Охлаждане на зоната на рязане

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2015

Oхлаждането на зоната на рязане е съпровождащ работата на инструмента процес, чиято основна цел е да отвежда концентрираната в него топлина. Успоредно с това се решават и други, не по-малко важни задачи: намаляване на силата на триене на стружката по предната повърхнина на инструмента и силата на триене на задната повърхнина на инструмента с обработената повърхнина на заготовката, облекчаване на стружкообразуването, почистване на инструмента от полепналата стружка, отвеждане на образувалата се стружка.

Охлаждането трябва да отговаря и на редица други изисквания, сред които са санитарната безопасност на използвания флуид, биологическата стабилност и предотвратяването на изпарението му, намаляването на корозионната активност на обработвания материал и др. Първоначалната инвестиция за системата за охлаждане, консумативите за поддържането й и разходите за обезвреждане на използвания флуид не трябва да са големи и не следва да заемат съществен дял от себестойността на произведената продукция.

При HSM се използват няколко метода за охлаждане - течно охлаждане с обилно подаване на МОТ, сухо охлаждане с подаване на въздух, квазисухо охлаждане с въздушно-маслена смес, квазитечно охлаждане с бързоизпаряваща се течност, криогенна обработка.

Течно охлаждане с обилно подаване на МОТ
Това все още е най-често използваният метод. МОТ се подава под налягане към върха на инструмента по няколко начина.

Външното подаване се реализира в няколко изпълнения. Външното подаване със статично настройване на дюзите е лесно за изпълнение. Състои се в предварително насочване на дюзите, разположени върху челото на вретенния възел, към позицията на предполагаемия връх на инструмента. Недостатъкът на този подход се състои в това, че при АСИ на инструменти с различна дължина статичната настройка не гарантира попадане на струята във върха на всички инструменти.

В следващия случай посоката на струите се настройва предварително в инструментодържача спрямо дължината на закрепения в него режещ инструмент. Струите могат да се насочат така, че да следват непосредствено контура на режещия инструмент, което спомага за ефективното му охлаждане.

При особено високи честоти на въртене се наблюдава ефект на негативно действие на центробежните сили, които изхвърлят в радиална посока  подаваната МОТ и охлаждането става неефективно. За компенсиране на този ефект МОТ се подава под значително повишено налягане (примерно 70 bar).

Съществуват външни устройства за подаване на МОТ, което се настройва според дължината на всеки установен във вретеното инструмент. Процесът на настройване може да се управлява автоматично от системата за ЦПУ (според дължината на заложения в управляващата програма инструмент) или ръчно от оператора с помощта на дистанционно устройство. Предимство на решението е възможността за изпълнение на режим на осцилиращо движение на струята по дължина на инструмента за по-ефективно отмиване на полепналата стружка.

Външното подаване не осигурява  достатъчно ефективно подаване на МОТ в случаите, когато инструментът е в отвор или тясно пространство. Поради това се използва вътрешно подаване на МОТ през инструмента.

За реализиране на вътрешното подаване на МОТ режещият инструмент следва да има конструктивно оформени канали за това. МОТ се подава по следните начини.
Вътрешното подаване през инструмента предполага първоначално движение на МОТ през външно устройство и специално пригоден за това инструментодържач, а по-нататък - вътрешно през инструмента. Удобно е в случаите, когато инструментодържачът и вретеното не са пригодени за преминаване на МОТ през тях.

Като най-ефективно се очертава вътрешното подаване както през режещия инструмент, така и през инструментодържача и вретеното. Инструментодържачите тип HSK са особено подходящи за реализацията на това подаване. Следва да се подчертае, че конструкцията на машината се оскъпява от необходимостта за изграждане на надежден канал през цялото вретено за транспортиране на флуида, но ефектът от пълноценното използване на функциите на МОТ компенсира този недостатък.

Негативна характеристика на вътрешното подаване е опасността от поява на дебаланс при особено високи честоти, породен от самата МОТ. Затова се добавя и система за външно подаване, лишена от този недостатък.

Принципът за прилагане върху една машина на няколко системи за подаване на МОТ се използва широко при обработващите центри за HSM. Комбинираното им действие повишава ефективността на заложените функции на МОТ.

