Инструменты с системой направленной подачи СОЖ под высоким давлением

Автор статьи: Томми Питкянен, менеджер по продукции Seco Tools — токарная обработка

Производители возлагают большие надежды на современные системы подачи СОЖ* к инструменту, которые способны предложить им больше, чем просто охлаждение при резании металла. Если вы выбираете или даже вынуждены использовать СОЖ, то функциональная эффективность должна играть решающую роль и в значительной степени способствовать раскрытию потенциала производительности. Не менее важно, чтобы современные системы инструментов с подачей СОЖ обеспечивали эффективное стружкообразование, особенно в токарных операциях.

Преимущества использования СОЖ для охлаждения и смазки (снижения трения) хорошо известны; обычно под охлаждением мы понимаем просто подачу СОЖ в зону резания. Однако, эффективное использование СОЖ означает быстрый отвод тепла из зоны резания; для этого крайне необходимо, чтобы направленный поток СОЖ подавался в требуемые точки под большим давлением.

Трудности

Нахождение компромисса между применением СОЖ и требуемой производительностью связано с определенными трудностями, наиболее сложной из которых можно назвать обработку материалов для авиакосмической промышленности, например, титанового сплава Ti6Al-4V. Сплав Ti6Al-4V отличается низкой теплопроводностью и малым модулем упругости, что делает его отличным материалом для изготовления высокопрочных, термостойких и легких деталей реактивных двигателей. Тем не менее, обработка этого справа очень трудоемка и затратна, поскольку должна проводиться при низких скоростях резания, при этом процесс стружкоообразования невозможно контролировать, а стойкость инструмента относительно невелика. Большая длина стружки может стать причиной заклинивания с последующей поломкой инструмента, а в худшем случае повреждения дорогостоящих деталей. Длинная стружка может повредить поверхность, и ценную деталь придется утилизировать.

Спутанные клубки стружки, образующиеся в процессе резания металла, значительно снижают производительность операций, выполняемых в присутствии оператора; применение безлюдного производства в таких условиях становится практически невозможно. В частности, это происходит при обработке с использованием инструмента с обычными соплами для подачи СОЖ, расположенными далеко от режущей кромки.

Несмотря на значительный прогресс в развитии систем высокого давления, большинство производителей по-прежнему отдают предпочтение более традиционным системам подачи СОЖ, в которых СОЖ доставляется на режущий инструмент и обрабатываемую деталь для снижения их нагрева. В этом случае более гибкие сопла для подачи СОЖ могут смещаться, из-за чего снижается точность подачи СОЖ в зону резания. Давление в этих системах также не поддерживается на надлежащем уровне.

Поскольку в таких системах поток СОЖ только "поливает" зону резания, жидкость может достаточно сильно нагреться и создать паровую преграду. Этот пар фактически изолирует зону резания и не позволяет теплу рассеиваться. Чтобы исключить эту проблему, системы подачи СОЖ высокого давления создают давление, не допускающее образования паровой преграды и достаточно быстро удаляющее тепло из зоны резания.

Производителям следует помнить, что существуют различия между системами инструментов с подачей СОЖ под высоким давлением. Наиболее распространенным отличием является расстояние от зоны резания или расположение отверстий для подачи СОЖ относительно поверхности заготовки/режущего инструмента. Отверстия в некоторых системах могут быть расположены недостаточно близко, чтобы точно и эффективно подавать СОЖ в оптимальные точки в зоне резания. Поэтому в системах с отверстиями, расположенными далеко от зоны резания, необходимо повышать давление для компенсации большого расстояния.

Если отверстия для подачи СОЖ расположены слишком далеко от зоны резания, то могут потребоваться дополнительные насосы. Это приводит к увеличению расходов для достижения результатов, сравнимых с системами, отверстия в которых расположены рядом к зоной резания. Если СОЖ направляется через каналы в державках и нагнетательное устройство, как в системе Jetstream Tooling® от Seco Tools, то отверстия для подачи СОЖ можно расположить в непосредственной близости от зоны резания и тем самым достичь отличных результатов даже при давлении стандартного насоса подачи СОЖ. Таким образом, устраняется необходимость применения второго насоса высокого давления.

