Чаще всего смазочно-охлаждающая жидкость подается в зону обработки свободно падающей струей. СОЖ стекает из сопел различных конструкций под давлением 0,03-0,1 Мпа (то есть под действием силы тяжести).

Кроме метода полива, существуют следующие типы подачи жидкости:

• напорной струей;
• струей воздушно-жидкостной смеси в распыленном состоянии;
• через каналы в теле режущего инструмента.

Подача напорной струей широко практикуется при операциях глубокого сверления. Давление струи обычно варьируется в пределах 0,1-2,5 МПа, но может достигать и 10 МПа.

Напорную струю может подаваться как в зону обработки (со стороны задней грани инструмента), так и по каналам в теле инструмента. При подаче в зону обработки скорость напорной струи достигает 40-60 м/с. В целях уменьшения разбрызгивания рекомендуется разветвлять поток СОЖ: часть потока направлять в виде тонкой напорной струи, а часть - свободным поливом.

При подаче СОЖ высоконапорной струей наблюдаются следующие недостатки:

• трудность обеспечения нужного направления струи СОЖ на режущую кромку инструмента;
• необходимость тщательной очистки СОЖ во избежание засорения сопла;
• обязательное оснащение станка специальной насосной станцией;
• сильное разбрызгивание жидкости.

Подача СОЖ в распыленном состоянии осуществляется путем смешивания жидкости с воздухом и ее направления в зону резания. Такая подача СОЖ эффективнее, чем охлаждение нераспыленной струей, так как физическая и химическая активность аэрозольных СОЖ выше. Кроме того, метод распыления отличается чрезвычайно малым расходом СОЖ.

Охлаждение распылением применяется в том случае, когда полив жидкостью невозможен или неэффективен, при необходимости оздоровления условий труда, в целях уменьшения температурных деформаций деталей в процессе обработки.

СОЖ в виде аэрозолей используются на агрегатных станках, автоматических линиях и станках с ЧПУ, в том числе многооперационных.

Подача по каналам в теле инструмента весьма эффективна, но возможна для ограниченной номенклатуры инструментов. Такая технология получила распространение при обработке глубоких отверстий спиральными, ружейными и кольцевыми сверлами, метчиками, протяжками. Для подвода СОЖ к вращающимся инструментам с внутренними каналами применяют специальные патроны и маслоприемники.

Глубокие отверстия сверлят с принудительным наружным или внутренним отводом стружки и подводом СОЖ.

Наибольшие трудности возникают при выборе технологии подачи СОЖ на операциях обработки глубоких отверстий мелкоразмерным инструментом без внутренних каналов. В этих случаях целесообразно подавать в зону резания несколько струй жидкости равномерно по конусу, ось которого совпадает с осью режущего инструмента, а вершина располагается в зазоре между кондукторной втулкой и обрабатываемой деталью.

При обработке глубоких отверстий перспективна также подача СОЖ импульсным (ударным) методом. Так, при подаче охлаждающей жидкости с частотой 10-13 Гц производительность обработки, дробления и отвода стружки в 2-2,5 раза выше, чем при подаче СОЖ непрерывной напорной струей.

На некоторых сверлильных операциях при зенкеровании и развертывании отверстий глубиной менее двух диаметров, а также отверстий малого диаметра СОЖ подводят через кольцевые насадки.

Преимущества обработки металлов без применения смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) или сухая обработка звучат подкупающе: экономия производственных затрат на СОЖ и ее очистку, повышение производительности. Однако недостаточно просто закрыть кран подачи СОЖ. Для осуществления сухой обработки станок должен быть функционально доработан.

При обычном резании СОЖ выполняет следующие основные функции: охлаждение, смазку, отвод стружки и удаление загрязнений. При исключении использования СОЖ эти функции должны компенсироваться станком и инструментом.

