Криогенная обработка: еще один вариант?

19 Октября 2012

Механическую криогенную обработку можно рассматривать в качестве одной из возможных альтернатив применению СОЖ при резании. Термическая криогенная обработка является достаточно популярным способом повышения износостойкости инструментов. Во многих случаях экономическая эффективность криогенной обработки остается под вопросом, но ее экологическая ценность несомненна.

Одним из наиболее существенных недостатков обработки резанием является ускоренный износ режущего инструмента вследствие возникающего при стружкообразовании тепла. Для минимизации этого процесса обычно используют смазочно-охлаждающую жидкость (масло или эмульсию).

В порядке эксперимента

Использование смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) приводит к возникновению целого комплекса экологических и технико-экономических проблем. Необходимость рециркуляции, удаления и утилизации СОЖ увеличивает стоимость обработки. Используемые жидкости приводят к возникновению кожных заболеваний у рабочих (дерматит).
Получившая в последнее время за рубежом довольно широкое распространение так называемая сухая обработка (без применения или с минимальным применением СОЖ) в значительно большей степени снижает стойкость инструмента, чем обработка с СОЖ, и часто отрицательно влияет на структуру получаемой поверхности. Поэтому в большинстве случаев она приемлема лишь при условии, что качество детали будет, по крайней мере, не хуже, а время обработки не больше, чем при использовании СОЖ.
В качестве одной из возможных альтернатив применению СОЖ при обработке, в первую очередь, труднообрабатываемых материалов, например титановых сплавов, можно рассматривать криогенную обработку. Экспериментальные данные по ее использованию при алмазном точении коррозионно-стойкой стали, точении аустенитных сталей и титановых сплавов, чугунов, обработке композитов из кевлара, шлифовании подшипниковых и углеродистых (низко- и высокоуглеродистых) сталей свидетельствуют о существенном повышении стойкости инструмента по сравнению с использованием обычной СОЖ.
Однако применение таких расходных материалов, как жидкий азот и углекислый газ, повышает стоимость криогенной обработки, и поэтому во многих случаях ее экономическая эффективность остается под вопросом, хотя экологическая ценность несомненна.

Охлаждать инструмент, а не заготовку

Из двух сжижаемых негорючих газов, подходящих для использования при криогенной обработке (азота и двуокиси углерода), явные преимущества у азота, поскольку точка его кипения -196°С (у двуокиси углерода — -44°С).
Азот стремится к испарению (в то время как двуокись углерода образует сухой лед), при котором поднимается вверх, поскольку он легче воздуха (двуокись углерода тяжелее). Кроме того, азот дешевле двуокиси углерода. Стоимость 1 л жидкого азота составляет порядка 0,085 долл. США.
Механизм воздействия жидкого азота на структуру металла до конца не изучен. При исследовании ряда материалов, подвергнутых криогенной обработке, например, при точении низко- и высокоуглеродистой, подшипниковой стали, титанового сплава и алюминия, оказалось, что низкотемпературному охлаждению заготовку подвергать не следует. В этом случае металл заготовки увеличивает свои твердость, прочность, истираемость по отношению к режущему инструменту, а предварительное резкое охлаждение повышает возникающие при обработке силы резания.
Жидким азотом следует охлаждать инструмент (из быстрорежущей стали или твердого сплава), который криогенная температура делает более твердым и прочным. При его проверке на ударную нагрузку также выяснилось, что хрупкость инструментального материала изменяется незначительно, а его разрушение не убыстряется.
Практика показала, что из ряда возможных способов доведения жидкого азота до инструмента наиболее эффективным является его непосредственная подача на вершину инструмента, т. е. в зону контакта с заготовкой. В данном случае удается достичь наибольшего эффекта охлаждения. При этом поток жидкого азота пропорционален количеству тепла, возникающего в процессе резания; заготовка в целом сохраняет постоянную температуру, что предотвращает возникновение у нее размерных отклонений и геометрических деформаций.

Принципиальная схема процесса

Принципиальная схема криогенной обработки (точения или фрезерования) приведена на рисунке 1. Струю жидкого азота подают через микросопло, расположенное между передней поверхностью режущей пластины и стружколомом, который должен приподнять стружку таким образом, чтобы она не мешала струе жидкого азота войти в зону контакта между инструментом и заготовкой, где выделяется максимальное количество тепла. Азот, поглощая это тепло, быстро испаряется, образуя между стружкой и поверхностью инструмента «подушку» из газа и жидкости и вызывая такой смазочный эффект, какой не может вызвать никакая другая криогенная жидкость. В результате уменьшаются вторичная деформация стружки, коэффициент трения и износ инструмента. Для дополнительного охлаждения инструмента вблизи его вершины можно установить второе, дополнительное сопло. При этом корпус инструмента практически не охлаждается и сохраняет свою прочность.