Суха обработка
В течение на последните десетилетия ефективността на водещата доскоро технология в обработването на материалите върху металорежещи машини с обилно подаване на МОТ намалява под действието на редица технико-икономически фактори (висока стойност на системата за подаване на МОТ, нараснали разходи за МОТ като консуматив, повишена стойност на работите по обезвреждане и утилизиране на отработената МОТ, неблагоприятно влияние на МОТ върху трайността на твърдосплавния инструмент при високоскоростна обработка - МОТ предизвиква термошок, който е причина за пукнатинообразуване и преждевременно излизане на инструмента от строя и др.).

Друг съществен фактор за все по-ограниченото й прилагане е неблагоприятното екологично и санитарно въздействие на МОТ - разливане на МОТ в почвата, отделяне на вредни изпарения и аерозоли, негативно въздействие върху кожата и лигавиците на обслужващия персонал и др.

В редица приложения се наблюдава пълното отказване от МОТ и рязането се изпълнява Чна сухо”, което в много случаи спомага за постигане на добри резултати. Но въвеждането на „сухото” рязане не е въпрос само на "спиране на кранчето" за подаване на МОТ или пък блокирането в управляващата програма на командите M07 и М08. Рязането без използване на обилно подаване на МОТ трябва да се прилага само в технически обосновани случаи, с използване на подходяща техника, работни флуиди и правилно подбрани параметри на процеса; в противен случай могат да се получат негативни резултати.

През последните години са разработени редица методи за заменяне на технологията на МОТ с нови технологии като сухата, квазисухата и др., отличаващи се с високи технико-икономически, екологични и санитарни показатели.

При сухата обработка (Dry Machining) процесът на рязане протича без използване на течна среда. Вместо нея в зоната на рязане се подава газообразен агент, например въздух под налягане, охладен въздух, йонизиран и озониран въздух, който изпълнява главно функциите да охлажда инструмента и да извежда стружката. Основният признак, по който се различават отделните методи, е физическото състояние на подавания в зоната на рязане въздух: с въздух под налягане, озониран въздух под налягане и йонизиран въздух под налягане.

Суха обработка с въздух под налягане
Този вид обработка съответства на класическото разбиране за суха обработка. За охлаждане на инструмента и заготовката в зоната на рязане се подава газ. В литературните източници в качеството на такъв газ се посочва единствено атмосферният въздух. Въздухът от цеховата магистрала или от специален компресор се подлага на предварително почистване от твърди частици и се подава в зоната на рязане с определено налягане.

С това се увеличава способността му да проникне до фактическата зона на контакт на режещия ръб с материала на заготовката и ефективно да отнеме топлината. За това способства и по-добрата му  проникваща способност от тази на МОТ, което се дължи на по-ниския му вискозитет.

Пластичното деформиране в зоната на контакта на режещия ръб с обработвания материал е по-облекчено, което намалява остатъчните напрежения в повърхностния слой на заготовката. Увеличеното налягане формира въздушна струя с по-голяма кинетична енергия, което способства за по-бързото и пълно извеждане на стружката от зоната на рязане, предотвратявайки образуването на застойни зони. Въздушната струя намалява склонността на стружката към попадане и приваряване към обработената повърхнина.

Подаваният въздух може да бъде охладен или неохладен. Значително по-ефективно топлоотнемане се получава при охлаждане на въздуха. Въздухът се охлажда посредством Vortex-тръба, която използва физическия феномен „Maxwell’s Demon” и работи без наличието в нея на подвижни елементи.

Суха обработка с озониран въздух под налягане
Въздухът предварително се озонира. В процеса на рязане озонът, който е силен окислител, влиза в химическа реакция с ювенилните (физически чистите) повърхнини на инструмента и стружката. В резултат на това се формира оксидно покритие, което екранира адхезионните взаимодействия в трибоконтакта между инструмента и стружката и ги редуцира значително. Това способства за намаляване на коефициента на триене.

