Элементы подсистемы подачи и очистки СОЖ, играя критически важную роль в увеличении результативности шлифовальных станков и процессов, обуславливают существенные затраты в стоимости оборудования. 
Поиск параметров рационального количества СОЖ, необходимого для эффективного охлаждения и смазки, без ее излишнего использования является актуальной задачей. 

 

 

В.К. Ермолаев, к.т.н.,
технический эксперт ООО «Шлифовальные станки»
 

 

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ, ТИПЫ СОЖ И ИХ ОСОБЕННОСТИ

 

Смазочно-­охлаждающие жидкости (СОЖ) играют критически важную роль в процессе шлифования, выполняя несколько ключевых функций:
• Охлаждение — предотвращают перегрев заготовки и шлифовального круга, что снижает риск термических деформаций и повреждений.
• Смазка — уменьшают трение между кругом и заготовкой, что снижает износ инструмента и улучшает качество обработки.
• Удаление шлама — вымывают абразивные частицы и металлическую стружку из зоны обработки, предотвращая загрязнение и повреждение поверхности обрабатываемой детали.
• Защита от коррозии — препятствуют окислению обрабатываемой поверхности, особенно при работе с металлами.

 

Важность СОЖ заключается в том, что она обеспечивает повышение качества обработки благодаря постоянству параметров процесса шлифования, приводящему к высокой точности за счет устойчивой температуры обрабатываемой заготовки, стабильности её температурных деформаций и корпусных деталей станка, омываемых СОЖ.

 

Уменьшение шероховатости поверхности шлифуемой детали при использовании СОЖ достигается благодаря снижению трения, т. к. СОЖ образует смазывающую пленку, предотвращая микроцарапины, вымывает из зоны контакта шлам в виде смеси стружки, абразива и частиц связки, снижая риск дефектов, предотвращает прилипание стружки к кругу.

 

Рациональная подача СОЖ увеличивает срок службы шлифовального круга и алмазного правящего ролика (АПР) в результате снижения трения и перегрева, уменьшает износ шлифовального круга и АПР, продлевая срок их службы. Эффективное охлаждение и смазка уменьшают сопротивление при обработке, что снижает потребление энергии и способствует уменьшению энергозатрат.

 

Применяются в основном три типа СОЖ. Масляные СОЖ, преимущества которых состоят в высокой смазывающей способности, а недостатки — в низкой охлаждающей способности и пожароопасности. СОЖ на масляной основе обеспечивает более длительный срок службы жидкости, лучшую отделку поверхности, как правило, более высокую скорость съема материала, лучшее удержание формы, более длительный срок службы круга и повышенный коэффициент шлифования. Водосмешиваемые СОЖ, имеющие в качестве преимуществ хорошее охлаждение, экологичность, большую экономию при покупке и обслуживании, а в качестве недостатков — склонность к коррозии и необходимость стабилизации состава. И наконец, синтетические и полусинтетические СОЖ. Преимущества: оптимальный баланс смазки и охлаждения, долговечность. Недостатки: высокая стоимость.

 

 

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРИМЕНЕНИЮ МЕТОДОВ ПОДАЧИ И ОЧИСТКИ СОЖ

 

Тепловую нагрузку, возникающую при шлифовании, снижают с помощью оптимизированной подачи СОЖ. Метод подачи СОЖ и требования к расходу и давлению являются функцией операции.

 

Традиционно расход и давление при напорной подаче охлаждающей жидкости во время интенсивных видов шлифования могут варьироваться от 20 до 2000 л/мин и от 15 до 100 бар [1]. Значения этих показателей определяют баланс тепла зоны контакта круга и заготовки. На рис. 1 показаны варианты теплового баланса для разных видов плоско­профильного шлифования при различных вариациях расхода и давления подаваемой СОЖ [2, 3].

 

Рис. 1. Распределение тепла в зоне контакта шлифовального круга и заготовки при различных вариантах плоскопрофильного шлифования

 

 

В заготовку при разных способах плоско­профильного шлифования может переходить 4…43% тепла из зоны резания в зависимости от значений расхода и давления СОЖ. По сравнению с маятниковым и глубинным шлифованием при высокоэффективном глубинном шлифовании (HEDG) до 60% тепла, выделяемого в зоне контакта, может рассеиваться через стружку. Несмотря на высокие скорости съема материала и температуру шлифования во время HEDG, точные детали могут быть обработаны без термических повреждений из-за относительно незначительного тепла зоны резания, переходящего в заготовку.    

