Давление и расход СОЖ при подаче через инструмент

Мелкому сверлу с внутренним подводом нужно давление, крупному расход. По каталогам производителей инструмента монолитным твердосплавным свёрлам диаметром 4-14 мм нужно от 16 до 60 бар в зависимости от диаметра и глубины отверстия, а сверлу со сменными пластинами Ø25-40 мм важнее 14-32 л/мин при 10-30 бар. Ниже таблицы Sandvik Coromant, Walter и FRAISA, расчёт насоса и требования к фильтру, баку и самой СОЖ. Способы подачи и установка сопел разобраны в статье подача СОЖ в зону резания, здесь только подача через инструмент.

Давление или расход: что нужно сверлу

Стружку из отверстия выносит поток жидкости, а давление нужно, чтобы протолкнуть этот поток через каналы сверла. В бюллетене Master Fluid Solutions о глубоком сверлении сказано коротко: стружку двигает объём, а не давление, и давление объёма не гарантирует. С ростом диаметра каналы в сверле становятся шире, и чтобы держать в них прежнее давление, насосу приходится качать всё больше жидкости. Sandvik Coromant поэтому советует насос с регулируемым давлением: на крупных свёрлах давление снижают, а расход держат.

Таблица Sandvik показывает, какое давление получится на сверле, если насос подаёт 20 или 40 л/мин:

Насос на 20 л/мин, которому хватает сверла Ø12 мм, на сверле Ø25 мм даёт 12 бар, а на Ø40 мм давления почти нет. Поэтому 70 бар на шильдике насоса ещё не значат, что крупному сверлу хватит жидкости.

Сколько давления нужно: цифры производителей

FRAISA даёт давление для монолитных свёрл на эмульсии таблицей, Walter диаграммой: нижняя граница относится к сверлу длиной 5×D, верхняя к 30×D. Расход в последнем столбце снят с диаграммы Walter для давления 30 бар. Walter оговаривает, что значения получены в лаборатории и на конкретном станке могут отличаться.

Цифры двух производителей расходятся, особенно на мелких диаметрах, поэтому таблица только ориентир, а окончательное давление берут из каталога конкретного сверла. Тенденция у обоих одна: чем меньше диаметр и глубже отверстие, тем выше давление. Свёрлам меньше 3 мм FRAISA даёт 60-80 бар, Walter для Ø0,7 мм 30-70 бар, хотя через такое сверло при 70 бар проходит около 16 мл/мин. При минимальной смазке через инструмент (MQL) FRAISA снижает требования до 7-14 бар.

Mitsubishi Materials называет нижний порог: давление выше 1 МПа (10 бар) нужно, чтобы жидкость дошла до кромки, особенно на отверстиях глубиной от 5×D и в труднообрабатываемых материалах.

Расход растёт с диаметром. По диаграммам Walter для свёрл со сменными пластинами меньший расход соответствует нижней границе давления, больший верхней:

• Ø15 мм: 15-40 бар, 9-18 л/мин;
• Ø25 мм: 10-30 бар, 14-24 л/мин;
• Ø40 мм: 10-23 бар, 18-32 л/мин;
• Ø50 мм: 10-20 бар, 19,5-33 л/мин.

Для резцов с соплами Sandvik закладывает 20 л/мин на державку с тремя соплами по 1 мм при 80 бар и умножает эту цифру на число инструментов, которые работают с подачей одновременно. Расход через сопло или канал можно оценить сверху по формуле Q ≈ 0,67 × d² × √p, где Q в л/мин, d диаметр отверстия в мм, p давление в бар. Это пересчёт формулы из бюллетеня Master Fluid Solutions, реальный расход ниже из-за трения в каналах. Для трёх сопел по 1 мм при 80 бар формула даёт около 18 л/мин, близко к цифре Sandvik.

Как проверить подачу на станке

• Расход на выходе. Sandvik советует мерить его секундомером и ведром: направьте струю из сверла в мерную ёмкость, засеките время и пересчитайте в литры в минуту.
• Струя из горизонтального сверла. По Sandvik она должна лететь не меньше 30 см, не провисая вниз.
• Звук и стружка. Ровный звук означает нормальный отвод стружки, прерывистый говорит о заклинивании, как и длинная изогнутая стружка вместо завитков. Среди мер Sandvik называет проверку расхода и давления СОЖ.
• Лишние выходы. Открытые наружные сопла и каналы инструментов, которые сейчас не режут, увеличивают площадь выхода, и насос не набирает давление. Sandvik советует перекрывать наружную подачу у инструментов с внутренним подводом.
• Каналы и сетки. Шлам забивает узкие каналы инструмента и сетку на заборе насоса. Перед заменой эмульсии систему промывают очистителем для систем подачи СОЖ.