Оксидното покритие има и защитни свойства, които се състоят в способността му да издържа на високото механично налягане в контакта. Трайността на твърдосплавните пластини от волфрамов карбид WC се увеличава 3 - 5 пъти в сравнение с охлаждането с обикновен въздух. Освен на износването, охлаждането с озониран въздух влияе и на процеса на стружкообразуване, като изменя типа на стружката от течаща в съставна и елементообразна, което е особено благоприятно за отвеждането й от зоната на рязане.

Суха обработка с йонизиран въздух под налягане
Въздухът се активизира чрез йонизиране. Устройството за йонизиране (йонизатор) използва принципа на коронния разряд. Йонизираният въздух изпълнява следните функции: охлаждаща, мажеща и пластифицираща.

Охлаждащата функция се дължи на явлението „йонен вятър”, проявяващо се в повишен конвективен топлообмен на йонизирания въздух. Технологията на охлаждане с йонизиран въздух е известна още и като „сухо електростатично охлаждане”.

Мажещата функция е свързана с формирането по повърхността на обработваемия материал и/или на режещия инструмент на антифрикционни и с висока твърдост филми, което се катализира от наличието на йоните O+, N+ и др. в йонизирания въздух и високата температура в зоната на рязане.

Пластифициращата функция се проявява благодарение на намаляването на повърхностната енергия на локални зони от обработваната повърхнина на заготовката. Редуцира се деформацията на стружката и топлоотделянето при стружкообразуване.

Качеството на обработката се подобрява - намалява се грапавостта и нивото на пластичните деформации, в повърхностния слой се образуват благоприятни диаграми на остатъчните напрежения. Йонизираният въздух може да бъде охладен или неохладен. Охладеният йонизиран въздух се получава по два начина - последователно и паралелно.

При последователния начин въздухът първоначално се охлажда във Vortex-тръба и след това се подлага на йонизация. По-компактна е конструкцията при паралелния начин: използва се усъвършенствана Vortex-тръба, в която се реализира ефектът на едновременното охлаждане и йонизиране на въздуха.

Неохладеният въздух създава по-благоприятни условия за йонизиране на въздуха. При намаляване на влажността и повишаване на температурата на изходния въздух процентното съдържание на йони в единица обем се увеличава. Особено ефективна е съвместната работа с многофункционални покрития (МФП) на инструмента, съдържащи титан-алуминиев нитрид TiAlN, титан-хромов нитрид TiCrN и др., в които активните елементи титан Ti, алуминий Al, хром Cr и др. образуват твърди антифрикционни покрития с елементите на йонизирания въздух.

Така формираната система за охлаждане и мазане може да се разшири чрез действието на високочестотни механични трептения, например ултразвук. Ултразвукът повишава дискретността на контакта на инструмента с обработваемия материал и увеличава дълбочината на проникване на йонизирания въздух в зоната на непосредственото стружкообразуване.

Обща характеристика на сухата обработка
Констатирано е значително разнообразие на методите за суха обработка, например в сравнение със състоянието през 2003 г., което се дължи на интензивната научно-изследователска и внедрителска дейност през последните години.

В страните от Европейския съюз предпочитание се отдава на разработването, усъвършенстването и внедряването на методите на квазисухата обработка, докато в Русия с приоритет се ползва сухата обработка и комбинираните методи на нейна основа. Сухата обработка е перспективен метод за охлаждане и мазане, който успешно може да замени технологията на обилното подаване на МОТ. Прилага се основно чрез външно подаване на работния флуид.

Екологичните и санитарните показатели превишават значително тези при обилното поливане с МОТ. При някои системи за охлаждане, например, при използване на озониран въздух под налягане, следва да се вземат мерки за ефективното му евакуиране с цел предпазване на обслужващия персонал от вредни за здравето концентрации на озон.

Разходите за първоначално изграждане на системата за суха обработка не са големи. Работният флуид е атмосферният въздух, който е свободно достъпен, не изисква утилизиране и свойствата му се възобновяват след отработване.

Сухата обработка може да се класифицира според следните показатели: вид на физическото въздействие върху подавания в зоната на рязане въздух под налягане, наличие на температурно въздействие върху него, използване на МФП на инструмента със съдържание на специални елементи, наличие на допълнително подавани ултразвукови трептения към инструмента, последователно или паралелно охлаждане на йонизирания въздух.
Всеки от методите от предложената класификация има свои рационални области на приложение.