Улучшение процесса дробления стружки происходит по трем направлениям: охрупчивание стружки вследствие ее резкого охлаждения, улучшение структуры ее зерна вследствие уменьшения вторичной деформации и рекристаллизации и улучшение ее изгиба стружколомом. Ликвидируется также часто встречающаяся проблема возникновения нароста на режущей кромке, поскольку резкое охлаждение в зоне контакта уменьшает возможность приваривания стружки. Высокое давление струи жидкого азота способствует быстрому удалению нароста, обеспечивая тем самым возможность высокоскоростной обработки с получением высокого качества поверхности.
Система из двух сопел, предназначенных для подачи жидкого азота к инструменту, показана на рисунке 2. В нижней части стандартного стружколома с помощью электроэрозионной обработки сформированы каналы, по которым жидкий азот через специальное отверстие поступает к режущей пластине, а оттуда на ее режущую кромку. Сопла выполнены из износостойкого материала. На практике жидкий азот подают из обычного установленного рядом со станком баллона под давлением 14-23 бар через магистраль длиной около 2,5 м непосредственно к соплу по трубке с наружным диаметром 1,5 мм и толщиной стенки 0,15 мм. Эта магистраль выполнена из коррозионно-стойкой стали с внешней изоляцией и способна выдерживать давление свыше 175 бар.

Поскольку на токарных станках с ЧПУ, например, используют несколько инструментов, жидкий азот можно подавать через револьверную головку. Распределительная быстросменная магистраль для его подачи проходит внутри станка. Такая самоцентрирующаяся полностью уплотненная конструкция с вакуумной изоляцией позволяет снабжать жидким азотом в определенном порядке все задействованные в технологическом процессе инструменты. При индексировании револьверная головка перед поворотом выдвигается на 6,3 мм и после достижения требуемой позиции возвращается в прежнее положение, а новая магистраль для подачи жидкого азота автоматически подходит к распределителю. Сопло со стружколомом спроектировано как единая составляющая системы крепления инструмента. Для подачи жидкого азота предусмотрены каналы, соединяющие инструмент с револьверной головкой, в то время как оператор крепит на ней инструмент. Поскольку расход жидкого азота небольшой, то одного баллона стандартной емкости вполне достаточно для целого дня работы станка. Баллон можно повторно заполнять азотом. Сервоуправление включением и отключением подачи азота и его распределением по рабочим позициям станка производится от его УЧПУ через шаговый двигатель и игольчатый клапан. Параметрами обратной связи, по которым автоматически регулируется этот клапан, являются крутящий момент и скорость вращения приводного двигателя станка, сила или температура резания.

Обрабатывая титановый сплав

В качестве примера рассмотрим криогенную обработку одного из наиболее труднообрабатываемых и часто применяемых в авиации титановых сплавов — Ti-6AI-4V. Хотя при обработке на станке мод. Cinturn 1408С фирмы Cincinnati Milacron (с приводом мощностью 23 кВт) заготовки диаметром 50 мм и длиной 500 мм с глубиной 1,25 мм и подачей 0,25 мм/об по мере увеличения скорости резания стойкость инструмента снижается, при использовании жидкого азота она всегда остается выше, чем при использовании СОЖ (табл. 1).

Чем выше скорость резания, тем больше перепад между величинами стойкости. То есть применение жидкого азота наиболее эффективно при высокоскоростной обработке. Исходя из указанных в таблице 1 скоростей резания, можно рассчитать стоимость обработки этой детали при использовании СОЖ и жидкого азота (табл. 2).

Проанализируем приведенные в таблице 2 данные, и сделаем некоторые выводы. Криогенная обработка позволяет исключить систему нагнетания и очистки СОЖ, стоимость которой составляет обычно 10-30% от стоимости станка. Хотя в то же время возникают расходы на подачу жидкого азота (цена этой системы — порядка 5000 долл.).
Стоимость криогенной обработки по сравнению со стоимостью обработки с СОЖ снижается за счет уменьшения общего времени смены инструмента в связи с увеличением периода его стойкости и, соответственно, снижением расходов на сам инструмент, и повышением скорости резания. Это приводит к общему сокращению времени резания.
Несмотря на то что в течение некоторого периода времени СОЖ можно использовать повторно, ее в конце концов необходимо утилизировать, а это стоит, например, в США вдвое дороже, чем покупка новой СОЖ.
Поскольку жидкий азот является расходным материалом, то его стоимость напрямую связана с потребляемым объемом. При работе с двумя соплами часовой расход азота — в среднем 40 кг (общая стоимость 3,5 долл.), а с одним — 30 кг (2,6 долл.). С увеличением скорости резания время обработки снижается, что ведет к сокращению расхода и, соответственно, понижению стоимости азота.
Стоимость изготовления детали кроме стоимости материала заготовки включает, как известно, стоимость ее обработки, а также инструмента и охлаждающего средства. Сравнение этой стоимости при обработке с двумя типами охлаждения (СОЖ и жидким азотом) показывает, что при охлаждении жидким азотом она ниже потому, что стойкость инструмента выше, а жидкий азот — дешевле СОЖ. Причем чем выше скорость резания, тем больше разрыв по стоимости. Для титановых сплавов, которые обычно обрабатывают со скоростями не выше 60-90 м/мин, это не столь актуально, но для углеродистых сталей, скорость обработки которых значительно выше, охлаждение жидким азотом, который к тому же экологически безопасен, имеет неплохие перспективы. Эти перспективы высоко оценены на ряде американских авиационных заводов.