Компенсация смазки

Смазочное действие СОЖ распространяется по двум направлениям. С одной стороны, осуществляется смазка поверхности трения между деталью и инструментом, а с другой - смазка подвижных элементов и уплотнений в рабочей зоне. Рабочая зона станка, расположенные здесь подвижные элементы и удаление стружки должны быть рассчитаны на работу с сухой стружкой. Однако при резании не во всех случаях возможен отказ от смазки, например, при сверлении по целому алюминиевых сплавов. При этом виде обработки необходима подача смазки в минимальных дозируемых количествах в виде масляного тумана, который подается под давлением на режущие кромки и в стружечные канавки сверла. Такая смазка эффективно уменьшает тепловыделение при резании и налипание материала на инструмент, которое ведет к снижению его работоспособности. При дозированной подаче смазки ее асход составляет 5..100 мл/мин, поэтому стружка слабо смочена маслом и может удаляться, как сухая. Содержание масла в стружке, направляемой на переплавку, при правильной настройке системы не превышает допустимого значения - 0,3%.

Дозированная подача смазки вызывает увеличение загрязнений детали, приспособления и станка в целом и может привести к снижению надежности процесса обработки. Для улучшения смазки режущих кромок сверла станки, используемые для сухой обработки, должны быть оснащены системой внутреннего подвода масляного тумана через отверстие в шпинделе. Далее аэрозоль подается через канал в патроне и инструменте непосредственно к его режущим кромкам. Главным требованием к системам дозированной подачи СОЖ является быстрая и точно регулируемая подготовка масляного тумана. От этого зависит не только защита инструмента, но и чистота в рабочей зоне.

Компенсация охлаждения

Отказ от охлаждающего влияния СОЖ также должен компенсироваться конструктивными изменениями в станке.

В процессе резания механическая работа почти полностью превращается в тепло. В зависимости от параметров резания и используемого инструмента 75:95% тепловой энергии остается в стружке, снимаемой с детали. При сухой обработке она выполняет функцию отвода образующегося тепла из рабочей зоны. Поэтому важно минимизировать влияние этого транспорта тепла на точность обработки. Неравномерное температурное поле в рабочей зоне станка и точечная передача тепловой энергии на деталь, приспособление и станок в целом оказывают влияние на точность.

Следует исключать возможность накапливания стружки на приспособлении и деталях станка. Отсюда понятно, что обработка сверху является неблагоприятным вариантом. Чтобы по возможности ограничить вредное влияние тепловой энергии, станок должен проектироваться таким образом, чтобы тепловые деформации отдельных узлов и деталей станка не влияли на положение инструмента относительно детали.

Компенсация смывающего действия СОЖ

Поскольку СОЖ не используется, то при обработке таких материалов, как чугуны или легкие металлы, образуется пыль и мельчайшая стружка, которые уже не связываются жидкостью. Уплотнения и защитные устройства необходимо дополнительно защищать от абразивного воздействия.

Так как направление траектории разлета стружки не однозначно, то следует использовать действие силы тяжести. Для этого необходимо обеспечить беспрепятственное падение стружки на отводящий транспортер, располагаемый в нижней части рабочего пространства. Любая горизонтальная плоскость становится накопителем стружки и может оказать влияние на надежность обработки.

Другим средством удаления стружки являются системы вакуумного отсоса. Главным требованием здесь будет размещение отсасывающего сопла как можно ближе к рабочей зоне, чтобы повысить надежность улавливания стружки. Можно рекомендовать системы, в которых сопло крепится на шпинделе или инструменте, а также

в которых сопло устанавливается с программируемым поворотом в следящем режиме. В отдельных случаях, например, при фрезеровании плоскостей торцевой фрезой, отсасывающий эффект можно усилить за счет использования колоколообразного ограждения фрезы. Без него для улавливания разлетающейся с большой скоростью стружки потребуется мощный воздушный поток.

Отсасывающая система должна, в первую очередь, удалять пыль и излишки масляного тумана, а удаление крупной стружки - задача стружечного транспортера. Отсос мельчайших частиц очень важен, поскольку, смешиваясь с аэрозолью, они образуют прочный грязевой слой. Воздух из системы отсоса возвращается в окружающую среду и должен быть тщательно очищен от продуктов отсоса.

Аспекты безопасности при сухой обработке

При сухой обработке необходимо учитывать возможность взрыва пыли в рабочем пространстве. Поэтому пылеотсасывающее сопло должно быть размещено так, чтобы исключить появления зон с критической концентрацией пыли.