Сухата обработка с въздух под налягане, предвид недостатъчната способност за охлаждане и мазане,  има ограничено приложение - при леки обработки без голямо топлинно напрежение в зоната на рязане. По-широко разпространено е подаването на охладен въздух под налягане.

Сухата обработка с озониран въздух под налягане предлага по-широки възможности, тъй като притежава засилен охлаждащ ефект. Подходяща е за използване в обработващи центри с кабинетна защита и аспирационна система.

Сухата обработка с йонизиран въздух под налягане към момента разполага с най-висок потенциал за приложение при широка гама от материали. Особено ефективно е съчетаването й с подходящи покрития на режещия инструмент. Подаването на механични ултразвукови трептения към инструмента позволява методът да се прилага и при труднообработваеми материали.

Квазисуха обработка
(Minimal Quantity Lubrication) - представлява сухо рязане, съчетано с минимално количество мажещо вещество. Като мажещо вещество се използва предимно масло, което се смесва с въздух и се подава във вид на мъгла. Консумацията на масло е много малка - до 100 ml/h.

Присъствието на маслото остава практически незабележимо, поради което процесът на обработка субективно се възприема като сухо рязане. Маслото служи за мазане на контакта на режещия ръб с материала на заготовката и за предотвратяване на образуването на наслойка върху инструмента.

Въздухът, транспортиращ маслото, изпълнява ролята на охлаждащо вещество, а също така на флуид, спомагащ за извеждането на стружката.
Маслото за квазисухата обработка се доставя в капсулиран и защитен резервоар. Разходът на масло е малък - например при резервоар с обем 20 литра периодът между две зареждания е 3,5 месеца.

Независимо от това, че маслото във въздушно-масления аерозол е в много малко количество, изискванията към него са високи. Освен необходимите технически параметри, то трябва да притежава екологични и санитарни характеристики, съответстващи на законодателството в редица индустриално развити страни.

Използването на минералните масла е свързано с риск за здравето на хората и чистотата на околната среда. Поради това те постепенно се изместват от такива, които са биоразградими. Под въздействието на микроорганизми и факторите на околната среда биоразградимите масла се разпадат до продукти, които не са опасни за природата и човека. Редица водещи световни и български фирми в областта на производството на масла и други течности за машиностроенето наред с традиционните предлагат и биоразградими продукти.

В качеството на базови могат да се използват някои растителни масла като рапичното, слънчогледовото и др. При използване на растително масло както самото масло, така и продуктите от изгарянето му не са токсични. Съдържанието на масло в стружката, която се насочва за вторично претопяване, при правилно настройване на системата за подаване на мажещо вещество не надвишава допустимата стойност 0,3%.

В същото време това не означава, че в особено отговорни случаи (например при производството на импланти за медицината) детайлите не следва да се подлагат на специално почистване след квазисухата обработка.

Значението на маслото не се ограничава само с намаляването на силата на триене. Наличието му предотвратява полепването (приваряването) на стружки по режещия инструмент. Полепналата в различни зони от инструмента стружка, например в стружкоотвеждащите канали, затруднява движението и изхвърлянето на новообразувалата се стружка, което може да предизвика счупване на инструмента. Типичен материал, подходящ за квазисуха обработка, е алуминият, който има склонност към приваряване към инструмента.

При квазисухата обработка от съществено значение е точността на локализация и скоростта на подаването на масления аерозол. Най-ефективно е подаването непосредствено в зоната на рязане. Прилагат се два вида подаване - вътрешно и външно:

Вътрешно подаване на въздушно-маслената смес - представлява транспортиране на аерозола или неговите компоненти през вретеното и инструмента до зоната на рязане. Възможен е случай, при който въздухът и маслото се смесват предварително и във вид на маслена мъгла се подават през централния отвор на вретеното. Недостатък е намаленото бързодействие вследствие на инерционността на маслото и голямата дължина на канала през вретеното, която трябва да преодолее маслената мъгла, а също така разпадането на мъглата вследствие на високата честота на въртене на вретеното.