Манометр станка показывает давление в магистрали, а не на кромке. Если стружка не выходит при нормальных цифрах на манометре, проверяйте расход на выходе из сверла.

Какой насос нужен

• Одноступенчатые центробежные перекачивают жидкость со стружкой на фильтр. У Grundfos MTA напор 4,9-13,5 м, то есть примерно 0,5-1,3 бар, и они пропускают стружку до 10 мм.
• Многоступенчатые центробежные погружные ставят на крышку бака. Grundfos MTH и SPK дают до 7-10,5 бар, MTR до 20-32 бар, отдельное высоконапорное исполнение до 38 бар. Grundfos делает их именно для подачи СОЖ на станках. Напор центробежного насоса падает с ростом расхода.
• Винтовые работают на высоком давлении. Это объёмные насосы: подача почти не зависит от давления, а лишнее сбрасывают через клапан или снижают оборотами. KNOLL KTS по паспорту подаёт от 1 до 900 л/мин при давлении до 200 бар, Grundfos выпускает винтовые MTS до 130 бар для глубоких глухих отверстий.
• Мембранные, например Hydra-Cell, тоже объёмные. Производитель Wanner заявляет давление до 2500 psi (около 170 бар) и допуск частиц до 800 мкм в зависимости от модели.

Высоконапорный насос выгоднее ставить с частотным регулированием. KNOLL в системе PQ-Tronic задаёт давление под каждый инструмент командой из программы в диапазоне 0-150 бар и оценивает экономию энергии в 50-70 %. Насосов и фильтров в нашем каталоге нет, их подбирают вместе с производителем станка или насоса.

Мощность насоса и нагрев бака

Гидравлическую мощность считают по формуле P = p × Q / 600, где P в кВт, p в бар, Q в л/мин. Мощность на валу больше в 1/η раз, η это КПД из паспорта насоса: у погружных центробежных насосов Grundfos максимальный КПД по каталогу от 35 до 80 % в зависимости от модели.

Пример: держать 70 бар при 20 л/мин. Гидравлическая мощность 70 × 20 / 600 ≈ 2,3 кВт, двигатель нужен заметно мощнее. Ориентир из каталога KNOLL: в примере подбора винтового насоса для эмульсии на 80 бар и 19 л/мин (гидравлическая мощность около 2,5 кВт) стоит двигатель 5,5 кВт. Насосу полива на 100 л/мин при 3 бар хватает 3 × 100 / 600 = 0,5 кВт гидравлической мощности: высокое давление даже при небольшом расходе требует в несколько раз больше энергии.

Почти вся эта мощность в итоге уходит в тепло: жидкость греется в каналах, на кромке и в перепускном клапане. 2,3 кВт за час без отвода тепла нагреют 200 л эмульсии примерно на 10 °C. Поэтому высоконапорную систему дополняют охладителем, а частотное регулирование, по данным KNOLL и Grundfos, снижает нагрев СОЖ. Объём бака Sandvik советует брать в 5-10 раз больше минутной подачи насоса: при 40 л/мин это 200-400 л.

Фильтр, пена и концентрация

Sandvik советует фильтр 20 мкм. KNOLL для винтовых насосов связывает номинальную тонкость фильтрации с давлением и твёрдостью частиц:

• незакалённая сталь, серый чугун, цветные металлы: 60 мкм при 30 бар, около 40 мкм при 120 бар;
• закалённая сталь, алюминий с высоким содержанием кремния, абразив КНБ и алмаз: 35 мкм при 30 бар, около 27 мкм при 120 бар;
• твёрдый сплав, керамика, корунд, стекло: около 12 мкм при 30 бар, около 7,5 мкм выше 90 бар.

При подаче под высоким давлением легко образуется туман, а эмульсия склонна пениться. Mitsubishi Materials советует ставить вытяжку тумана и брать СОЖ с хорошими антипенными свойствами, а винтовые насосы KNOLL рассчитаны на содержание воздуха в жидкости 3-5 % по объёму. В карточке OILCOOL LATUM указано очень низкое пенообразование, у Unitech 20 и GENEX 45 низкое. Если пена уже появилась, до пеногасителя проверяют уровень в баке, подсос воздуха, концентрацию и воду. Порядок проверки описан в статье пеногаситель для СОЖ.