Опасность воспламенения масляной аэрозоли, как показали исследования, проведенные в Институте станкостроения и технологического оборудования Карлсруэского университета, крайне маловероятна. При работе отсасывающих систем и цеховых кондиционеров этой опасностью можно пренебречь. Все эти утверждения могут отпугнуть мелкие производства и изготовителей отдельных деталей. Многие представляют переход от обработки с применением СОЖ к сухой обработке значительно проще.

Путь к многоцелевому станку, работающему по сухой технологии

Станкостроительной фирмой, которая точно знает, куда идти, является Hüller Hille. От этого поставщика комплектных систем требуется обеспечивать в автоматически работающих установках высокое качество обработки. Такие же требования должны предъявляться и ко всем станкам, работающим по сухой технологии. В качестве примера на рис.1 показан производственный модуль технологической системы, предназначенной для обработки кронштейна колеса автомобиля. На каждом из двух станков, входящих в модуль, при 3-х сменной работе обрабатываются с дозированной подачей СОЖ1400 пар кронштейнов. Обрабатываемый материал - алюминий.

Подвод дозированной смазки при резании легких сплавов

Если при обработке серых чугунов в широком диапазоне можно реализовать полностью сухую обработку, то при сверлении, развертывании и резьбонарезании по алюминиевым и магниевым сплавам для обеспечения надежности процесса необходима дозированная подача СОЖ. В противном случае из-за забивки стружечных канавок существует угроза частых поломок инструмента и образование нароста, препятствующего получению качественной обработки.

Главным аспектом является подвод смазывающей среды. При дозированной подаче СОЖ - это воздушно-масляная смесь (аэрозоль).

Используемые в настоящее время системы по виду подвода аэрозоли делятся на наружные и внутренние. Если при наружном подводе аэрозоль или отдельные капли масла можно подводить непосредственно к режущим кромкам инструмента, то при внутреннем дозированная подача масла производится через шпиндель и канал в инструменте к зоне резания. Здесь также существуют 2 технических решения: 1-канальный и 2-канальный подвод. При 2-канальном подводе воздух и масло подаются в шпиндель раздельно и смешиваются непосредственно перед подачей к инструменту. Это позволяет быстро доставить смесь к рабочей зоне и сократить путь аэрозоли внутри быстровращающихся деталей, снизив тем самым опасность ее расслоения.

На рис. 2 показано техническое решение, используемое фирмой Huller Hille, для раздельной подачи компонентов аэрозоли через вращающийся распределитель к шпинделю. Масло попадает в дозирующее устройство, которое продавливает его в корпус, изготовленный методом порошковой металлургии. Корпус является накопителем для масла и смесителем его с подводимым воздухом. Аэрозоль образуется непосредственно перед входом в канал инструмента. Так создается минимальный путь до режущей кромки, где возможно проявление эффекта расслоения. Устройство позволяет точно регулировать содержание масла в аэрозоли и благодаря этому точнее подстраиваться под условия работы различных инструментов.

Кроме этого, устройство позволяет быстро включать и выключать дозированную подачу СОЖ. В зависимости от конструкции канала в инструменте, время срабатывания может составлять 0,1 с. Это позволяет выключать подачу масла во время процесса позиционирования, что способствует снижению расхода масла и загрязненности станка.

Как следствие, при опытной обработке головки цилиндров среднее потребление масла составило 25 мл/ч, тогда как при обработке со свободным поливом расход достигает 300:400 л/мин.

В настоящее время для исключения мертвых зон проводятся тестовые испытания системы дозированной подачи СОЖ, направленные на повышение однородности аэрозоли, снижение содержания масла и оптимизацию конструкции подвода аэрозоли через хвостовик типа <полый конус>. Решение этих проблем позволит уменьшить потребление масла и загрязненность станка. Исследуется возможность адаптивного управления струей смазки в зависимости от заданного и измеренного значений объемного потока. Это позволит поддерживать постоянными условия смазки при изменении температуры, вязкости, внутренней геометрии инструмента.