 

При проектировании систем СОЖ для шлифовальных станков используются два ключевых удельных показателя расхода СОЖ: л/мин на 1 кВт мощности привода шлифовального круга и л/мин на 10 мм ширины круга. Эти показатели применяются в зависимости от типа шлифования, условий обработки и требований к процессу.

 

Показатель расхода СОЖ л/мин на 1 кВт целесообразно применять для процессов интенсивной обработки с высокой тепловой нагрузкой, где мощность привода круга является основным фактором, определяющим тепловыделение: в частности, для операций с высокой скоростью резания и интенсивным съемом материала, для чернового и глубинного шлифования, для HEDG, где требуется интенсивное охлаждение. В таблице 1 приведены рекомендованные значения этого показателя и фактические данные по современным профилешлифовальным станкам.

 

 

Показатель расхода СОЖ л/мин на 10 мм ширины круга целесообразно применять для процессов с широким кругом, где ширина круга является основным фактором, определяющим объем зоны резания чистового и получистового шлифования, где требуется равномерное охлаждение по всей ширине круга; для операций с низкой тепловой нагрузкой, но высокой требовательностью к качеству поверхности.

 

По рекомендациям [4] расход СОЖ при скоростях резания до 35 м/с должен быть не менее 8–10 л/мин на каждые 10 мм контакта шлифовального круга с заготовкой при круглом (как наружном, так и внутреннем); 3–6 л/мин при бесцентровом; 10–15 л/мин при плоском шлифовании периферией круга.

 

Снятие значительных объемов металла на современных шлифовальных станках сопровождается большими затратами энергии на пластическую деформацию, разрушение обрабатываемого материала и работу внутреннего и внешнего трения. На рис. 2 показан баланс номинальной электрической мощности плоско­профильных шлифовальных станков, полученный на основании данных работы [5]. Анализ технических характеристик профилешлифовальных станков 25 моделей 11 фирм: «Шлифовальные станки» (Россия), Mägerle (Швейцария), Elb-­Schliff, Blohm (Германия), Danobat (Испания) — проводился с целью выявления структуры их энергопотребления по основным системам. Отмечено, что система подачи и очистки СОЖ современного профилешлифовального станка, являясь весьма затратной, отбирает треть всей установленной мощности станка, и в среднем это составляет 28,5 кВт.

 

Рис. 2. Структура энергооснащения современных профилешлифовальных станков по основным системам (фактические значения и  средние в процентах)

 

По данным работ [6, 7] известно, что покупка, управление и утилизация жидкостей для металлообработки могут в некоторых случаях приближаться к 15% производственных затрат.

 

Охлаждение с большим расходом и давлением СОЖ, применяемое при интенсивных способах шлифования, создает ряд проблем:
• Экономические: высокие затраты на закупку систем подачи и очистки, а также хранение и обслуживание СОЖ стимулируют поиск альтернатив.
• Технологические: избыточное охлаждение жидкостью вызывает коррозию оборудования и создает гидродинамические силы, влияющие на точность обработки. При интенсивной подаче СОЖ циклическое повторное ее использование приводит к нагреву, охлаждению, взаимодействию с ржавчиной, длительному контакту со шламом и т. д., что способствует ухудшению самой СОЖ, которая постепенно теряет свою смазочную способность, поскольку теряет вязкость [16].
• Экологические: традиционные методы подачи СОЖ с большим расходом (до 2000 л/мин) создают значительные отходы, загрязняющие окружающую среду и требующие дорогостоящей утилизации.

 

Поэтому крайне важно знать рациональные значения расхода и скорости струи для повышения эффективности СОЖ на конкретных технологических операциях шлифования.

 

Среди исследователей и разработчиков шлифовальных станков нет единого мнения о функциональных зависимостях нормативных расходов СОЖ, направляемой в зону резания. Как уже отмечалось в работе [4], границы диапазона удельного расхода СОЖ в л/мин на 10 мм ширины круга для различных способов шлифования различаются в 5 раз. В соответствии с данными таблицы 1, удельный критерий расхода СОЖ в л/мин на 1 кВт также имеет высокую вариативность — разброс рекомендованных значений этого показателя для определенных видов шлифования достигает 5 раз, а фактические данные по станкам для глубинного шлифования отличаются еще большим расхождением, что говорит о недостаточной изученности применения этих критериев.