Преимущества направленной подачи СОЖ под высоким давлением

Чтобы устранить недостатки существующих систем подачи СОЖ, разработчики систем инструментов с подачей СОЖ, такие как компания Seco, работают над оптимизацией производительности этих систем, повышая точность подачи и давление, с которыми потоки СОЖ направляются в зону резания.

В системах, таких как Jetstream Tooling® от Seco, выходные отверстия СОЖ встроены в подвижные верхние зажимы (нагнетательные устройства) на инструментах. Давление, поток СОЖ, а также отверстия малого диаметра создают тонкую и мощную струю, которая легко проникает в зону основного нагрева непосредственно за режущей кромкой.

Компания Seco выяснила, что "клин" из потоков СОЖ в непосредственной близости от зоны резания является наиболее эффективным способом охлаждения. Это означает, что выходное отверстие системы направляет поток СОЖ в зону резания между передним углом пластины и стружкой, способствуя подъему стружки и стружколоманию.

Последнее поколение Jetstream Tooling® для обработки канавок, токарной обработки и отрезки оснащено державками с отверстиями для направленной подачи СОЖ не только на переднюю, но и заднюю поверхность пластины – вторичную зону нагрева. Нижняя струя СОЖ обеспечивает оптимальное охлаждение непосредственно под режущей кромкой. Дополнительная струя СОЖ, направленная на заднюю поверхность пластины, увеличивает срок службы инструмента на 10 % и улучшает шероховатость поверхности.

Кроме того, системы инструментов с подачей СОЖ, обеспечивающие оптимальное охлаждение и стружкообразование, позволяют производителям работать без простоев и проводить обработку без участия оператора. Благодаря передовой технологии стружкообразования эти системы также увеличивают скорости и подачи при токарной обработке, срок службы режущего инструмента и улучшают шероховатость поверхности детали. В некоторых случаях скорости и подачи могут быть увеличены вдвое или даже втрое, а также удвоена стойкость. Эта технология позволяет обрабатывать больше деталей за меньший срок, что обеспечивает увеличение производительности и прибыли.

Компания Seco провела лабораторные испытания заготовки из титанового сплава при скорости резания 40 м/мин, скорости подачи 0,25 мм/об и глубине резания 2 мм с использованием системой подачи СОЖ поливного типа: цикл резания занял 5 минут. Затем для проведения той же операции специалисты Seco применили систему инструментов с подачей СОЖ под высоким давлением: удалось сократить время цикла на 50%, увеличить скорость резания до 80 м/мин и срок службы инструмента на 100%.

Насосы подачи СОЖ на современных станках могут обеспечивать давление от 20–70 бар, что на порядок выше значений, достаточных для систем инструментов с подачей СОЖ под высоким давлением, таких как Jetstream Tooling® Seco. Например: система Seco позволяет проводить обработку в широком диапазоне давления, изменения которого влияют на производительность: при низком давлении в 5 бар, при высоком давлении в 70 бар и очень высоком давлении до 350 бар.

При давлении 20–40 бар система Jetstream Tooling® дает ощутимый рост производительности и качества стружкообразования в большинстве областей применения и на разных материалах заготовок. Производительность увеличивается в зависимости от давления и скорости потока (л/мин). Следует отметить, что давления в 70 бар вполне достаточно, чтобы ломать самую сложную, длинную стружку, образующуюся при резании вязких материалов.

Области промышленного применения

Такие области, как токарная обработка, отрезка и обработка канавок больше других выигрывают от использования систем подачи СОЖ под высоким давлением. В этих операциях время контакта режущей кромки и детали часто составляет несколько секунд или больше, поэтому они рассматриваются как случаи "непрерывного резания". Непрерывное резание создает высокую температуру в зоне резания, в связи с чем необходимо регулировать параметры резания во избежание быстрого износа по задней поверхности и пластической деформации. В процессе непрерывного резания вязкого, ковкого материала может образовываться очень длинная, неконтроллируемая стружка, что крайне нежелательно.