Оптимизация рабочей зоны станка

Кроме шпинделя, созданного в соответствии с требованиями дозированной подами смазки через внутреннюю полость, фирма Huller Hille выпустила многоцелевой станок, предназначенный для обработки деталей по сухой технологии. Базой для надежного удаления стружки явилось конструктивное оформление рабочей зоны. Так исключены всевозможные кромки и плоскости, на которых может скапливаться стружка. Увеличены размеры окон для свободного прохода падающей стружки, которые ограничиваются крутыми стенками (угол наклона более 55 0). Неокрашенные стальные листы ограждений сводят до минимума прилипание стружки и образования подпалин.

Важное значение для беспрепятственного падения стружки имеет установка приспособления с деталью на вертикальной стенке (рис.3). На станке для смены спутников с деталями используется поворотный вокруг горизонтальной оси внутренний манипулятор. В позиции смены деталь принимает привычное вертикальное положение и может быть заменена вручную или автоматически внешним манипулятором, соединяющим станок с транспортной системой.

При отводе стружки из рабочей зоны используется пылеотсасывающая система. Как предписывается в странах ЕЭС, отсасывающее сопло располагается под сеткой стружечного транспортера. Оно забирает пылевые частицы, остатки аэрозоли и мелкую стружку. Крупная стружка задерживается сеткой транспортера и им удаляется. Такое решение позволяет снизить мощность пылеотсасывающей системы.

Несмотря на оптимальный вариант крепления детали, в некоторых случаях стружка не удаляется свободным падением, например, при обработке корпусных деталей, имеющих внутренние полости, где она может скапливаться. Для таких случаев станок оснащается круглым столом с высокой частотой вращения - 500 мин -1 по сравнению с 50 мин -1 на обычных станках. При быстром вращении стружка выбрасывается из полостей детали, особенно если при смене она время от времени устанавливается в горизонтальное положение.

Важным аспектом является загрязнение станка. Мелкая стружка, смоченная маслом, покрывает довольно толстым слоем узлы станка в рабочей зоне. Если из-за высокой кинетической энергии разлетающуюся крупную стружку сложно удалить отсосом, то мелкая, являющаяся основным компонентом загрязнений, удаляется легко. Поэтому использование пылеотсоса является главным компонентом борьбы с загрязнением.

Актуальным предметом исследований является поиск универсально используемых решений пылеотсоса для различных типов инструментов или возможностей использования магазина и манипулятора системы автоматической смены инструмента для автоматической смены отсасывающих устройств.

Термический эффект

Термические проблемы касаются как устройств для крепления деталей, и процесса обработки, так и станка в целом. Станок должен иметь термосимметричную конструкцию. 3-х координатные узлы, которыми комплектуется станки гаммы Specht, удовлетворяют этим условиям. Поворотный в вертикальной плоскости внутренний манипулятор для спутника с деталью смонтирован на двух опорах в стойке рамного типа, что также обеспечивает термосимметричность конструкции. Таким образом, обеспечивается равномерность тепловых деформаций станка перпендикулярно поверхности детали. В верхней части стойка связана с 3-х координатным узлом. Совместно со связкой в нижней части станины конструкция исключает опрокидывание. Возникает чистое поступательное смещение, которое может быть учтено введением компенсации.

Термосимметричность, однако, не предотвращает появления ошибки вдоль оси Z, в честности удлинения шпинделя и узлов станка. В целом обрабатывающие операции, при которых требуется точное позиционирование по оси Z, встречаются не так часто. Тем не менее, Hüller Hille предлагает дополнительные возможности активной компенсации погрешности по этой оси. Так, станок Specht 500T оснащен лазерной системой контроля поломки инструмента. Положение контрольных марок на шпинделе и на приспособлении регистрируется лазерным лучом, посредством которого определяется изменение положений и вводится поправка.

Построение процесса обработки определяет точность

По прежнему построение процесса является решающим для достижения точности. Последовательность операций при сухой обработке в сравнении с мокрой существенно изменена. В большинстве случаев прямой перенос последовательности операций с мокрой обработки на сухую не желателен. С другой стороны, используемая при сухой технологии последовательность не вредна и при мокрой технологии. Поэтому концепции сухой обработки могут быть приняты в любых случаях.

