Проблемы экологически безопасного резания

Подходы к проблеме. Стратегии ведущих стран мира связаны с полным или частичным отказом от применения СОТС при проектировании новых производств ввиду их значительного воздействия на окружающую среду, особенно при использовании таких СОТС, которые содержат опасные для окружающей среды ингредиенты (хлор, сера, водные растворы электролитов и щелочей) [2]. Традиционные подходы к проблеме снижения вредного техногенного воздействия СОТС на окружающую среду связаны с ограничением количества СОТС, подаваемых в зону обработки, заменой токсичных компонентов СОТС на безвредные со сходным физическим действием, использованием методов активизации этих средств и улучшения проникающей способности.

В последнее время все большее применение получают технологии сухого резания с полным отказом от применения СОТС. Такие технологии обычно предполагают использование новых инструментальных материалов с высокой износостойкостью и термодинамической устойчивостью (материалы с износостойким покрытием, режущая керамика повышенной прочности, сверхтвердые материалы) или дополнительных источников энергии.

Известно, что применение СОТС в процессе резания заметно трансформирует основные физические процессы, сопровождающие резание. В частности, такая трансформация связана со значительным уменьшением энергетических затрат на упруго-пластическое деформирование и трение, что, в свою очередь, приводит к снижению термомеханической напряженности зоны резания, режущего инструмента и формируемой поверхности детали. Это позволяет существенно интенсифицировать процесс резания благодаря росту скорости. Поэтому отказ от СОТС требует альтернативной компенсации указанных эффектов.

Технология экологически безопасного резания предлагает использование трех основных элементов в системе резания, компенсирующих отсутствие СОТС:

• • инструмент с многофункциональным покрытием;
• • ионизированную газовую среду;
• • ультразвуковые колебания.

Инструмент с многофункциональным покрытием. Ключевым элементом такой технологии является режущий инструмент с многофункциональным покрытием, включающим износостойкий, трибоактивный и активный слои, чередование которых в супермногослойной конструкции покрытия позволяет выполнить несколько функций:

• • износостойкий слой, имеющий повышенную твердость и термическую устойчивость, позволяет снизить интенсивность изнашивания режущего инструмента в условиях повышенных термомеханических напряжений, характерных для сухого резания;
• • трибоактивный слой, содержащий трибоактивные элементы (например, р-С, MoS₂, соединения йода и др.), снижает трение и интенсивность теплообразования основных фрикционных источников теплоты, компенсируя отсутствие смазочных эффектов СОТС;
• • активный слой содержит Al, Ti, Сг и другие элементы в виде пересыщенных твердых растворов в соединениях тугоплавких металлов, которые адаптированы для взаимодействия с элементами внедрения ионизированной газовой среды (например, 0⁺, С⁺, N⁺ и др.). В результате взаимодействия элементов ионизированной газовой среды и активного слоя многофункционального покрытия на контактных площадках инструмента непрерывно формируются тонкие пленки в виде твердых тугоплавких соединений, что приводит к увеличению сопротивляемости инструмента изнашиванию и одновременному снижению трения, приводящего к изнашиванию.

Для синтеза супермногослойных многофункциональных покрытий разработана нанотехнология с использованием модернизированных вакуумно-дуговых установок.

Ионизированная газовая среда — важный элемент в системе резания согласно технологии экологически безопасного резания.

Введение

ионизированных газовых сред в зону резания необходимо для компенсации охлаждающих, смазочных и пластифицирующих физических эффектов, возникающих в процессе резания при использовании СОТС. Для увеличения проникающей способности ионизированных газовых сред и стимуляции физико-химических процессов в зонах контактирования инструментального п обрабатываемого материалов необходима их активация, например, путем ионизации с использованием электрических разрядов различных видов.

Ультразвуковые колебания, прикладываемые к режущему инструменту, используются для повышения проникающей способности ионизированных газовых сред, особенно при высокоскоростной обработке. Колебания, прикладываемые к режущему инструменту в направлении скорости резания, способствуют дискретизации контактирования инструментального п обрабатываемого материалов, стимулируя проникновение элементов внедрения ионизированных газовых сред к активным слоям многофункционального покрытия. Кроме того, при наложении на режущий инструмент высокочастотных колебаний возможно устранение эффекта неустойчивости стружкообразования, если частота прилагаемых колебаний больше частоты неизотермической неустойчивости деформационных процессов в стружке.

Таким образом, применение технологической системы, интегрирующей эффекты резания с наложением ультразвуковых колебаний, применением ионизированной газовой среды и режущего инструмента с покрытием многофункционального назначения, служит основой создания высокоэффективной технологии экологически безопасного резания.

Эффекты компенсации СОТС. В результате интегрирования нескольких механизмов взаимодействия элементов внедрения ионизированной газовой среды, проникновение которых па контактные площадки с покрытием многофункционального назначения стимулируется ультразвуковыми колебаниями, возникают следующие физические эффекты, компенсирующие основные эффекты СОТС:

• • формируются антифрикционные пленки и упрочняющие фазы (соединения тугоплавких металлов), в результате чего, благодаря уменьшению адгезионной активности инструментального материала (покрытия), снижаются трение, мощность фрикционных источников теплоты, термомеханические напряжения и интенсивность изнашивания контактных площадок инструмента;
• • снижается поверхностная прочность нрирезцовой части срезаемого слоя вследствие высокой проникающей способности элементов внедрения ионизированной газовой среды и последующего расклинивающего эффекта, в результате чего формируются дискретные тины стружек, наиболее удобные для транспортирования из зоны резания;
• • перераспределяются направленность тепловых потоков и их интенсивность, что позволяет: регулировать эффекты упрочнения и разупрочнения инструментального и обрабатываемого материалов; снижать энергетические затраты на процесс резания благодаря разупрочнению обрабатываемого материала в зоне резания; увеличивать сопротивляемость инструментального материала макрои микроразрушению;
• • увеличивается теплопроводность среды, окружающей зону обработки, что позволяет существенно интенсифицировать тепловой поток в окружающую среду и тем самым снизить температуру в зоне обработки.