ИННОВАЦИОННЫЕ КОМБИНИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ: ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ MQL, НАНОФЛЮИДОВ И КРИОГЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Управление тепловым состоянием зоны резания и снижением трибологических нагрузок является одним из ключевых факторов, определяющих эффективность современного металлорежущего процесса. В условиях перехода к обработке высокопрочных, жаростойких и композиционных материалов, формирование оптимальных условий в зоне контакта «инструмент-стружка» становится критически важным. Традиционные смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), применяемые десятилетиями в различных видах механической обработки, уже не обеспечивают требуемых показателей качества и производительности при высокоскоростных режимах резания и интенсификации нагрузок.

С ростом доли авиационных, энергетических и машиностроительных изделий из сплавов с высокой теплостойкостью и низкой теплопроводностью (титановые, никелевые, мартенситно-стареющие стали) существенно возрастает тепловая нагрузка, вызывая интенсивный абразивный, адгезионный и диффузионный износ режущего инструмента. При таких условиях методы охлаждения и подачи СОЖ требуют модернизации. Это обусловило разработку и внедрение инновационных технологий охлаждения, основанных не на увеличении количества охлаждающей жидкости, а на изменении её физико-химических свойств, принципов подачи и способов взаимодействия с зоной резания [1, с. 190].

В последние годы комплексные исследования в области комбинированной подачи СОЖ ведутся в научных коллективах по всему миру, включая работы исследователей НАО «Торайгыров университет». Отечественные авторы анализируют эффект сочетания методов минимально-дозированной смазки, нанофлюидов и криогенного охлаждения, показывая их перспективность для обработки конструкционных сталей, алюминиевых и титановых сплавов.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью повышения эффективности охлаждения зоны резания и поиска рациональных комбинированных систем подачи СОЖ, обеспечивающих снижение температуры, уменьшение силы резания, стабилизацию формирования стружки и повышение стойкости инструмента при минимизации экологической нагрузки [2-4, с. 356, с. 55-62].

Современные тенденции развития охлаждающих технологий смещаются от «объёмного» залива зоны резания к потоковым, направленным и комбинированным системам, использующим физические механизмы охлаждения и улучшенную смазочную способность.

Технология MQL предполагает подачу аэрозольной смеси масла и воздуха в количестве 20-50 мл/ч, формируя тонкую смазочную плёнку на поверхности резания. Механизм действия MQL включает:

- снижение коэффициента трения;

- уменьшение адгезионного износа;

- стабилизацию формирования стружки;

- уменьшение температуры резания на 40-70 °C;

- снижение усилий резания на 10-20 % [2, с. 356].

Нанофлюиды - это дисперсии наночастиц размером 20-70 нм (Al₂O₃, CuO, MoS₂, графена и др.) в базовой эмульсии. Их особенности:

- повышенная теплопроводность (до +30–45 %);

- снижение поверхностного натяжения эмульсии;

- повышенная адгезия смазочной плёнки;

- микроподшипниковый эффект наночастиц, уменьшающий трение [4, с. 55-62].

Криогенная подача жидкого азота снижает температуры в зоне резания на 200-350 °C. При обработке труднообрабатываемых сплавов криоохлаждение:

- предотвращает адгезионный нарост;

- снижает интенсивность диффузионного износа;

- уменьшает пластическую деформацию режущей кромки;

- увеличивает стойкость инструмента на 2-3 раза.

Сочетание технологий (MQL + нанофлюиды + LN₂):

- объединяет охлаждающий, смазывающий и трибологический эффект;

- обеспечивает более низкую температуру и меньшее трение;

- создаёт синергетический эффект, превосходящий каждую технологию по отдельности.

По данным международных исследований, гибридные системы увеличивают стойкость инструмента до 150-200 % при обработке сплавов Ti-6Al-4V и Inconel 718 [5-7, с. 14-19, с. 288].

Эффективность современных процессов механической обработки металлов и сплавов определяется совокупностью тепловых, механических и триботехнических процессов, происходящих в зоне контакта режущего инструмента, заготовки и стружки. В отличие от традиционных эмульсий, которые обеспечивают преимущественно конвективное охлаждение, комбинированные системы подачи СОЖ воздействуют на процесс резания комплексно, сочетая изменение теплового баланса, трибологических параметров, характера формирования стружки, а также фазового состояния охлаждающей среды.

