Обработка без использования смазочно-охлаждающих жидкостей, или так называемая сухая обработка, представляет большой интерес для производителей. В первую очередь это вызвано возможностью уменьшения затрат, связанных с приобретением охлаждающих материалов, а также общим увеличением производительности.
Однако, для реализации этой идеи недостаточно просто отказаться от использования смазочно-охлаждающих жидкостей. Чтобы достигнуть в этом направлении положительных результатов, необходимо использовать специальные инструменты и станки, применение которых компенсирует потерю смазки, охлаждения и очистки.
Способы компенсации смазочного эффекта
Использование смазочно-охлаждающих материалов позволяет снизить температуру нагрева, уменьшить трение на контактных участках и удалять отработанный материал. Если отказаться от использования смазочно-охлаждающих жидкостей, то эти функции должны быть компенсированы конструктивными особенностями устройства станка, допусками и применяемыми для обработки инструментами. Компенсация эффекта смазки, влияние которой испытывают контактные участки и уплотнения, выполняется одной из первых.
Для обработки заготовки без смазочно-охлаждающей жидкости станок и его детали должны быть способны выполнить свои функции резания (сверления и прочие) в соответствующих условиях, но с сухой стружкой. Так, при выполнении операции резания и сверления алюминиевого сплава отказываться от смазки не всегда возможно. В таких случаях подача смазочных материалов выполняется в виде масляного тумана, распыляемого на контактные участки и режущие кромки.
Это значительно уменьшает выделение тепла при выполнении операций с заготовкой и препятствует налипанию стружечного материала на кромки. Такая дозированная подача осуществляется в пределах 5-100 мл/мин, тогда из-за малого количества масла стружка удаляется как сухая. Содержание в ней смазочных материалов обычно не выше 0,3%, что является максимально допустимой нормой для направления стружки на переплавку. Шпиндель станка, патрон, а в некоторых случаях и инструменты включительно, оснащают для дозированной подачи смазочного материала специальными отверстиями и средствами для распыления. Основными требованиями к такой аэрозольной системе выступают возможность её точной регулировки и быстрой подготовки масляного тумана. Следует учитывать, что при аэрозольном распылении увеличивается загрязнение обрабатываемой заготовки (детали), а также поверхностей рабочей зоны.
Способы компенсации функций охлаждения
Единственным способом компенсации функции охлаждения, в случае отказа от использования смазочно-охлаждающих материалов, являются конструктивные изменения в устройство станка.
Так, при выполнении операции резания эффект выделения тепла наблюдается в своих максимальных значениях. При этом 75-95% тепловой энергии аккумулируется в стружечном материале. Это свойство использовано для отвода тепла путём удаления стружки, образуемой в ходе выполнения операций, с режущей кромки, а также других контактных участков. К настройке станка для возможности сухой обработки нужно подходить очень внимательно, так как неравномерное распределение выделяемого тепла может самым негативным образом повлиять на точность выполняемых с инструментом манипуляций.
Эффект накапливания стружки удаётся минимизировать за счёт изменения угла наклона инструмента и корректировки оси, так как вертикальная (вверх-вниз) обработка выступает наиболее неприемлемым вариантом. Работа настраивается таким образом, чтобы положение инструментов относительно заготовки не позволяло накапливать на контактном участке стружечный материал.
Способы компенсации смывающего эффекта
В наибольшей степени компенсации утраченного смывающего эффекта требует обработка чугуна и других лёгких металлов, после резания и сверления которых образуется пыль и мелкий стружечный материал. Производимое такими мелкими частицами абразивное действие требует организации дополнительной защиты уплотнений и движущихся деталей.
Направление траектории вылета мелкого стружечного материала и пыли неоднозначно, поэтому для их сбора и удаления необходимо использовать силу земного притяжения. Стружка, образуемая при обработке, оседает на горизонтальных поверхностях, в том числе и на ленте специального транспортёра, установленного в нижней части рабочей зоны. Затем стружечный материал отводиться в накопительный контейнер. Если не удалять образующийся мусор, то любые плоскости станка и заготовки могут сыграть роль накопителей мелкой пыли, которая самым негативным образом отразится на качестве и надёжности выполняемой обработки.
Надёжным методом удаления мелких стружечных материалов и частиц выступает использование системы вакуумного всасывания. Специальное всасывающее сопло размещают в непосредственной близости от рабочей зоны, это значительно повышает качество очистки атмосферы вокруг инструмента и обрабатываемой заготовки. Всасываемый воздух возвращается в окружающую среду через специальные фильтры, которые задерживают грязь и не дают ей оседать на рабочих элементах станка.
