Повышение эффективности металлообработки с помощью комплекса конструкций «Инструмент-Станок» для подачи СОЖ.

Общеизвестно, что при прорезании канавок и отрезании нагрев настолько интенсивен, что СОЖ практически испаряется еще до того момента, когда она может достигнуть режущей кромки. Даже повысив давление СОЖ при поливе сверху или приблизив наконечник распылителя к передней поверхности пластины, не удается принципиально улучшить отвод теплоты из зоны резания.

Подвод СОЖ под высоким давлением при направлении потока сверху непосредственно на переднюю поверхность инструмента способствует улучшению отвода теплоты и удаления стружки, но непосредственно в зону резания СОЖ все-таки не проникает (рис.1а).

Указанная проблема решена путем разработки комплекса конструкций режущая пластина-державка-оснастка-станок, в которой СОЖ подается через канал в самой режущей пластине; при этом СОЖ попадает непосредственно на переднюю поверхность инструмента вблизи режущей кромки и направляется к нижней поверхности стружки (рис.1,б), что способствует значительному улучшению теплоотвода, уменьшению интенсивности изнашивания рабочих поверхностей пластины и благоприятно влияет на форму стружки. Такая система (типа JET-CUT или «Канал-Стружка» далее («КС») [1] разработана фирмой ISCAR (Израиль) и c частичным опробированием ООО ИНАТЕК+ и ВНИИинструмент, применительно к сменным режущим твердосплавныим отрезным и канавочным пластинам (СТП) [2], [3].

Для реализации способа «КС» служит специальная гидравлическая система, обеспечивающая подвод СОЖ в зону резания под давлением до 2,5 мм МПа посредством трубопроводов через суппорт, державки (блоки) и режущую пластину. В гидравлическую систему входят насос высокого давления (подача которого регулируется электронным устройством, соединенным с револьверной головкой станка с ЧПУ), дополнительный лопастный насос, фильтры и распределительная аппаратура.

Были проведены исследования по установлению влияния различных факторов процесса резания при подводе СОЖ через канал в пластине на температуру в зоне резания, износ режущей пластины, а также на условия формирования и отвода стружки.

Исследование распределения температуры в зоне резания показало, что при поливе сверху температура на режущей кромке достигает 700? С (рис.2, а). Применение системы «КС» с каналом, имеющим в сечении форму восьмиугольника, и использование СОЖ с низким [ ?=103 Bт/(м.град)] коэффициентом теплопроводности позволило несколько сократить зону высоких температур (рис.2,б). Еще больший эффект получен при использовании воды [? =104 Вт/(м град)] в качестве СОЖ (рис.,2 г), зона при этих же условиях и удалении подводящего канала от режущей кромки (рис.2,в) область высоких температур снова расширилась. Более благоприятное распределение температуры отмечено при увеличении площади сечения канала (рис.2,е) и особенно – при использовании СОЖ с высокой ( ?=105 Вт./м.град) теплопроводностью (рис.2,d).

При работе системы «КС» поток СОЖ ударяется по нижней поверхности стружки очень близко к режущей кромке, помогая в образовании стружки, ее сходе с передней поверхности пластины и удалении из прорезаемой канавки. Конфигурация и расположение канала в пластине таковы, что его выходное отверстие не забивается сходящей стружкой и пространство между ней и передней поверхностью пластине заполняется жидкостью или газом, что улучшает отвод теплоты от пластины (см.рис.1,б, в).

При изучении влияния способа охлаждения на процесс стружкообразования измеряли толщину Тс, ширину Wc и высоту Hc стружки, а также радиус rb основания ее поперечного сечения и радиус Rе ее зависимости в момент схода с передней поверхности пластины (см.рис.1, б и в).

Установлено, что с увеличением подачи толщина стружки Tc возрастет, а высота Hc и ширина Wc изменяются незначительно при всех исследованных способах, а также при работе без охлаждения (рис.3,а-в).

При поливе сверху и применении системы «КС» с увеличением подачи ширина стружки Wc несколько уменьшается; в отсутствие охлаждения толщина и ширина стружки больше, а высота Hc меньше, чем при поливе СОЖ и подводе с помощью системы «КС».

Влияние скорости резания на поперечное сечение стружки при различных способах охлаждения невелико (рис.3,г-е). Соотношение между различными размерами стружки при различных способах охлаждения согласуется с традиционными результатами, т.е. более низкие скорости резания и большие подачи способствуют лучшему формированию стружки, что особенно важно для прорезных резцов. Цвет стружки и ее структура, определяемая путем металлографического исследования, указывают на снижение температуры с уменьшением скорости резания.

Изучение влияния способа подачи СОЖ на форму стружки в зависимости от величины лунки износа на передней поверхности резца и от продолжительности точения показало, что при использовании системы «КС» форма поперечного сечения стружки непосредственно связана с глубиной лунки износа, характеризуемой коэффициентом Кt (для острозаточенного инструмента Кt=0, для предельно изношенного Кt=1). Так минимальные ширина и толщина и максимальная высота стружки отмечаются в самом начале процесса резания (t < 2мин), когда Кt= 0 ? 0,02. По мере увеличения времени t лунка износа углубляется (Кt ? 1) и наблюдаются некоторые изменения поперечного сечения стружки: возрастает ее толщина и уменьшаются высота и ширина. Указанные изменения формы стружки в свою очередь влияют на характер ее схода и на стойкость резца, тогда как влияние самого способа подачи СОЖ (в том числе и величины давления для способа «КС» незначительно.