В зоне резания образуется значительное количество тепла — до 70-85 % всей энергии резания превращается в теплоту, концентрируясь в узкой области контакта «стружка–инструмент». При недостаточном охлаждении происходит локальное перегревание режущей кромки, рост температуры до 700-900 °С и превышение критической температуры отпускания твёрдого сплава или покрытия инструмента. Именно поэтому применение многокомпонентных систем (MQL + нанофлюиды + LN₂) позволяет принципиально изменить физико-химические условия резания.

Традиционные СОЖ обеспечивают в основном лишь конвективный теплоотвод. Комбинированные системы создают каскадное охлаждение, состоящее из нескольких механизмов:

1. Криогенное охлаждение LN₂

Под действием жидкого азота происходит мгновенное поглощение тепловой энергии за счёт кипения при температуре - 196 °С. Это приводит к:

- резкому снижению температуры режущей кромки;

- предотвращению термического разрушения покрытия TiAlN, TiCN и др.;

- снижению пластической деформации передней поверхности инструмента;

- увеличению стойкости режущей кромки на 80-150 %.

При этом охлаждение носит локализованный характер, что позволяет минимизировать риск тепловых ударов для инструмента.

2. Минимально-дозированная смазка (MQL)

Микрокапли масла диаметром 5-20 мкм, подаваемые с высокой скоростью, проникают в микрополости зоны резания, формируя смазочную плёнку. Это обеспечивает:

- снижение коэффициента трения на 20-35 %;

- уменьшение адгезионного контакта;

- предотвращение налипания стружки;

- уменьшение энергии, преобразующейся в тепло.

Важно отметить, что при подаче LN₂ смазка с поверхности инструмента могла бы конденсироваться и замерзать. Однако MQL подаётся после криогенного охлаждения (в гибридной системе), что исключает этот эффект.

3. Нанофлюиды

Наночастицы (Al₂O₃, CuO, графентовые структуры) обладают повышенной теплопроводностью (на 25-45 % выше базовых масел), обеспечивая:

- ускоренное распределение тепла в объёме жидкости;

- перенос тепловой энергии от зоны контакта в окружающую среду;

- эффект «микроподшипников», снижающий трение.

Таким образом, комбинированный режим создаёт многослойную систему теплоотвода:

- LN₂ - снимает пиковое тепло;

- нанофлюид - распределяет остаточное тепло;

- MQL - снижает трение и теплоприращение.

Этот синергетический эффект недостижим ни одним из методов по отдельности.

Система подачи СОЖ должна быть оптимизирована не только по составу охлаждающей среды, но и по геометрическим параметрам.

1. Угол подачи потока

Исследования показывают, что максимальная эффективность достигается при угле:

- 30-45° к передней поверхности инструмента - для LN₂;

- 20-30° - для MQL;

- прямой направленный поток - для нанофлюидов.

Неправильный угол приводит к тому, что охлаждающее средство взаимодействует не с режущей кромкой, а с стружкой или боковой поверхностью инструмента, резко снижая эффективность охлаждения.

2. Скорость и давление подачи

- давление 4-8 бар для MQL обеспечивает образование устойчивой аэрозольной плёнки;

- давление LN₂ должно быть 6-10 бар в зависимости от материала;

- расход нанофлюида 0,1-0,3 л/мин обеспечивает оптимальную плёнку без потерь.

Параметры подачи особенно важны при обработке нержавеющих сталей и титановых сплавов, которые обладают низкой теплопроводностью и высоким энерговыделением.

Поверхность инструмента испытывает:

- абразивный износ;

- адгезионный износ;

- диффузионный износ;

- окислительный износ.

При комбинированном охлаждении наблюдается:

- уменьшение толщины стружки;

- стабильное пластическое течение;

- отсутствие нароста;

- уменьшение сил резания на 10-25 %.

Это подтверждается работами отечественных исследователей Торайгыров университета.

Завершая анализ, можно сделать вывод, что комбинированные системы воздействуют на процессы резания многофакторно:

- охлаждают → LN₂

- уменьшают трение → MQL

- увеличивают теплопроводность среды → нанофлюиды

- стабилизируют стружкообразование

- снижают силы резания

- уменьшают износ инструмента

- повышают качество поверхности

- повышают стойкость в 1.5-3 раза

Этого невозможно добиться ни при одном отдельном методе.

Сравнение систем подачи смазочно-охлаждающих жидкостей представляет собой ключевой этап оценки их пригодности для обработки различных конструкционных материалов. Эффективность охлаждающей среды определяется совокупностью параметров: температурой в зоне резания, силовыми нагрузками, характеристиками стружкообразования, величиной износа инструмента и качеством обработанной поверхности.

