Юрий ШМИДТ
Преимущеcтва oбрабoтки металлoв без применения cмазoчнo-oхлаждающей жидкocти (СОЖ) или cухая oбрабoтка звучат пoдкупающе: экoнoмия прoизвoдcтвенных затрат на cмазку и ее oчиcтку, пoвышение прoизвoдительнocти. Однакo недоcтаточно проcто закрыть кран подачи СОЖ. Для оcущеcтвления cухой обработки cтанок должен быть функционально доработан.
Повcемеcтное ужеcточение законов об охране окружающей cреды вынуждает фирмы cводить к минимуму иcпользование СОЖ, например, в зуборезных станках, работающих лезвийным инструментом (фрезерных, долбежных и шевинговальных), а нередко и вовсе от нее отказываться. В первую очередь это относится к зубофрезерным станкам как наиболее массовому виду зубообрабатывающего оборудования, служащим для обработки незакаленных колес, которые обычно затем шевингуют, закаливают и при необходимости шлифуют.
Фрезерование
Безусловно, одна часть этих станков рассчитана на работу с СОЖ, другая на работу без СОЖ, а третья, наиболее многочисленная – на работу в том и другом режимах. Так, фирма Liebherr – Verzahntechnik, одна из успешных германских компаний, выпускающих зубофорезерные станки, производит в год около 130 таких станков. Из них 26 рассчитаны на работу СОЖ, 18 – без СОЖ, а остальные 86 являются комбинированными и могут работать как с СОЖ, так и без нее. При этом переналадка станков на тот или иной режим обработки занимает примерно день.
Основными их потребителями являются заводы автомобильной промышленности, куда направлены около 77% всех изготовленных станков. Практика показала, что без СОЖ можно обрабатывать колеса с модулем менее 4 мм и пределом прочности при растяжении более 1 100 Н/мм2 и характеристики инструмента, температура которого в процессе обработки достигает 300°C, здесь играют не меньшую роль, чем конструктивные возможности станка.
Оптимальными для зубофрезерования без СОЖ можно считать червячные фрезы из быстрорежущей стали, полученной методами порошковой металлургии с титаналюмонитридными покрытиями. Такими фрезами можно изготовить без СОЖ примерно 70% ассортимента указанных выше зубчатых колес. Примерно вдвое меньшая, чем у твердосплавных фрез, скорость резания здесь компенсируется большими подачами или большим числом заходов.
У твердосплавных фрез, которые к тому же втрое дороже быстрорежущих с покрытиями, существуют проблемы с преждевременным сколом режущих кромок. Эти проблемы могут быть решены за счет уменьшения зернистости твердых сплавов и оптимизации качества их покрытий.
Но вернемся к вопросу: зачем вообще нужна СОЖ? При обычном резании она выполняет следующие основные функции: охлаждение, смазка, отвод стружки и удаление загрязнений. Рассмотрим, какие технические решения позволяют решать те же самые задачи полностью или почти «в сухую». При исключении использования СОЖ эти функции должны компенсироваться станком и инструментом.
К многоцелевому станку
Станкостроительной фирмой, которая точно знает, куда идти в развитии сухой технологии, 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 можно привести производственный модуль технологической системы, предназначенной для обработки кронштейна колеса автомобиля. На каждом из двух станков, входящих в модуль, при 3-сменной работе обрабатываются с дозированной подачей СОЖ более 1 400 пар кронштейнов. Обрабатываемый материал – алюминий.
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. Используемые в настоящее время системы по виду подвода такой 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 два технических решения: 1-канальный и 2-канальный подводы. При втором 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.
Интересно техническое решение, используемое фирмой Huller Hille, для раздельной подачи компонентов аэрозоли через вращающийся распределитель к шпинделю.
Срабатывает за долю секунды
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 сек. 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
Кроме шпинделя, созданного в соответствии с требованиями дозированной подами смазки через внутреннюю полость, фирма H?ller Hille выпустила многоцелевой станок Specht 500 T, 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°). 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. На станке Specht 500 T 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.
Пылеотсос
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.
Важно учесть еще и 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. Трехкоординатные узлы, которыми комплектуется станки гаммы Specht, отвечают 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-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, H?ller Hille предлагает дополнительные возможности активной компенсации погрешности по этой оси. Так, станок Specht 500 T 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.
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.