Без внутренних напряжений

Криогенная обработка жидким азотом является одним из довольно часто применяемых в зарубежной практике способов повышения твердости и износоустойчивости инструментов, преимущественно режущих, снятия их внутренних напряжений и улучшения качества поверхности. Это осуществляется в результате перехода остаточного аустенита в мартенсит (у термообработанных сплавов на базе железа нередко с 40% до 1%). Хотя твердость инструмента при этом увеличивается незначительно (на 1-2 HRC), ее колебания в самом инструменте значительно уменьшаются. Снятие внутренних напряжений и повышение износоустойчивости особенно важны для крупных инструментов, например штампов.
Инструменты при обработке не опускают в жидкий азот, а закладывают в криогенный теплообменник, где они за 8 ч достигают температуры -196°С и выдерживаются при ней в течение 8-20 ч. Затем охлажденные инструменты подвергают повторному отпуску (при температуре -149°С, по рекомендациям американских специалистов), чтобы снять напряжения, вызываемые вновь образовавшимся мартенситом.
Стоимость криогенной обработки инструментов вместе с повторным отжигом пока довольно велика и достигает 6-8 долл. для цельной трехзубой концевой фрезы и 3 долл. для фасонной. Инструментальные заводы, осуществляющие массовое производство инструментов, и крупные машиностроительные заводы, где эти инструменты потом применяются в большом количестве, могут купить криогенную установку (рис. 3), которая стоит порядка 45 тыс. долл.
Наиболее часто рекомендуемыми кандидатами для этой установки являются широко применяемые инструменты из быстрорежущей стали и твердого сплава — сверла, концевые фрезы, протяжки, развертки, дисковые и ленточные пилы. Для размерной стабилизации криогенной обработке могут быть подвергнуты и эталонные плитки, выполняемые из высоколегированных сплавов.
Кроме достаточно высокой цены к числу недостатков криогенной обработки относится образующаяся после нее на инструментах пленка толщиной примерно 25 мкм. Поэтому затачивать инструменты следует только после этой обработки.
Криогенная обработка не достигла пока той стадии технической и экономической зрелости, которая может в настоящее время заинтересовать российские предприятия ее практическим применением. Но с неизбежным ужесточением законов о защите окружающей среды (в отношении обработки на металлорежущих станках) и ростом конкуренции в производстве режущих инструментов вышеприведенные преимущества этой обработки, несомненно, привлекут внимание российских производителей и, возможно, заставят их сделать практические выводы.

МНЕНИЕ СПЕЦИАЛИСТА

Александр Авраамов, главный технический эксперт фирмы CF Technologies.
Новейшая тенденция в области лезвийной обработки, а также термообработки с использованием сжиженных газов весьма актуальна для развития и внедрения, так называемых высоких технологий на передовых машиностроительных предприятиях России и СНГ. Есть все основания полагать, что уже в ближайшее время «криогенная» лезвийная обработка перейдет из стадии экзотики в заводскую практику, определяя, в конечном счете, конкурентоспособность производителей высокотехнологичной продукции и современных инструментов (турбостроение, производство двигателей разного рода, производство нового поколения режущего и вспомогательного инструмента и штамповой оснастки).
При достаточно высоком спросе на технологическое оборудование, позволяющее применять жидкий азот, стоимость таких станков на рынке может достичь приемлемого для потребителей уровня. В настоящее время цена такой опции (дополнительное оборудование за отдельную плату) довольно высока, принимая во внимание уникальность системы и необходимость соответствующей доработки серийных станков и серийного инструмента.
Надо отметить, что станкостроительные фирмы, являющиеся лидерами мирового станкостроения, могут укрепить свое положение на рынке, предложив подобную опцию. Однако, исходя из опыта нашей фирмы, комплектация технологического оборудования подобными опциями может реализовываться лишь при условии устойчивого спроса со стороны заказчиков и наличия фирм, специализирующихся на поставке криогенной оснастки производителям станков по приемлемой цене. Пока таких примеров не встречалось.

Владимир Потапов
Журнал «Оборудование: рынок, предложение, цены», № 07, июль 2003 г.