Юный техник, 2005 № 05 - [11]
Со временем стали замечать: СОЖ не только охлаждают и смазывают деталь, что естественно повышает производительность, но и как бы снижают прочность металла при ее обработке, не влияя на прочность готовой детали. Этот эффект зависел как от химических свойств металла, так и от состава самой жидкости.
Опытным путем установили, например, что СОЖ, помогающая в работе с легированной сталью, бесполезна при работе с чугуном и даже вредна при обработке алюминия.
Первое научное объяснение действия СОЖ на металлы дал советский ученый академик П.А.Ребиндер. Эти жидкости содержат в своем составе особые вещества, которые он называл «понизителями твердости». Попав в мельчайшую клиновидную трещинку на поверхности металла, молекулы веществ — понизителей твердости просачиваются внутрь, как вода в капилляр. При этом они давят на ее стенки с давлением до тысячи атмосфер, что приводит к дальнейшему расширению трещины, а значит, к снижению прочности металла (рис. 2).
На основе теории Ребиндера были созданы СОЖ, уменьшающие нагрузку на резец, охлаждающие его и ускоряющие скорость резания металла. Казалось бы, в принципе проблемы резания металла решены. Но…
В токарном цехе большого завода можно было видеть такую картину. Вращается деталь. На резец течет струя мутно-белой СОЖ. Эта жидкость уносит образующиеся при работе стружки сначала в канавку на бетонном полу. Эта и другие канавки впадают в большие канавы, несущие стружки вдоль цеха. Где-то в конце стружки собирают, отделяют от них СОЖ и возвращают ее обратно на резцы станков, а стружки прессуют и отправляют на переплавку.
Мельчайшие брызги СОЖ, постоянно носящиеся в воздухе цеха, у многих вызывают аллергию. Люди отказывались от работы с ее применением. Не помогает ни защитная одежда, ни усиленная вентиляция.
Были созданы станки-роботы, находящиеся в закрытой капсуле и действующие без прикосновения рук человека. Это значительно улучшило экологическую обстановку в цехах. Но такие станки можно применять далеко не всегда, а кроме того, СОЖ осталась. И как выяснилось, это далеко не безвредное вещество так или иначе в результате случайных утечек все же попадает в окружающую среду.
Можно ли заменить СОЖ чем-то безвредным? В цехе любого завода есть множество агрегатов, приводимых в действие сжатым воздухом. Еще в начале 80-х годов прошлого века его попытались применить для охлаждения резца. Для этого возле резца установили сопло, которое направляло на него мощную струю воздуха. Скорость в ней была близка к скорости звука, и потому она издавала оглушительный шум. С этим можно было бы мириться: существуют специальные противошумовые наушники.
Но оставался главный недостаток такого охлаждения — чрезмерно большой расход воздуха.
Чтобы снизить его, попробовали ионизировать воздух при помощи электрического разряда. Такой воздух химически более активен, потому была надежда, что с его помощью можно подействовать на свойства обрабатываемого металла. На такую возможность в принципе указывали и исследования Ребиндера.
Опыты доказали верность решения. Но ионизация требовала опасно высокого напряжения. Оставался большим расход воздуха. К тому же в воздухе появлялся озон. Он полезен в малых количествах и вреден в больших.
И все же идею удалось, как говорится, довести до ума. В Московском государственном технологическом университете СТАНКИН мне показали озонатор, его главная часть — металлическая трубка. По ее оси проходит высоковольтный провод, на него подано напряжение 12 000 В переменного тока с частотой 1000 Гц. Транзисторный источник высокого напряжения потребляет мощность около 70 Вт. Это и есть ионизатор. Разработали его кандидаты наук Е.Чекалова и В.Турин. Корпус ионизатора заземлен на массу станка, поэтому поражение работающего электричеством исключено. Воздух, входящий в ионизатор, завихряется и движется, вращаясь вокруг высоковольтного провода. Благодаря этому воздух, прежде чем достичь выхода, проходит путь, намного превышающий длину ионизатора. За это время он успевает многократно подвергнуться действию электрических разрядов.
При обработке твердой конструкционной стали марки 45 этот метод помог получить высокую скорость резания и очень низкий износ резца. Чем объясняется этот успех?
Специалисты применяли воздух низкого давления — всего одна атм. Благодаря этому, содержащиеся в нем озон и ионы успевали полностью прореагировать с поверхностью металла. Это приводило прежде всего к снижению прочности металла, а также к уменьшению трения между стружкой и резцом. Все это и устранило основные причины для выделения тепла. Так ученые из СТАНКИНа сделали стружку холодной, совсем ее и не охлаждая. А экологическая экспертиза установила, что в воздухе, прошедшем мимо резца, ионы и следы озона содержатся в ничтожных количествах.
Так что если к нам и в самом деле через какое-то время залетят инопланетяне, им будет легче понять, чем же на самом деле занят токарь. При обработке обычных машиностроительных сталей с весьма умеренной скоростью резания 50 — 100 метров в минуту (0,8–1,7 м/с) может выделяться тепловая мощность около 1,5–3 кВт на мм