С увеличением продолжительности обработки (т.е. по мере изнашивания инструмента) высота стружки Hc уменьшается (рис.4a). При этом следует отметить почти одинаковый характер изменения высоты стружки при охлаждении поливом и без охлаждения, в отличие от изменения Нс, при охлаждении способом «КС».

При длительной работе без охлаждения ширина Wc стружки почти приближается к ширине самого инструмента (в данном случае 3 мм; рис.4,б).

При использовании способа «КС» с давлением р =2,5 МПа высота стружки практически не изменяется (см.рис.4,а), тогда как ее ширина уменьшается (см.рис.4,б).

Установлено, что радиус Re больше, а спираль стружки более «открыта» при подводе СОЖ способом «КС», чем при поливе. С увеличением лунки износа радиус Re увеличивается (возможно благодаря большому положительному значению переднего угла резца).

Исследования зависимости среднего числа спиралей стружки, образующихся на различных стадиях износа инструмента, от способа охлаждения показали, что применение СОЖ значительно улучшает процесс стружколомания по сравнению с обработкой без охлаждения. Это достигается главным образом в результате повышения жесткости поперечного сечения стружки при ее формировании. Охлаждение поливом сверху дало несколько лучшие результаты, чем способом КС при р=0,5 МПа и расходе СОЖ Q = 1 л/мин. Однако с увеличением расхода СОЖ до Q = 1,75 л/мин и давления р = 1,5 МПа процесс стружколомания усиливается. При значительном износе инструмента он интенсифицируется еще более, что указывает на удачную форму стружкообразующей канавки передней поверхности пластины ISCAR.

П Как и следовало ожидать, наибольшие значения коэффициента Kt и износа Vb по задним боковым поверхностям наблюдаются при обработке без охлаждения, причем предельный износ по обоим критериям достигается через 8 мин после начала обработки стали W.P.AISI 4140 (пластина из сплава марки Р-40; v=120 м/мин; s=0,16 мм/об).

При подаче СОЖ поливом сверху значительно снижается интенсивность изнашивания боковых поверхностей (уголков) и слегка замедляется образование лунки; предельный износ в этом случае достигается через 10 мин работы, т.е. стойкость резца на 20% повышается.

Подвод СОЖ способом «КС» высоким давлением (до 2,5 МПа) замедляет процесс образование лунки, однако интенсивность изнашивания уголков при этом такая же, как при поливе. Тем не менее, поскольку стойкость резца в большей степени зависит от величины лунки, чем от износа по уголкам, применение способа «КС» явно способствует повышению стойкости инструмента.

Для способа «КС» существенное значение имеет расход СОЖ. Так, с увеличением расхода Q= от 1 до Q = 2,3 л/мин стойкость резца возросла с 12 до 18 мин; дальнейшее увеличение расхода СОЖ (или давления) не оказывало заметного влияния на стойкость. При поливе СОЖ сверху стойкость инструмента от расхода СОЖ практически не зависела и составляла 10 мин.

Отметим, что при использовании способа «КС» лунка износа начинает образовываться в центре пластины близко к уголкам. Затем она увеличивается, захватывая фаску, и в угловых зонах приближается к режущим кромкам. Износ по задним боковым поверхностям значительно больше в уголках, чем в центре, и заметно возрастает при точении без охлаждения.

Эксперименты с резцами, оснащенными пластинами с износостойким покрытием TiC+TiCN+TiN, показали, что в этом случае определяющим фактором для стойкости резцов является износ Vb. С повышением давления СОЖ, подаваемой способом «КС», от p= 0,1 до p=2,5 МПа стойкость такого инструмента возросла в 4 раза. В то же время, для стойкости пластин без покрытия наиболее существенным был износ по передней поверхности.

Обработка коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов (типа Инконель 718)сопровождается интенсивным наростообразованием, что резко снижает стойкость и работоспособность инструмента. Так, при точении стали SAE-316 с поливом СОЖ сверху значение Vb=0,23 мм достигается уже после обработки 5-6 канавок (рис.5,а). В случае использования способа «КС» при р =1,0 МПа стойкость удваивается, а при р= 1,6 МПа возрастает до 4 раз.

При отрезании заготовок от прутка d=50 мм из коррозионно-стойкой стали полив СОЖ сверху позволил выполнить только 10 резов. При использовании способа «КС» без изменения режима резания (v=150 м/мин; s =0,125 мм/об) удалось увеличить стойкость инструмента в 2,5 раза. Близкие к этому результаты получены при точении сплава Инконель 718; стойкость резцов, охлаждаемых способом «КС», была в 4 раза больше, чем при охлаждении поливом (рис.5).

Я. А. Музыкант, президент ООО «ИНАТЕК+» канд. техн. наук, г.Москва


ЛИТЕРАТУРА

1. Вертхайм Р., Музыкант Я. А. Резцы для отрезания и нарезания канавок с самозажимом сменной твердосплавной пластины // Станки и инструмент – 1993. - № 5- С.30-33.

2. Музыкант Я.А. Металлорежущий инструмент. Номенклатурный каталог. Часть 1. Токарный инструмент. С.300-302. М., Машиностроение, 1995г. 411с.