Существуют конструкции, которые предусматривают крепление сопла как на шпинделе, так и непосредственно на инструментах. Кроме того, используются программируемые системы, обеспечивающие приближение сопла и направление всасываемого воздушного потока в зависимости от положения рабочих элементов. В частности, при выполнении фрезерования для вакуумного отведения мусора, пыли и стружки используется колоколообразное ограждение фрезы, которое улавливает разлетающиеся на большой скорости частицы и отводит их от рабочей зоны.
Все системы всасывания в первую очередь преследуют цель удаления пыли и мелких частиц, а задача выведения крупных стружечных элементов полностью реализуется транспортирной лентой. Если не обеспечить рабочее место вакуумной очисткой, то мелкий мусор, смешиваясь с распыляемым маслом, образует на поверхностях элементов рабочей зоны слой, который оказывает крайне разрушительное абразивное действие на движущиеся детали и уплотнения.
Основы техники безопасности при выполнении сухой обработки
Во время выполнения работ по обработке заготовки без использования смазочно-охлаждающих жидкостей необходимо учитывать, что при достижении пылью в атмосфере вокруг рабочей зоны определённой концентрации, она способна взрываться. Поэтому использование вакуумного очищения является не только рекомендуемым, но и крайне важным. Сопло должно размещаться таким образом, чтобы обеспечить эффективную очистку атмосферы и не допустить критической концентрации мелких частиц.
Опасность воспламенения масла, распыляемого в рабочей зоне, крайне мала, а в случае использования вакуумной очистки атмосферы и отведения крупной стружки транспортиром такая возможность становиться ничтожной. Опасения о возникновении возгорания могут появиться только в том случае, если грубо пренебречь основными требованиями организации охраны труда. В основной массе переход производителя на методы сухой обработки и отказ от использования смазочно-охлаждающих жидкостей происходит легче и проще.
Характеристика станка, выполняющего сухую обработку
Ярким примером образцовых станков многоцелевого использования, выполняющих сухую обработку, выступает продукция Hüller Hille. Станки этой компании отличаются высоким качеством выполняемых операций, а также использованием необходимых средств безопасности. На рисунке No1 имеется изображение модуля технологической системы, предназначенного для выполнения операций по обработке алюминиевого кронштейна автомобильного колёсного диска. Два станка, входящие в состав модуля, при организации 3-х сменного режима работы обрабатывают 1400 пар таких кронштейнов. При этом модулем используется системы дозированной подачи масла, очистки атмосферы и удаления сухого стружечного материала.
Системы дозированной подводки масла при резании лёгких сплавов металлов
Сухая обработка заготовок из серого чугуна не вызывает проблем, но при сверлении, нарезании резьбы и развёртывании изделий из магниевого или алюминиевого сплава подача смазки просто необходима. Если этого требования не придерживаться, то стружечные канавки заготовки значительно забиваются, в результате образуются наросты, которые приводят к выходу инструментов из строя, а также низкому качеству выполнения операций по обработке.
Основным способом дозированной подачи масла при отказе от смазочно-охлаждающих жидкостей является его аэрозольное распыление.
Существует два основных вида подводки масла, которые зависят от особенностей крепления аэрозольных конструкций. В случае с наружной подводкой распыляющее сопло крепится в непосредственной близости от режущей кромки инструмента. Если используется внутренняя подводка, то масло подаётся через каналы, проложенные в инструментах или шпинделе. В этом случае применяются два варианта подачи масляного тумана: в первом случае используется один и тот же канал, а во втором — для подачи воздуха и масла используется соответственно два раздельных канала. Последний вариант наиболее предпочтительный, так как позволяет избежать расслоения смеси.
На рисунке No2 изображено техническое решение, которое в своих станках применяет фирма Hüller Hille для двухканальной подачи масла и воздуха через каналы, проложенные в шпинделе. Масло подаётся в полость дозатора, откуда поступает в накопитель, где уже смешивается с воздухом и выводиться путём аэрозольного распыления. Разбрызгиваемая смесь формируется в непосредственной близости перед каналом вывода. Благодаря настройке и калибровке становится возможным регулировать распыляемый состав в зависимости от особенностей задач обработки и применяемых для этого инструментов.
Используя несложную систему настройки можно включить или полностью выключить подачу масла, а также задать временной интервал его распыления от 0,1 секунды. Такой способ подводки приводит к значительной экономии материалов и уменьшению расходов на обработку заготовки.