Большинство отраслей промышленности получат преимущества от подачи СОЖ под высоким давлением. В энергетике, авиакосмической и медицинской промышленности уже используется этот метод, в большей степени, для обработки редких материалов, требующих интенсивного контроля за стружкообразованием.

Так например титановые сплавы, часто применяемые в авиакосмической и медицинской промышленности, обладают плохой теплопроводностью, из-за чего в зоне резания сохраняются высокие температуры. Это может привести к привариванию, истиранию и наслоению материала заготовки — все это быстро разрушает режущие кромки инструмента. К тому же в процессе обработки титана образуется тонкая, быстро движущая стружка, которую сложно ломать на куски необходимой длины. Вместе с такой стружкой из зоны резания удаляется некоторое количество СОЖ, крайне необходимое для предотвращения теплового повреждения поверхности детали.

Обычные инструменты с большим позитивным передним углом и острыми режущими кромками способны минимизировать эти разрушительные эффекты, сопутствующие обработке титана, однако инструменты с системой подачи СОЖ под высоким давлением необходимы для улучшения стружкообразования и оптимизации операций общей обработки. Результаты университетских экспериментов и исследований подтверждают, что быстрое снижение температуры стружки по мере ее прохождения над режущей кромкой дает эффект упрочнения: то же самое происходит с горячим куском металла, если его очень быстро опустить в воду. Прочность титановой стружки повышается. Под воздействием двух потоков СОЖ, направляемых в зону резания в форме "клина" под высоким давлением, упрочненная стружка ломается на небольшие, легко удаляемые куски.

В целом, СОЖ следует применять для резания любых сложных типов материалов заготовок. Повторимся, что самые значимые, документально подтвержденные улучшения от использования систем инструментов с подачей СОЖ под высоким давлением были получены при обработке современных редких материалов: титана, сплавов на основе никеля и кобальта, таких как Nimonic C263, Inconel 718, Udimet 720 и Waspaloy. Эти материалы вязкие и ковкие, из-за чего требуют лучшего контроля за стружкообразованием. Эту возможность предлагают именно системы инструментов с подачей СОЖ под высоким давлением.

Впрочем, улучшений удалось добиться не только с редкими сплавами. В автомобилестроении, кораблестроении, ядерной и пищевой промышленности также используются ковкие материалы, образующие длинную стружку с низкой степенью обрабатываемости. Благодаря системам инструментов с подачей СОЖ под высоким давлением показатели обработки аустенитной и дуплексной нержавеющей стали, низкоуглеродной стали и алюминиевых сплавов также выросли по скорости снятия металла, эффективности режимов резания, стружкообразованию и шероховатости поверхности, а также сокращению времени обработки.

Поскольку система Jetstream Tooling® от Seco устраняет проблемы удаления стружки, то само по себе исключаются простои и необходимость присутствия оператора. Время удаления стружки больше не включается в калибровку полного времени обработки детали на станке. Кроме того, оси поворота нагнетательных устройств СОЖ в системе Seco позволяют операторам станков очень быстро заменять режущие кромки, не боясь сместить сопла для подачи СОЖ.

Охлаждать или не охлаждать

Следует отметить, что некоторые операции токарной обработки лучше проводить без использования СОЖ, то есть систем подачи СОЖ заливного типа или направленной подачи под высоким давлением. Например операции прерывистого резания выигрывают от обработки без СОЖ, так как во время этой обработки часто происходит тепловой удар и СОЖ может еще больше усилить его негативный эффект.

Операции непрерывного резания лучше всего проводить с использованием СОЖ. Но в тех случаях, где это невозможно (имеются только токарные станки с открытой структурой или обрабатываются специальные типы сталей), токарную обработку можно эффективно выполнять и без СОЖ. Для этих случаев хорошо подойдут термостойкие пластины Duratomic® с покрытием CVD от Seco. Однако обработку канавок и отрезку труднее проводить без СОЖ, главным образом из-за образования стружечных наростов. В этих операциях СОЖ, обычно подаваемая под высоким давлением прямо в зону резания, помогает значительно повысить производительность.