Первостепенная задача современной обработки на металлорежущих станках — это смазка инструмента, а также быстрое удаление из зоны резания стружки. При невыполнении данной задачи могут возникнуть проблемы, ведущие к преждевременному износу или повреждению инструмента, и даже к поломке станка.

Стандартное устройство станков Haas серий и VM — кольцевой механизм подачи СОЖ, при котором обеспечивается подача охлаждающей жидкости методом полива в область резания, одновременно удаляется стружка, которая образуется при резании.

Данная концепция, по сравнению с традиционной, в которой используются шланги, значительно усовершенствованна. Точная регулировка наконечников легкоподвижных форсунок кольца позволяет направлять на инструмент струю охлаждающей жидкости под различными углами. Эргономичная установка кольца обеспечивает простоту использования и максимальный зазор.

Помимо основной системы подачи СОЖ, существуют еще другие способы охлаждения. Один из них — использование программируемых форсунок СОЖ (P-Cool), которые в зависимости от инструмента автоматически подстраиваются под его длину.

Система подачи СОЖ через шпиндель

Еще один эффективный способ — подача СОЖ через хвостик инструментальной оправки и каналы режущего инструмента под высоким давлением. Система подачи СОЖ через шпиндель TSC (Through-Spindle Coolant) доступна в 2-х конфигурациях в соответствии с давлением: 300 или 1000 фунтов на дюйм 2 (20 или 70 бар). Ее эффективность особо высока при сверлении глубоких отверстий и фрезеровании глубоких выемок.

Система подачи струи воздуха через инструмент

При использовании современного твердосплавного инструмента с усовершенствованными покрытиями для резки в сухой среде велика вероятность повторной резки стружки, своевременно неубранной из зоны резания. Это является главной причиной повышенного износа инструмента. Для решения проблемы компания Haas Automation разработала систему, которая подает струю воздуха через инструмент (дополнение к системе TSC), с помощью которой из зоны обработки сразу удаляется стружка, до того как она снова попадет под режущий инструмент. Этот метод важен в процессе обработки глубоких полостей.

Такая же функция выполняется при помощи воздушной автоматической пушки Haas. Система безупречна для использования небольших инструментов, непригодных для подачи воздуха через инструментальное отверстие. Автоматическая воздушная пушка — отличное дополнение к системе подачи воздуха через инструмент. Пушка используется при невозможности применения жидкостной системы охлаждения и при необходимости подачи значительных объемов воздуха.

Система подачи минимального количества СОЖ

В случаях, когда невозможно использование смазочно-охлаждающей жидкости, но необходимо обеспечить смазку инструмента, применяют систему подачи минимального количества смазки. Инновационная система Haas распыляет на режущие кромки инструмента умеренное количество смазки при помощи воздушной струи. Количество используемого СОЖ столь мало, что его невозможно увидеть.

Главное преимущество метода — незначительной расход смазочного материала. Количество подаваемых воздуха и охлаждающей жидкости регулируется независимо, т.е. в каждом конкретном режиме работы можно самостоятельно осуществлять регулировки для оптимального охлаждения.

Металлообрабатывающее производство только тогда может считаться эффективным, когда сведено к минимуму количество неприятных сюрпризов, появляющихся в процессе изготовления деталей.

Эффективное производство не может позволить себе увеличение времени цикла изготовления детали, получение исправимого или неисправимого брака. Чаще всего это происходит из-за неправильного закрепления заготовки, неправильного использования инструмента, нагрева заготовки в процессе обработки и т.д. Кроме того, нужно обратить внимание на причины, связанные с выходом из строя шпинделей станков.
На производстве, особенно занимающемся изготовлением деталей высокой точности, при заказе оборудования должны позаботиться об установке максимально подходящих шпинделей. В процессе эксплуатации станка важно, чтобы шпиндель не перегревался, чтобы не было столкновений с заготовками и станочными приспособлениями, а СОЖ и металлическая стружка не просачивались через уплотнения и не повреждали компоненты шпинделя.