Благодаря возможностям настройки распыления, среднее значение потребления масла на примере обработки головок цилиндров составляет всего 25 мл/ч, в то время как расход смазочно-охлаждающей жидкости при аналогичной операции составляет не менее 300-400 л/мин.
Дозированная система подачи тестируется и настраивается в зависимости от особенностей станка и условий обработки. С помощью манипуляций по регулировке легко удаётся достигнуть однородности распыляемой смеси оптимизировать её подачу к контактному участку. Уже проводятся исследования, направленные на разработку адаптивной системы, которая позволила бы управлять параметрами подачи и распыления в зависимости от программируемых условий обработки заготовки. Это в свою очередь позволит обеспечивать стабильную смазку элементов независимо от температурных режимов, показателя вязкости используемого масла и особенностей применяемого инструментария.
Особенности оптимизации рабочей зоны при сухой обработке
Компанией Hüller Hille выпущен в реализацию многоцелевой станок, предназначенный для выполнения сухой обработки заготовок. В конструкцию его рабочей зоны внесли изменения, которые выразились в отсутствии кромок и горизонтальных плоскостей, где могло происходить скопление мелкого мусора и пыли. Для удаления крупного стружечного материала предусмотрены большие размеры окон, ограниченные стенками с углом наклона более 550. Все ограждения станка не имеют лакокрасочного покрытия, чтобы избежать налипания стружечного материала и появления очагов плавления полимеров (подпалин).
На рисунке No3 изображена вертикальная стенка для беспрепятственного выпадения мусора и стружки. Для смены используют манипулятор, вращающийся вокруг своей оси. Для проведения смены самой детали задаётся вертикальное положение, в котором она заменяется манипулятором автоматически или вручную.
Вывод стружки из рабочей зоны осуществляется всасывающей воздух системой, её сопло расположено непосредственно под сеткой транспортёра. Таким образом, из окружающего рабочую зону воздуха удаляются мелкие частицы стружечного мусора и пыль, а крупная стружка удерживается и транспортируется лентой к специальному лотку. Таким образом, отпадает необходимость использования всасывающей системы большой мощности, а вокруг рабочей зоны обеспечена чистота атмосферы.
Иногда стружечный материал вследствие фигурных особенностей обрабатываемой заготовки не выпадает наружу, как это случается с корпусными деталями, имеющими внутренние полости. Для таких случаев станок имеет возможность увеличения оборотов до 500 в минуту-1, тогда под действием центробежной силы стружку выбрасывает из полостей, где та скопилась.
Важное значение также уделено борьбе с загрязнением рабочей зоны. Мелкий стружечный материал, пыль и грязь имеют обыкновение покрывать поверхность деталей и узлов. Но при использовании всасывающей системы очистки этого удаётся избежать. Благодаря небольшой кинетической энергии мелких частиц при разлёте с заготовки их легко удалить из атмосферы воздушным насосом, предупреждая возможность взрывоопасной концентрации пыли и наслоения мусора.
Уже проводятся исследования, направленные на разработку универсальных решений применения всасывающих и очищающих атмосферу систем, обладающих возможностями автоматической смены деталей.
Минимизация термического эффекта
Термический эффект отражается на всех узлах и деталях, принимающих участие в процессе обработки. Минимизировать его влияние можно используя термически симметричную конструкцию станка и 3-х координатное крепление его узлов. Манипулятор, вращаемый по вертикальной оси, установлен на две опоры стойки рамного типа, которая также отражается на термической симметричности конструкции. Благодаря симметрии тепловое влияние испытывают все элементы конструкции одинаково и перпендикулярно контактным поверхностям обрабатываемой заготовки. Узловая связка на нижней части общей станины обеспечивает стойкость конструкции, в верхней части стойка укреплена 3-х координатным узлом.
Если в процессе обработки возникает поступательное смещение станины, то его легко компенсировать.
Термическая симметричность конструкции не принимается во внимание при расчётах по оси Z. Однако, случаи, когда требуется её точное позиционирование, встречаются очень редко. В станках, выпускаемых компанией Hüller Hille предусмотрена дополнительная возможность активной компенсации погрешности при расчётах, связанных с направлением оси Z. Например, модель станка Specht 500T оснащена лазерной системой контроля, которая регистрирует положение контрольных меток шпинделя, определяет их изменения и вводит необходимые поправки.
Перейти к списку статей >>