Поради това се предпочита втори вариант, при който въздухът и маслото се подават поотделно през два самостоятелни канала във вретеното и постъпват в смесителното устройство, което е разположено в непосредствена близост до инструмента.
Количеството на мажещото вещество може да се управлява чрез команди от системата за ЦПУ.

Външно подаване на въздушно-маслената смес - въздухът и маслото се смесват извън машината и полученият аерозол се подава външно към зоната на рязане. Външното подаване се предпочита в случаите, когато вретенният възел не е пригоден за подаване през него на мъгла, при ретрофитинг и модернизация на стари машини и при всички останали случаи, когато се търси ниска инвестиционна стойност на системата за охлаждане и мазане.

Външното подаване е единствената алтернатива при квазисухо фрезоване с малък диаметър на режещия инструмент, когато конструктивно и технологично е невъзможно оформянето в него на канали за подаване на аерозола.

При квазисухата обработка трябва да се има предвид опасността, макар и слабо вероятна, от самопроизволно възпламеняване на маслената мъгла или взривяване на металния прах в работната зона. Тази опасност може да бъде избегната при бързо извеждане на аерозола и праха, което предотвратява образуването на места с критична концентрация на прах.

Квазитечна обработка
Тя предполага използването на бързоизпаряващи се течности, чиято течна фаза изчезва непосредствено след попадането им в зоната на рязане. Характерна област на квазитечната обработка е финото фрезоване на алуминий. 

Квазитечната обработка се прилага при високоскоростно рязане с микрофрези. Използването на МОТ или маслена мъгла не е ефективно, тъй като високият вискозитет на течната фаза прави невъзможно проникването й до режещия ръб. Поради това в качеството на мажещо и охлаждащо вещество се прилага етанолът, който представлява летлива течност с нисък вискозитет.

Системата за квазитечна обработка се състои от резервоар и дюзи за външно впръскване на течността в зоната на рязане. Съобщава се, че максималният дебит е от 25 ml/min, а дневният разход е около 1 галон.

След като бъде подаден в работната зона в течна фаза, етанолът се изпарява. Фазовото превръщане (от течност в газ) оказва търсеното охлаждащо въздействие, тъй като за изпарението е необходима топлинна енергия, която се иззема от зоната на рязане.
Изпареният етанол се евакуира от работната зона с аспирационна система. Върху стружката, детайла и повърхнините на работната зона не остават следи от етанол, поради което се спестяват разходи за почистване.

Квазитечната обработка с етанол е приложима само при материали, които не образуват искри или висока температура по време на рязане. Подходяща е при обработката на цветни метали и сплави като алуминий, мед, магнезий и бронз. Пластмасите също могат да се обработват с етанол с изключение на някои поликарбонати, които етанолът поврежда.

Стоманата и чугунът и други феритни сплави не позволяват използването на етанол поради опасност от възпламеняване. Не трябва да се допуска също така и приспособленията да се изработват от тези материали, тъй като в случай на колизия образувалите се искри могат да доведат до възпламеняване.

Криогенна обработка
Криогенната обработка (Cryogenic Machining) е свързана с въздействието с флуид с особено ниска температура. В качеството на такъв флуид се използва течният азот, който има температура на изпарение –196 0С.

Прилага се върху детайли от легирана стомана, например цевите на бойни и ловни оръжия, които трябва да притежават висока износоустойчивост и постоянство на формата след механичното и топлинното въздействие на серия от изстрели. Обработваната повърхнина се охлажда с течен азот, подаван непосредствено преди рязането. Ефектът се базира на обработката със студ, при която мекият остатъчен аустенит се превръща в твърдия мартензит, а структурата на материала става дребнозърнеста, с което се увеличава якостта му.

Другото широко приложение на криогенната обработка е охлаждането на зоната на рязане с впръскване на въздушна смес с течен азот при фрезоване на труднообработваеми материали с ниска топлопроводност като титан и титанови сплави. Основната функция на азота тук е да отнеме за кратко време голямо количество топлина от инструмента и заготовката и да предотврати прегряването им.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top