Для сверления Sandvik советует эмульсию с противозадирными присадками концентрацией 5-12 %, для нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов 10-15 %. Держите концентрацию по паспорту СОЖ и проверяйте её рефрактометром, долив по показанию прибора посчитает калькулятор СОЖ. Масло с направляющих и гидравлики снимают масляным скиммером: по описанию в его карточке постороннее масло кормит бактерии и даёт запах, грязь и налипания.

Когда высокое давление окупается

Sandvik Coromant пишет, что почти все станки предлагают штатно 70-80 бар и что 80 бар хватает в большинстве случаев. До 150 бар поднимают для трудно ломаемой стружки в таких материалах, как Inconel и супердуплекс. Давление окупается, когда решает конкретную проблему:

• длинная стружка: Sandvik называет двумя главными потерями времени остановки из-за стружки, намотанной на инструмент и деталь, и стружку, забившую конвейер;
• глубокие отверстия: внутренний подвод нужен от 3×D в материалах с длинной стружкой, по Sandvik, а давление особенно полезно от 5×D, по Mitsubishi;
• трудные материалы: аустенитные и дуплексные нержавейки, низкоуглеродистые стали с длинной стружкой, титан и жаропрочные сплавы, для которых Sandvik отмечает пользу давления до 70 бар;
• износ кромки: ISCAR на точении при лунке, пластической деформации, проточине и износе по задней поверхности советует поднять давление СОЖ, а при наросте увеличить её подачу, как различать эти виды износа, разобрано в статье «износ режущего инструмента»;
• меньше работы оператору: сопла в инструменте не сбиваются стружкой и не требуют перенастройки.

Не окупается давление с инструментом без внутренних каналов и прицельных сопел: Sandvik подчёркивает, что выгоду дают только инструменты, рассчитанные на такую подачу. Меньше всего оно нужно там, где стружка короткая, а отверстие неглубокое: для таких случаев Sandvik допускает даже сухое сверление на глубину до 3×D. Как охлаждать сверло без подвода через инструмент, разобрано в статье чем смазывать сверло при сверлении.

Частые вопросы

Какое давление СОЖ нужно для сверла с внутренним подводом?

Зависит от диаметра и глубины отверстия. По каталогам FRAISA и Walter монолитному сверлу Ø10 мм нужно 19-30 бар, сверлу Ø4 мм от 24 до 60 бар, на глубоких отверстиях больше. Точное значение берут из каталога конкретного сверла.

Хватит ли насоса на 20 бар для сверления через инструмент?

Для монолитных свёрл от 8 мм на глубине до 5×D по диаграмме Walter хватит, FRAISA для 8-12 мм просит 25 бар. Мелким сверлам и глубоким отверстиям нужно больше, а сверлу со сменными пластинами Ø25 мм важнее расход: по Walter 14-24 л/мин.

Почему при высоком давлении стружка всё равно не выходит?

Чаще всего не хватает расхода: сверло с широкими каналами насос не может держать под давлением. Измерьте расход на выходе из сверла мерной ёмкостью и секундомером, проверьте каналы, фильтр и не открыты ли лишние сопла.

Какой фильтр нужен для подачи СОЖ под высоким давлением?

Sandvik Coromant советует фильтр 20 мкм. Производитель винтовых насосов KNOLL привязывает тонкость фильтрации к давлению и материалу: для стальной и чугунной стружки 60 мкм при 30 бар и около 40 мкм при 120 бар, для закалённой стали и абразивного шлама тоньше.

Почему эмульсия пенится при подаче через шпиндель?

Под высоким давлением эмульсия легче пенится, а подсос воздуха и перебор концентрации усиливают пену. Проверьте уровень в баке, герметичность всасывания и концентрацию, а для постоянной работы под давлением берите СОЖ, у которой в паспорте указано низкое пенообразование.

Подберём низкопенную СОЖ под подачу через инструмент, ваш станок и материал, подскажем рабочую концентрацию и уход за баком. Звоните +7 (495) 135-25-88 или смотрите СОЖ для станков с ЧПУ и оборудование для СОЖ в каталоге, доставляем по России.