 

 

Давно замечено, что для процесса шлифования наиболее ценно, сколько СОЖ попадет непосредственно в контакт круга и заготовки, а не то общее количество охлаждающей жидкости, которое поступает из сопла, т. к. часть СОЖ рассеивается, отражается от вращающегося круга, испаряется или просто не попадает в нужную область. Следует различать полезный поток и полезный расход СОЖ, измеряемый в показателях 1 кг/(с·м) = 0,06 л/(мин·мм), хотя иногда эти термины используют как синонимы. Полезный поток — общая подача СОЖ, а полезный расход — эффективная часть, достигающая зоны обработки.

 

В последнее время в технической литературе [6, 8–10] благодаря проводимым исследованиям появился термин «оптимальный полезный расход СОЖ», определяемый как количество жидкости, которое проходит через зону контакта, выполняя функцию эффективной смазки и обеспечивая достаточное локальное охлаждение.

 

В таблице 2 представлены экспериментальные данные разных авторов по значениям полезного расхода СОЖ для разных видов шлифования. Во всех исследованиях были разработаны устройства сбора полезного расхода СОЖ, и было проанализировано его влияние на технологические факторы. Как следует из таблицы 2, процент жидкости, проходящей через зону резания, не превышает 40% от потока СОЖ из сопла. Этот параметр зависит от объемной пористости круга, скорости круга, положения сопла и скорости потока СОЖ, истекающей из сопла, при этом процент использования жидкости значительно увеличивался для более пористых кругов и при более близком расположении сопла к зоне шлифования. Правка круга имеет лишь второстепенное значение, которое объясняется ее влиянием на поверхностную пористость круга. Рабочая скорость и глубина резания круга практически не оказывают никакого влияния.

 

 

 

Технологические параметры операции шлифования, зависящие от полезного расхода СОЖ, представлены в таблице 3.

 

Полезный расход изменяется линейно в зависимости от скорости круга (рис. 3) [6] до скорости, превышающей скорость струи (v_сож ). Линейная часть при наилучших условиях представляет достижимый полезный расход в диапазоне скоростей круга. Дальнейшее увеличение полезного расхода требует более пористого круга. Увеличение скорости струи в линейной области сопровождается повышением потребления энергии.

 

Рис. 3. Зависимость полезного расхода СОЖ от скорости круга. Поток СОЖ = 18,9 л/мин, v_сож = 24,2 м/с. Круг — AL₂O₃, пористость — 54%

 

 

На рис. 4 [10] показано сравнение полезного расхода для крупнозернистых — 80 (с размером зерен 212…180 мкм) и мелкозернистых — 240 (75…53 мкм) кругов при двух значениях скорости струи v_сож 5 и 30 м/с. Можно видеть влияние размера зерен на полезный расход СОЖ: когда скорость струи и скорость абразивного инструмента остаются неизменными, полезный поток для круга с размером частиц 80 существенно больше, чем с размером 240. При увеличении размера абразивных зерен пористость поверхности шлифовального круга становится больше и поток жидкости увеличивается.

 

Рис. 4. Сравнение полезного расхода СОЖ при использовании кругов разной зернистости

 

 

Упрощенное уравнение Бернулли для определения зависимости давления от скорости СОЖ при шлифовании можно записать в следующем виде: 

P + 0,5 ρ ∙ v²_сож = const, 

где: P — давление жидкости (Па), ρ — плотность СОЖ (кг/м³), v_сож — скорость потока жидкости (м/с).

 

Указанная зависимость отражается на рис. 4, где увеличение скорости СОЖ приводит, в соответствии с уравнением Бернулли, к снижению давления, что влияет на процент полезного расхода СОЖ и на проникновение жидкости в зону контакта.
Влияние положения сопла на полезный расход СОЖ измерялось экспериментально в исследовании [6]. 

 

 

Результаты показаны на рис. 5 для двояковогнутого сопла Rouse, где оптимальное расстояние от зоны контакта до сопла составило 50 мм. Malkin S. [13] рекомендует меньшее расстояние: 5…20 мм. Полезный расход уменьшается с увеличением расстояния от контакта до сопла.
Результаты исследования [6] установили, что поток СОЖ из сопла должен быть в 4 раза больше достижимого полезного расхода. Оптимальное положение сопла — по касательной к кругу и под углом 10…25° к зоне контакта. Достижимый полезный поток может быть оценен как ~ 50% поверхности порового пространства круга. Круги с высокой пористостью имеют тенденцию обеспечивать более высокий процент полезного расхода, чем инструмент с низкой пористостью. Было подтверждено, что скорость струи СОЖ должна составлять приблизительно 80–100% скорости круга, чтобы соответствовать достижимому полезному расходу.

