качество обрабатываемой поверхности.

Не рекомендуется применять при обработке резанием цветных металлов.

Технические характеристики СОЖ МР-3К

Детальные параметры для выбора

Для примера, в таблице даны основные физико-химические свойства СОЖ марки МР-3К (ТУ 0258027278336852004, поставка фирмы «Олеокам»).

Эти характеристики следует иметь в виду при назначении СОЖ, поскольку существуют определенные особенности в применении СОЖ различных марок при глубоком сверлении.

Это касается, прежде всего, характера изменения некоторых исходных характеристик СОЖ в процессе сверления, в частности из-за их нагрева и изменения вязкости.

Гарантийный срок хранения: 1 год со дня изготовления.

Очистка и фильтрация СОЖ

Поддержание чистоты для качества

Кроме рассмотренных функциональных свойств, СОЖ не должна вызывать коррозию поверхностей деталей, иметь невысокую стоимость.

СОЖ должна способствовать повышению стойкости инструмента и быть безвредной для рабочих.

Особое внимание при этом должно уделяться очистке СОЖ от мелких частиц стружки и продуктов изнашивания инструмента.

Очистка необходима также для повышения качества обработанной поверхности.

Для очистки СОЖ используют:

• ✓ магнитные сепараторы
• ✓ различные фильтры
• ✓ периодическую очистку баков от отстоя, образующегося при неработающем станке

Имеющиеся данные испытаний СОЖ позволят оценить характер возможных изменений параметров некоторых марок СОЖ и их влияние на процесс сверления.

Правильный выбор СОЖ — это не просто формальность. Это инвестиция в качество, производительность и долговечность вашего инструмента.

П.П. Серебреницкий