Температура - ключевой параметр, определяющий интенсивность износа инструмента. При традиционной эмульсии температура в контакте передней поверхности резца и стружки достигает 650-850 °С при обработке сталей средней твёрдости.

Применение MQL снижает температуру в среднем на 40-70 °С, что связано с уменьшением трения и предотвращением формирования нароста. Однако MQL ограничено в теплоотводе, поскольку использует минимальное количество жидкости.

Нанофлюиды обладают более высокой теплопроводностью. Исследования показывают снижение температуры резания при точении стали 40Х на 80–120 °С благодаря распределению тепла в объёме эмульсии [4, с. 55-62].

Наиболее значительный эффект наблюдается при комбинированной подаче LN₂ + MQL + нанофлюида, где температура режущей кромки может быть снижена до 350-450 °С, что на 200-350 °С ниже исходных значений при традиционной СОЖ.

Таким образом, выбор системы подачи СОЖ должен осуществляться с учётом баланса между охлаждающей способностью, смазывающим эффектом и технологической сложностью реализации. В то время как традиционные эмульсии и MQL остаются экономически оправданными для стандартных условий обработки, применение нанофлюидов и криогенно-комбинированных систем целесообразно при высоких скоростях резания и обработке труднообрабатываемых материалов, где приоритетом является снижение термической нагрузки и повышение стойкости инструмента.

В таблице 1 представлено сравнительное описание ключевых параметров различных охлаждающих систем, используемых при механической обработке.

Таблица 1.

Сравнение основных параметров охлаждающих систем

Износ режущего инструмента является основным критерием эффективности охлаждения, поскольку напрямую влияет на производительность и себестоимость обработки.

Таблица 2 демонстрирует результаты анализа интенсивности износа инструмента при применении различных методов охлаждения.

Таблица 2.

Износ инструмента при различных методах охлаждения

Качество поверхности является важным параметром при обработке деталей, эксплуатируемых в нагруженных или высокоскоростных узлах.

В таблице 3 приведены данные, отражающие влияние выбранных методов охлаждения на качество поверхности и характеристики стружкообразования.

Таблица 3.

Качество поверхности и параметры стружкообразования

Комбинированная система позволяет:

- увеличить скорость резания на 15-25 %;

- повысить подачу на 10-20 %;

- снизить вероятность возникновения вибраций;

- уменьшить энергоёмкость обработки.

Исследования зарубежных и отечественных авторов подтверждают, что комбинированное охлаждение стабилизирует процесс при обработке труднообрабатываемых материалов, снижая вероятность катастрофического износа инструмента [5-7, с. 14-19, с. 288].

Сравнительный анализ показывает:

- традиционная СОЖ обеспечивает минимальную эффективность;

- MQL - улучшает смазывание, но недостаточно охлаждает;

- нанофлюиды - оптимальны при средних режимах резания;

- комбинированная система - наиболее эффективна при всех режимах, обеспечивая синергетический эффект и значительное повышение эксплуатационных параметров процесса резания.

Практическая реализация комбинированных систем подачи смазочно-охлаждающих жидкостей в условиях промышленной обработки требует комплексного подхода, учитывающего специфику оборудования, свойств обрабатываемого материала, режимов резания и конфигурации режущего инструмента. В отличие от традиционных методов охлаждения, где эффективность определяется в первую очередь расходом эмульсии, современные комбинированные системы функционируют на основе управляемых параметров подачи, что обеспечивает более точный контроль тепловых и трибологических процессов.

Ряд экспериментальных и опытно-производственных исследований, проведённых в Торайгыров университете и зарубежных научных центрах, подтверждает, что интеграция технологий MQL, нанофлюидов и криогенной подачи LN₂ обеспечивает комплексное улучшение технологических показателей обработки различных материалов [2-7, с. 356, с. 288].

Обработка конструкционных и углеродистых сталей является одной из наиболее распространённых операций в машиностроении, что обусловливает необходимость повышения стабильности и производительности процесса.

Экспериментальные исследования показывают, что применение гибридной СОЖ при точении стали 45 и 40Х приводит к следующим результатам:

- снижение температуры зоны резания на 180-220 °С по сравнению с эмульсией;

- снижение сил резания на 12-18 %;

- уменьшение ширины площадки износа VB на 45-60 %;

- повышение стойкости пластифицированной режущей кромки в 2,1-2,4 раза;

- уменьшение шероховатости Ra с 1,2–1,6 мкм до 0,7-0,9 мкм.

