СОЖ и охлаждение при фрезеровании: обдув, туман, эмульсия или сухое резание и что выдержит станок по дереву

Что делает охлаждение и без чего можно обойтись

У охлаждающей жидкости три задачи: убрать тепло из зоны реза, смазать контакт стружки с кромкой, чтобы металл не приваривался, и вынести стружку, чтобы фреза не резала её второй раз. Есть и четвёртая: присадки снижают трение на кромке и защищают от прямого контакта инструмента с деталью. Какая из задач главная, зависит от материала.

Чугун и большинство латуней можно резать всухую. У алюминия проблема не в нагреве, а в налипании: мягкий металл схватывается с кромкой, и нужны смазка и хороший отвод стружки. Нержавеющая сталь плохо проводит тепло, кромка нагревается сильнее, чем при резании углеродистой стали, а стружка вязкая, поэтому для неё нужна жидкость: детали в статье про фрезеровку нержавейки. Дереву жидкость не нужна совсем. Пластики тоже обходятся без неё: по Harvey Tool, для чувствительных материалов вроде пластика берут воздух, чтобы не было теплового удара.

Четыре способа

Harvey Tool описывает воздух так: охлаждает и убирает стружку, но смазки не даёт. Туман подают с низким давлением, когда нагрев и отвод стружки не критичны. Полив низким давлением создаёт смазку и смывает стружку, не давая ей попасть под фрезу. Подача под давлением больше 1000 psi (около 70 бар) нужна для глубоких отверстий и на станках по дереву не применяется.

Что выбрать под материал

Покрытие фрезы тоже влияет на выбор: у полированной фрезы и фрезы с ZrN или TiB₂ налипание меньше, и воздуха может хватить. Подбор фрезы описан в статье про фрезы по металлу.

Эмульсия: концентрация и контроль

Эмульсия — это вода с маслом и присадками. Для водных эмульсий обычно называют диапазон 3–10%, чаще 5–8%. Точное значение для вашей жидкости указано в паспорте, и оно может зависеть от операции.

Для бака на 20 л и концентрации 6% концентрата нужно 20 × 0,06 = 1,2 л, воды 18,8 л. Порядок смешивания указан в паспорте жидкости, обычно концентрат вливают в воду.

Концентрацию проверяют рефрактометром: он показывает показатель преломления в градусах Brix, а процент получают умножением на коэффициент жидкости из паспорта. Если коэффициент, к примеру, 1,5, показание 4 Brix означает 6%. Типичный pH составляет 9–10. В промышленности раз в неделю меряют концентрацию, pH, нитриты и нитраты. Признак того, что эмульсия «закисла»: запах после выходных. Для алюминия берут жидкость, для которой в паспорте указано, что она подходит для алюминиевых сплавов: некоторые щелочные составы оставляют на нём тёмные пятна.

Воду с мылом вместо эмульсии не используют: такая смесь вредит цанге и шпинделю. На магнии водные СОЖ не применяют вообще. За бак следят: масляную плёнку снимают, уровень держат выше заборника, а при пене сначала проверяют уровень и жёсткость воды и только потом концентрацию. Заболевшую эмульсию надёжнее слить и продезинфицировать бак, чем лечить биоцидами.

Мелкий туман эмульсии вредит лёгким. По рекомендации NIOSH, среднее содержание аэрозоля металлообрабатывающих жидкостей в воздухе не должно превышать 0,4 мг/м³, поэтому над зоной реза нужны кожух и вытяжка, а отработанную эмульсию сдают как отход, а не сливают в канализацию.

Туман MQL

MQL (minimum quantity lubrication) подаёт масло с воздухом через сопло, направленное на кромку. К MQL относят расход меньше 50 мл масла в час. За смену 8 часов это меньше 0,4 л, и стружка остаётся сухой, а деталь покрыта тонкой масляной плёнкой, которую стирают салфеткой. Подача бывает внешней, через сопло в рабочей зоне, и внутренней, через шпиндель и инструмент; у портальных станков по дереву она, как правило, внешняя.

У MQL есть границы. Охлаждает он слабо, поэтому на нержавейке и при длинных проходах по стали, как правило, не справляется. Та же статья оговаривает, что MQL подходит не для всех процессов и станков, и нередко жидкостное охлаждение остаётся рядом. Масло в тумане оседает на всём, что рядом: на столе, на кожухе, на фильтре аспирации.

Пример: карман 40×60×8 мм в Д16Т и серия из 200 деталей

Твёрдосплавная фреза Ø8 мм с двумя зубьями, 15 000 об/мин, то есть Vc = π × 8 × 15 000 / 1000 ≈ 377 м/мин. Подача на зуб в пазу, по калькулятору режимов, 0,028–0,039 мм, берём 0,035. Минутная подача 15 000 × 2 × 0,035 = 1050 мм/мин. Глубина за проход 3 мм, ширина реза — весь диаметр 8 мм. Объём снимаемого металла Q = 3 × 8 × 1050 = 25 200 мм³/мин, то есть 25,2 см³/мин.

Весь карман — 40 × 60 × 8 = 19 200 мм³, то есть 19,2 см³. Даже если считать, что фреза режет паз во всю ширину, на карман уходит 19,2 / 25,2 ≈ 0,76 мин, около 46 секунд, а стружки получится 19,2 × 2,7 = 52 г. Это оценка сверху: после первого прохода ширина реза меньше, и время короче.

Что из этого следует. Одна деталь греется меньше минуты, тепла мало, поэтому главная задача — вынести 52 г стружки из закрытого кармана глубиной 8 мм, и тут справляется воздух из сопла и аспирация для металла. А вот серия из 200 деталей набирает 200 × 46 с ≈ 2,5 ч резания, 10,4 кг стружки и расход тумана не больше 2,5 × 50 ≈ 125 мл. Фреза работает долго, налипание накапливается, и туман выигрывает у сухого резания, а лить эмульсию на вакуумный стол всё равно не нужно. Расчёт режимов под конкретную фрезу: режимы резания при фрезеровании.

Что не любит жидкость на станке по дереву

• Рейки и направляющие. Эмульсия смывает смазку, а на зубчатой рейке и направляющих появляется ржавчина. Узлы нужно закрыть кожухом или хотя бы лентой, смазку обновить после смены.
• Вакуумный стол. Жидкость и стружка попадают в каналы и к насосу. Для металла прижимают заготовку механически, как описано в статье про вакуумный стол.
• Аспирация. Масляный туман и мелкая древесная пыль слипаются в рукавах и фильтрах. Алюминиевую стружку и металлическую пыль нельзя пускать в тот же мешок, что и древесную.
• Сжатый воздух. Обдуву нужен осушитель, иначе вода и масло из компрессора попадут в зону реза; расход считают по статье про компрессор.
• Электрика. Шаговые двигатели, датчики и разъёмы не рассчитаны на брызги. Станки с поддоном и сливом делают именно для этого.

Что предусмотрено для жидкости, смотрите в паспорте станка: у станков под дерево и мягкие металлы подача СОЖ нередко идёт отдельной опцией. Например, в спецификации Wattsan M1 1325 на wattsan.com в списке обрабатываемых материалов указаны алюминий и медь, стол T-образный или вакуумный с насосом 5,5 кВт, система смазки ручная, а подача СОЖ среди характеристик не названа. Поэтому вопрос про жидкость задают производителю письменно до покупки.