Применение охлажденного ионизированного воздуха при высокоскоростном фрезеровании

Муратов Карим Равилевич, кандидат технических наук, доцент

Хурматуллин Олег Гаднанович, генеральный директор

С распространением технологии HSC задача повышения эффективности воздушного охлаждения становится всё более и более актуальной. Основным недостатком воздуха в роли СОТС является плохая смазывающая способность. Одним из высокоэффективных методов воздушного охлаждения зоны резания является применение охлаждённого ионизированного воздуха (ОИВ).

Разработанные в МГТУ им. Н.Э. Баумана способ охлаждения зоны резания и устройства его реализующие предназначены для повышения производительности оборудования, снижения затрат на его эксплуатацию и ремонт, увеличения стойкости инструмента, создания комфортных санитарно-гигиенических условий в зоне обслуживания. Принцип действия устройства основан на перераспределении энергии сжатого воздуха между двумя потоками, образующимися в вихревой трубе, при его расширении и последующей ионизации холодного потока коронным разрядом. Затем слабо ионизированный воздух под давлением подаётся непосредственно в зону резания, в результате происходит охлаждение режущего инструмента и образование на его контактных поверхностях защитных окисных наноплёнок. Эффективность процесса резания в среде ОИВ обеспечивается за счёт его значительного влияния на контактное взаимодействие инструмента с обрабатываемым материалом и окружающей средой во всём интервале температур. Создание окисных защитных плёнок является эффективным методом повышения износостойкости, что неоднократно доказано в работах, проводимых в МГТУ им. Н.Э.Баумана, Ивановском ГУ, МГТУ СТАН-КИН [1-3].

В МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Технологии обработки материалов» создан лабораторный стенд на базе токарно-винторезного станка 16К20 [4]. Проведены опытные работы по определению усадки стружки на различных скоростях резания. В качестве оценочного параметра использовали поперечную усадку стружки К а (в соответствии с ГОСТ 25762-83 – коэффициент утолщения стружки). Материал заготовки – 30ХГСА, инструмент – сборный резец с пластинами CNMM120408-PR из твёрдого сплава МС1460 (ТТ7К12). Параметры режима резания: S=0,2 мм/об, t=1,5 мм, v=130-290 м/мин (2,16-4,83 м/с). Сбор образцов стружки проводился после 5-7 секунд после начала обработки, для исключения влияния переходного процесса.

Рис. 1. Коэффициент поперечной усадки стружки при точении в сухую и с УОИВ (заготовка – 30ХГСА, резец – МС1460, s=0,2 мм/об, t=1,5 мм)

Как видно из рис. 1, применение устройства охлаждения ионизированным воздухом (УОИВ) снижает коэффициент усадки стружки на 5-8% во всём диапазоне исследуемых скоростей, что свидетельствует о лучшем скольжении стружки по передней поверхности инструмента и, как следствие, снижении силы резания. Износ инструмента при обработке в сухую активно начал развиваться при скорости 194 м/мин (3,23 м/с), появилось искрение и задиры на заготовке, тогда как с применением УОИВ аналогичные симптомы появились при 290 м/мин (4,83 м/с). После проведения эксперимента при прочих равных условиях и одинаковой длительности обработки износ пластин по задней поверхности составил 0,2 мм при резании в сухую и 0,1 мм с применением УО-ИВ. Вышеописанный эксперимент подтверждает повышение смазывающих свойств воздуха путём его ионизации в коронном разряде. Стоит отметить, что эксперимент проводился в условиях непрерывного резания (токарная обработка), т.е. процесс образования окисных плёнок протекал при установившемся тепловом балансе и имел переходный процесс не менее 5-7 с.

Совсем другие условия резания при высокоскоростном фрезеровании. При прерывистом резании режущая кромка испытывает ударные нагрузки, оказываясь попеременно то в материале заготовки, то в смазывающе-охлаждающей среде. Прерывистое резание обеспечивает стабильное попадание СОТС на режущие кромки, а стружечные канавки подобно центробежному насосу прокачивают через инструмент всё новые и новые порции СОТС.

Для определения эффективности охлаждённого ионизированного воздуха при высокоскоростном фрезеровании в Учебно-демонстрационном центре ООО «Урал-инструмент-Пумори» и Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) модернизирован фрезерный обрабатывающий центр MCV-450. На обрабатывающем центре смонтировано устройство охлаждения ионизированным воздухом. Проведены поисковые эксперименты по применению системы охлаждения зоны резания ОИВ при высокоскоростной фрезерной обработке. Измерения параметров полученных в результате экспериментов проведены в ПНИПУ.

Рис. 2. Замеры шероховатости при фрезеровании (сталь 40Х)

Производилось высокоскоростное фрезерование заготовки из стали 40Х с обдувом инструмента ОИВ и стандартной системой обдува воздухом. Инструмент – фреза концевая твёрдосплавная TuffCut XR 4 FL End Mill 10ммх22х72 AL tima фирмы M.A. FORD (диаметр – 10 мм, количество зубьев – 4 шт.). Режимы обработки: частота вращения шпинделя n=8000 мин-1, продольная подача Sп=5000 м/мин, глубина фрезерования t=1 мм, ширина фрезерования b=10 мм. Сравнительные испытания проводились между стандартной системой подачи воздуха в зону резания и системы подачи ОИВ. Производилась обработка двух заготовок двумя одинаковыми фрезами. Замеры шероховатости производились вдоль и поперёк движения подачи. Результаты представлены на рис. 2. В результате испытаний установлено, что применение системы охлаждения зоны резания ОИВ по сравнению с базовой системой обдува воздухом при данных режимах обработки снижает шероховатость поверхности по показателю Ra на 10-30%.

Выводы: вследствие распространения высокоскоростных методов обработки применение обработки «в сухую» неуклонно растёт. Одним из эффективных способов повышения производительности (или стойкости инструмента) при обработке в сухую является охлаждение зоны резания ионизированным воздухом. Ионизация воздуха восполняет смазывающую функцию газообразных СОТС за счёт ускорения образования окисных плёнок на поверхностях инструмента. Простота подготовки и подачи в зону резания ОИВ, эффективность метода в области высоких скоростей обуславливают перспективность данной технологии.