Достигнутые результаты связаны с тем, что LN₂ позволяет эффективно охлаждать режущую кромку, устраняя перегрев твердосплавных пластин, а нанофлюиды в составе эмульсии снижают интенсивность абразивного и адгезионного износа. Дополнительный вклад MQL проявляется в стабилизации стружкообразования и уменьшении трения на передней поверхности инструмента.

Применение традиционных СОЖ обеспечивает ограниченный эффект из-за слабого теплоотвода, а MQL при высоких параметрах резания приводит к перегреву кромки. Однако комбинированное охлаждение демонстрирует:

- снижение температуры зоны резания с 850-900 °С до 550-600 °С;

- уменьшение сил резания на 20-30 %;

- снижение вероятности образования нароста на стружке;

- рост стойкости инструмента на 180-220 %;

- улучшение качества поверхности Ra до 0,6-0,8 мкм.

Ключевым преимуществом является предотвращение диффузионного разрушения передней поверхности инструмента за счёт стабилизации температурного режима. LN₂ эффективно поглощает тепло, а нанофлюиды и MQL снижают трение и образование контактных зон с высоким давлением.

На основе анализа экспериментальных данных и практического опыта можно сформулировать следующие рекомендации:

1. Для сталей и алюминиевых сплавов оптимальна схема MQL + нанофлюид, без обязательного LN₂.

2. Для титановых и никелевых сплавов рекомендуется полнопоточная гибридная система LN₂ + MQL + нанофлюид.

3. Угол подачи LN₂ должен составлять 30-45°, а MQL — 20-30° для максимального проникновения в зону резания.

4. Концентрация наночастиц должна находиться в пределах 0,1-0,3 %, чтобы избежать агломерации.

5. Поддержание давления MQL в диапазоне 4-8 бар обеспечивает оптимальное образование аэрозольной плёнки.

Проведённые аналитические и практические исследования комбинированных систем подачи смазочно-охлаждающих жидкостей при обработке металлов и сплавов подтверждают высокую эффективность современных многокомпонентных охлаждающих технологий по сравнению с традиционными эмульсионными методами. Показано, что применение гибридных систем, объединяющих минимально-дозированную смазку, нанофлюиды и криогенное охлаждение жидким азотом, обеспечивает комплексное воздействие на тепловые, механические и трибологические процессы, происходящие в зоне резания.

За счёт многоступенчатого механизма теплоотвода и снижения коэффициента трения комбинированная система позволяет значительно снизить температуру в зоне резания, уменьшить силы резания и обеспечить равномерное формирование стружки. Существенное снижение температурных пиков предотвращает развитие диффузионного и окислительного износа, тогда как применение наночастиц в составе СОЖ улучшает теплопроводность охлаждающей среды и обеспечивает дополнительную стабилизацию смазочного слоя на контактных поверхностях.

Экспериментальные данные показывают, что применение гибридных систем подачи СОЖ приводит к увеличению стойкости режущего инструмента при обработке сталей, титановых и никелевых сплавов в 2-3,5 раза, снижению сил резания на 15-30 %, уменьшению шероховатости Ra до 0,5-0,9 мкм, а также к улучшению стабильности технологического процесса. Эти результаты подтверждают, что комбинированные методы охлаждения обладают выраженным синергетическим эффектом, недостижимым при использовании отдельных технологий подачи СОЖ.

Высокая технологическая результативность сопровождается и экономическими преимуществами, включая снижение расходов на инструмент, повышение производительности, сокращение числа внеплановых остановок оборудования и уменьшение расхода эмульсий. Это делает комбинированные системы подачи СОЖ перспективным направлением для внедрения в высокотехнологичные отрасли машиностроения, где требования к качеству поверхности, точности обработки и стойкости инструмента наиболее критичны.

Таким образом, результаты исследования позволяют заключить, что комбинированные системы подачи смазочно-охлаждающих жидкостей являются наиболее эффективным решением для обработки современных конструкционных, жаропрочных и труднообрабатываемых материалов. Их широкое внедрение способствует повышению технологической надёжности, улучшению качества продукции и оптимизации производственных затрат, что определяет высокую актуальность дальнейших исследований в направлении совершенствования состава нанофлюидов, геометрии подачи и адаптивного управления охлаждающими потоками.