Импульсная технология резания металла

Механическая обработка резанием представляет собой процесс съема металла с детали. Она включает в себя такие процессы резания, как сверление, фрезерование, токарную обработку и другие процессы. Механическую обработку обычно осуществляют с поливом зоны резания смазочно-охлаждающей жидкостью. Смазочно-охлаждающие жидкости увеличивают срок службы режущего инструмента, уменьшают трение между режущим инструментом и обрабатываемой деталью, предотвращают адгезию между обрабатываемой деталью и режущим инструментом, а также улучшают качество обрабатываемых поверхностей и повышают точность изготовления детали.  Смазочно-охлаждающие жидкости широко используются в общих процессах механической обработки, таких как сверление, фрезерование и токарная обработка, а также в специальных процессах, таких как нарезание зубьев и шевингование.

К сожалению, смазочно-охлаждающие жидкости оказывают многоплановое негативное воздействие на человека и окружающую среду. Испытания показывают, что рабочие, подверженные действию аэрозоля, образующегося при использовании смазочно-охлаждающих жидкостей, подвержены риску заболеваний кожи (дерматит и угревая сыпь), респираторных заболеваний (воспаление легких и астма) и, возможно, рака. Металлисты подвержены большему риску заболевания раком горла, прямой кишки и мочевого пузыря, чем представители других профессий. Контакт с кожей, проглатывание или вдыхание масляного аэрозоля, паров или пыли приводят к различным негативным последствиям для здоровья. Испарения, дым, запах от смазочно-охлаждающих жидкостей могут вызвать тяжелые поражения кожи и респираторные заболевания.

Простые методы снижения концентраций аэрозоля, известные давно, включают в себя множество мер от открытия окон в цехе до огораживания станочных участков. Для  удаления аэрозоля требуются  изощренные меры, такие, как установка систем фильтрации и дополнительные затраты на поддержание смазочно-охлаждающих жидкостей в рабочем состоянии. На рынке имеется ряд вентиляционных систем, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки, и покупатель может найти компромисс между первоначальной стоимостью и эксплуатационными расходами. 

Некоторый дополнительный риск вдыхания аэрозолей смазочно-охлаждающих жидкостей происходит от вдыхания бактерий и грибков, развивающихся в смазочно-охлаждающих жидкостях. Для сведения данного риска к минимуму требуется тщательный контроль за смазочно-охлаждающими жидкостями и применение соответствующих биоцидов.

Помимо вопросов охраны окружающей среды в связи с применением смазочно-охлаждающих жидкостей, производитель сталкивается с экономическими проблемами. В целом в стоимости  отделочных процессов, таких, как токарная обработка, фрезерование, сверление и другие операции резания затраты на все вопросы, связанные со смазочно-охлаждающими жидкостями, составляют 2–16%. Это в масштабах РФ может достигать очень больших сумм.

«Сухая» обработка резанием (обработка без применения смазочно-охлаждающих жидкостей) представляет собой оптимальное решение финансовых и экологических вопросов, связанных со смазочно-охлаждающими жидкостями. Она позволяет избежать проблемы аэрозолей, а также  проблемы хранения смазочно-охлаждающих жидкостей и ухода за ними. Однако «сухая» обработка резанием  с использованием имеющегося в настоящее время режущего инструмента при существующих режимах обработки может привести к сокращению его срока службы более чем на два порядка величины. Это делает механическую обработку неприемлемо медленной и дорогой, да и качество обрабатываемых поверхностей страдает. Для того, чтобы «сухая» обработка могла конкурировать с существующей «мокрой» обработкой, использующей смазочно-охлаждающие жидкости, должны быть найдены альтернативные средства компенсации положительных сторон применения смазочно-охлаждающих жидкостей. Здесь можно говорить об использовании режущего инструмента иной конструкции, иных режимов механической обработки и покрытий на режущем инструменте для увеличения его твердости, устойчивости к износу при высокой температуре и придании смазывающей способности с целью уменьшения адгезии и облегчения съема стружки. Наиболее перспективными могут оказаться поверхностно активные вещества многофункциональных покрытиях.  

Созданная технология резания рассматривает процесс разрушения материалов как импульсный (высокочастотный – 10 КГц – 10 МГц), предполагает наличие закономерности, увязывающей параметры точности и жесткости системы: СТАНОК–ПРИСПОСОБЛЕНИЕ–ИНСТРУМЕНТ–ЗАГОТОВКА, а также элементы конструкции инструмента и режимы резания с износом режущего материала и качеством обрабатываемой поверхности.

Разработанная технология учитывает:

• выделение энергии при разрушении материала;
• теплопередачу в режущем инструменте и обрабатываемом материале;
• точность изготовления инструмента;
• точность и динамическую устойчивость станка.

Авторы технологии предлагают новый подход к расчету режимов резания без использования смазочно-охлаждающей жидкости, основанный на так называемой «импульсной» теории резания, автором которой является один их участников настоящего проекта (Комаров В.А., Повышение эффективности технологических процессов на основе совершенствования обработки резания, М: Из-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002 г.,166 с.). На основании этой теории впервые разработаны научные методы расчета оптимальных режимов «сухого» резания--сверления, фрезерования, обработки шестерен и др.- и выполнен анализ работы режущего инструмента и влияния режимов резания, как на инструмент, так и на обрабатываемый металл. На основании такого анализа сформулированы требования к изменениям конструкции инструмента и покрытиям на инструмент, спроектированы, изготовлены и испытаны новые типы сверл, фрез и разверток. Сочетание новых методов расчета режимов резания, новых конструкций инструмента и новых типов покрытий на основе безвредных поверхностно активных органических или растительных  компонентов позволят впервые  создать основы технологии «сухого» сверления и фрезерования.

Имеющийся у нас опыт работы в области «сухого» трения позволяет предполагать, что производительность «сухой» обработки может не уступать, по крайней мере в ряде важных случаев, производительности обработки со смазочно-охлаждающей жидкостью при удовлетворительном качестве обработанного изделия и достаточно высокой стойкости инструмента.

Устраняя причины возникновения аэрозоля и другие негативные факторы воздействия смазочно-охлаждающих жидкостей на экологию, предлагаемый процесс будет в большой степени способствовать улучшению экологической ситуации в механических цехах и городах и поселках ,в которых расположены машиностроительные и другие заводы. Высокие скорости резания позволят увеличить производительность труда путем сокращения времени на обработку, а больший срок службы режущего инструмента даст возможность еще больше увеличить производительность вследствие сокращения времени простоя станка при смене режущего инструмента. Таким образом, разрабатываемый процесс «сухой» обработки  увеличит конкурентоспособность обрабатывающей промышленности РФ и улучшит условия работы в механических цехах. Разработанные принципы и теория «сухой» обработки резанием могут послужить основой для разработки новой технологии, которая может быть применена в механических цехах на многих  производственных предприятиях в различных областях промышленности: автомобильной, авиационно-космической, станкостроительной и других.

Разработанные для режущего инструмента покрытия также найдут применение в качестве защитных покрытий для деталей автомашин, таких как зубчатые передачи и кулачки, т.е., там, где требуется защита от поверхностного износа и усталости.

Полученные результаты

Проведенные опыты подтверждают, что технология расчета соотношений параметров резки (сверления) позволяет существенно сократить время металлообработки, повысить уровень износостойкости инструмента (фрез, сверл), повысить экологичность фрезерования (сверления), рационально организовать рабочее место (при использовании методов сверления/ резания без применения смазочно-охлаждающих жидкостей), в конечном счете, получить экономический эффект, который выражается в сокращении издержек на процесс металлообработки до 10 раз.