 

Рис. 5. Изменение полезного расхода СОЖ в зависимости от расстояния до сопла. Поток = 8,2 л/мин, v_кр = 30 м/с, v_сож = 28 м/с, D_сопла = 2,5 мм
 

 

Анализ публикаций [13, 14] позволяет рекомендовать (таблица 4) следующие значения полезного расхода СОЖ для разных типов шлифования:

 

 

 

Работы [6, 11, 12] установили решающее влияние на полезный расход СОЖ формы струи, а именно ламинарной или турбулентной. Хотя термины «когерентная» и «ламинарная» струя часто используются как синонимы, в контексте шлифования они имеют смысловые и практические различия. Сравнительные данные представлены в таблице 5.

 

Ламинарная струя — струя жидкости, в которой слои движутся параллельно без перемешивания. Характеристики струи: плавное, упорядоченное течение, отсутствие турбулентности, сохранение формы на коротких расстояниях. Редко используется при шлифовании из-за малой устойчивости к внешним воздействиям (например, вращению круга), подходит только для низкоскоростных процессов (<30 м/с).

 

Когерентная струя — струя, которая сохраняет целостность и направленность даже в условиях высоких скоростей и аэродинамических помех. Может содержать элементы турбулентности, но сохраняет «ядро» с высокой плотностью энергии. Формируется за счет специальных форсунок и высокого давления (20–100 бар). Устойчива к разрушению при скоростях круга до 120 м/с. В качестве примера это струя с вихревой стабилизацией, которая фокусирует поток в зону резания.

 

Sakib S. A. [12] показал, что когерентные струи обеспечивают более эффективное проникновение через воздушный слой вокруг шлифовального круга, что напрямую влияет на полезный расход, так как больше жидкости достигает зоны обработки. Подтверждено влияние формы сопла (например, двояковогнутое сопло Rouse) и профиля скорости на длину когерентной зоны струи, что связано с оптимизацией расхода.

 

Зависимость когерентной длины струи СОЖ от конструкции сопла иллюстрируется рис. 6 [6]. Нижние столбцы в таблице (сиреневые) — экспериментальные; верхние (бордо) — прогнозируемые.

 

Рис. 6. Когерентная длина струи в метрах в зависимости от типа сопла СОЖ

 

На рис. 6 показаны экспериментальные значения когерентной длины струи СОЖ по сравнению с прогнозируемыми значениями для различных сопел в диапазоне диаметров 2,5…9,5 мм.

 

В работе [12] установлено, что внедрение сопел, создающих когерентные струи, повышает эффективность применения СОЖ в зоне резания при возможном сокращении объема подаваемой жидкости на 10…30%, что подтверждается интервью с промышленными заказчиками.

 

В качестве примера сопел для этих струй можно назвать форсунки Coherent-­Jet Nozzles, Multi-­Tube (Needle) Nozzles, Noga MiniCool, Jetstream Tooling или Cool-­Grind.

 

В исследовании [8] показано, что при глубинном шлифовании кругами с высокой пористостью полезный расход может достигать 55% общего потока СОЖ. Это позволяет снизить потребление электроэнергии и размер систем доставки и фильтрации охлаждающей жидкости.

 

Таким образом, увеличение полезного потока СОЖ при использовании когерентной струи происходит благодаря минимизации потерь на разбрызгивание и рассеивание, обеспечению точного попадания в зону контакта даже при высоких скоростях вращения круга (где обычная струя может срываться) и созданию гидродинамического клина, что способствует проникновению СОЖ в зазор между кругом и заготовкой.

 

 

В современных шлифовальных станках с высокопроизводительными системами подачи СОЖ используются специализированные системы удаления и очистки СОЖ. Эти системы обеспечивают эффективную фильтрацию, регенерацию и утилизацию СОЖ, что особенно важно при высоких расходах и давлениях. Основные производители таких систем и их характеристики приведены в таблицах 6 и 7.