Операции чистовой обработки также требуется выполнять с СОЖ. В противном случае на предприятиях могут возникнуть проблемы с точностью деталей и шероховатостью поверхности. На большинстве предприятий СОЖ используется в 80% случаев. Хотя есть и производители, которые предпочитают проводить все операции без СОЖ. Для этого необходимо контролировать тепловыделение на станках, чтобы обеспечивать точность размеров деталей и качество шероховатости поверхности. Несомненно, это сложная задача, требующая нового инструментального решения, но вполне выполнимая при современном уровне технологий. В отличии от обработки с СОЖ сухая обработка значительно снижает производительность и срок службы инструментов.

Идеальная система

При выборе систем инструментов с подачей СОЖ под высоким давлением производители должны оценить системы не только по их производительности, но и по универсальности и простоте использования всего диапазона доступных уровней давления СОЖ в своих станках. Эти системы должны легко собираться и устанавливаться на токарные станки.

В идеальных системах должна иметься возможность как внешней, так и внутренней подачи СОЖ через державки для токарной обработки или обработки канавок. Для наружной подачи в державках с хвостовиком от Seco имеются шланги с креплением по бокам или под держателями. Производители должны получить широкий выбор комплектов шлангов для легкого подключения системы подачи СОЖ практически в любом положении на револьверной головке или инструментальном блоке станка. Если пользователь больше не хочет применять систему, он может легко ее снять и быстро вернуться к первоначальным настройкам подачи СОЖ. Для внутренней подачи в системе предусмотрены каналы с держателями аналогичные конусовидным соединениям в держателях типа Seco-Capto.

Производители могут приобрести шланги различной длины для подключения подачи СОЖ практически в любом положении на револьверной головке или инструментальном блоке станка. Если пользователь больше не хочет применять систему, он может легко ее снять и быстро вернуться к первоначальным настройкам подачи СОЖ.

Заключение

Для эффективного стружкообразования, оптимизации срока службы инструмента и увеличения производства необходимо обеспечивать подачу СОЖ как можно ближе к зоне резания и направлять потоки в определенные точки в этой зоне (причем результат не будет зависеть от типа системы подачи СОЖ). Средства, инвестированные в державки Jetstream Tooling®, минимальны по сравнению со снижением затрат на единицу продукции. Экономия при покупке инструментов и систем подачи СОЖ под низким давлением по более низким ценам не оправдает себя, поскольку эти решения не увеличат срок службы инструмента и не устранят убыточные простои станков из-за стружечных наростов.

На рисунке 1: длинная стружка, образующаяся в процессе резания с обычной системой подачи СОЖ под давлением (на переднем плане), и короткая, ломаная, легко удаляемая стружка (на заднем плане), образующаяся при использовании системы Seco Jetstream Tooling® с направленной струей высокого давления.


Рисунок 1

*Термины "система инструментов с подачей СОЖ" и "СОЖ", использованные в данной статье, относятся только к реальным процессам резания металла и никаким иным функциям смазки станков.

Справка. Компания Seco Tools является ведущим производителем высококачественного металлорежущего инструмента. В линейку продукции Seco входит полный набор инструментов и вставок для токарных, фрезерных и сверлильных работ, для развертывания и для расточки отверстий, а также системы приспособлений для зажима инструмента. Выпуская более 25 тысяч наименований стандартных изделий, Seco является поставщиком комплексных решений для металлорежущей промышленности, оснащая станки от шпинделя вплоть до режущей кромки.

Штаб-квартира компании находится в Фагерсте, в Швеции, а сама компания представлена более чем в 50 странах сорока дочерними отделениями, дистрибьюторами и торговыми партнерами.

Более подробную информацию можно найти по адресу: www.secotools.com