ПРИ НАГРЕВЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА РАСШИРЯЮТСЯ
От выделяющегося в процессе обработки тепла могут расширяться не только заготовки, но и сам шпиндель. Происходит это обычно при высокоскоростной обработке и обработке, требующей высокой мощности в течение длительного периода времени. Если расширение шпинделя достаточно велико, он может выдвинуться относительно своего нормального положения, а это, в свою очередь, привести к выходу размеров детали за пределы поля допуска.
При линейном расширении колесико для измерения времени может сместиться относительно датчиков станка настолько сильно, что станок не будет знать точное положение шпинделя, а значит, и инструмента. В результате вполне вероятна остановка станка, это особенно неприятно при его работе в автоматическом цикле. Другая возможная проблема - потеря привязки положения инструмента к положению руки манипулятора для смены инструмента. Рука манипулятора работает в унисон с тягой шпинделя для закрепления инструмента. Если их движения не будут согласованы, то манипулятор может врезаться в инструмент, а манипулятор, инструмент, а также и шпиндель получить повреждения.
Линейным расширением шпинделя можно управлять несколькими методами. Первый метод заключается в подводе к нему охлаждения. Рабочим телом является смесь воды с гликолем. Оно проходит через рубашку охлаждения, его температура поддерживается с помощью станции охлаждения. Второй метод - конструирование шпинделя таким образом, что при нагреве он расширяется не вперед, а назад. Следовательно, точность размера детали не пострадает.

СОЖ ДОЛЖНА БЫТЬ В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ
Шпиндель может быть также поврежден смазочно-охлаждающей жидкостью, проникающей через уплотнения и достигающей подшипников. Проникновение СОЖ в шпиндель - одна из основных причин его поломки. В данном случае у шпинделя два основных врага - системы подачи СОЖ высокого давления и системы подачи СОЖ с большим количеством сопл. Следует точно регулировать сопла для того, чтобы минимальное количество СОЖ попадало в шпиндель станка. В любом случае СОЖ будет попадать на шпиндель, поэтому могут понадобиться дополнительные экраны, механические или лабиринтные уплотнения. Эти уплотнения не должны мешать автоматической смене инструмента. Другим способом, помогающим предохранить шпиндель от попадания СОЖ, является применение системы прочистки шпинделя воздухом. Она включается при смене инструмента, увеличении или уменьшении частоты вращения шпинделя. При изменении частоты вращения шпинделя воздушные потоки и теплота, выделяющаяся от него, заставляют туман из СОЖ проникать в шпиндель. Система прочистки воздухом удаляет СОЖ и тем самым защищает шпиндель от повреждения. Использование системы прочистки воздухом не является необходимым для всех случаев обработки, однако дешевле будет установить ее в качестве опции и сэкономить на ремонте шпинделя. При шлифовании система прочистки воздухом защищает шпиндель и от мелкодисперсной металлический пыли.

КАК ИЗБЕЖАТЬ СТОЛКНОВЕНИЙ
Поломка шпинделя в результате столкновения - достаточно частое явление. Столкновения происходят из-за различных причин. Например, оператор может случайно ввести неверное значение, забыв поставить разделитель, и нажать кнопку. Даже если он сразу же осознает ошибку, времени может не хватить для того, чтобы остановить станок. Одним из способов решения такого рода проблем является использование программного обеспечения для моделирования обработки. Графический интерфейс позволяет по шагам отследить весь процесс и увидеть точки возможного столкновения с заготовкой, приспособлением или самим станком.
Часто приходится вести обработку достаточно близко к станочной оснастке. Например, при фрезеровании или сверлении - близко к тискам. В результате повышается жесткость, а, следовательно, и точность изготовления. Таким же способом борются с вибрациями. Близость инструмента к станочной оснастке при моделировании может обернуться столкновением в реальности. В данном случае, после моделирования программисты обязательно должны предупредить операторов о возможных местах столкновений, и тогда последние будут готовы к прохождению опасных участков при отладке программы на минимальной скорости.
На шпиндель негативное воздействие могут оказывать вибрации, возникающие при недостаточной жесткости системы станок - приспособление - инструмент - деталь. Для некоторых областей применения могут понадобиться антивибрационный инструмент и оснастка, обеспечивающая высокую жесткость крепления инструмента.