 

Упомянутые в таблице 6 коалесцентные фильтры используются для очистки СОЖ от мелких частиц и эмульгированных загрязнений, таких как масла, вода или твердые частицы. Они работают на принципе коалесценции — процесса объединения мелких капель или частиц в более крупные, которые затем легко удаляются. Фильтры особенно полезны в системах очистки СОЖ для шлифовальных станков, где требуется высокая степень очистки и долговечность.

 

В 1990‑х годах начались работы по оптимизации применения СОЖ. Исследования по полезному расходу СОЖ явились переходным этапом от использования развитых и эффективных по расходу и давлению систем охлаждения к возможному направленному уменьшению потока СОЖ в зону резания без потери эффективности процесса абразивной обработки с целью снижения энергозатрат, общей стоимости систем подачи и очистки и уменьшения экологического воздействия на внешнюю среду. Дальнейшее снижение общей доставки и расхода СОЖ в зону резания привнес метод MQL — Minimum Quantity Lubrication, т. е. способ введения в область контакта минимального количества смазки. Этот метод сочетает в себе смазку и охлаждение, но с использованием очень малых объемов жидкости без ущерба для производительности. Особенности MQL: низкий расход, экологичность, акцент на смазку, а не на охлаждение. Обычно это аэрозоль, состоящий из масла и воздуха, который подается точно в место контакта инструмента и заготовки. Параметры подачи СОЖ при MQL могут составлять: расход 20…100 мл/ч при давлении воздуха 4…7 бар [15]. Упрощенная принципиальная схема подачи СОЖ методом MQL при шлифовании показана на рис. 7.

 

Рис. 7. Схема подачи СОЖ методом MQL

 

 

Физический смысл метода MQL при шлифовании заключается в:
• Снижении трения — микроскопическая пленка СОЖ уменьшает трение между абразивными зернами и заготовкой, предотвращая адгезию материала к инструменту.
• Теплоотводе — испарение жидкости и конвекция отводят тепло, генерируемое при шлифовании, предотвращая термические повреждения (окисление, деформации).
• Антиадгезионном эффекте — предотвращает налипание стружки и забивание пор абразивного круга (эффект засаливания).

 

Технические особенности метода MQL включают использование специальных насадок, микронасосов для точной дозировки, а также интеграцию с системами подачи воздуха.

 

 

На рис. 8 показано устройство MQL‑2041 фирмы Mesolube (КНР). Система использует насос с производительностью 0…396 мл/ч для непрерывного распыления жидкости с заданной скоростью. Установка обеспечивает гибкость при сохранении простоты и может работать с использованием сжатого воздуха. На рис. 9 изображены сопло «Вентури VD07» для низкой производительности до 1 л/ч в виде медной или многосекционной трубок длиной 300 мм и стандартные насадки для круглой или плоской струй.

 

Рис. 8. Установка MQL-2041 фирмы Mesolube (КНР)

 

Рис. 9. Трубки (вверху) и насадки Вентури VD07 для MQL (внизу)

 

 

Оценка перспективности метода MQL может быть сделана на основании сравнительных данных о температуре в зоне резания при различных способах охлаждения. 
На рис. 10 показано [17] сравнение температуры сухого с традиционным охлаждением и MQL-шлифования. 

 

Рис. 10. Влияние условий охлаждения на температуру шлифования закаленной стали ШХ15 (AISI 52100)

 

Испытания проводились на жестком сверхточном плоскошлифовальном станке MGK7120x6. Использовались: круг AL₂O₃ — WA100, заготовка из стали ШХ15. Шлифование производилось с обильной подачей СОЖ, при этом фиксировалась самая низкая температура, а при сухом — самая высокая.

 

Пиковые температуры соответственно составляют 192°C и 561°C. Пиковая температура MQL-шлифования примерно на 90…130°C ниже, чем у сухого шлифования, что является положительным аспектом. Нет существенной разницы в температуре между MQL-шлифованием с чистым маслом и MQL абразивной обработкой с маслом и водой, особенно в температуре шлифования вне зоны контакта. Единственное отличие заключается в том, что пиковая температура в зоне контакта при шлифовании с водой примерно на 40°C ниже. Смазка в процессе шлифования оказывает решающее влияние на образование тепла при шлифовании. Высокий уровень трения, возникающий в процессе шлифования, имеет большое значение для образования тепла. Более низкая температура, полученная с помощью MQL, в основном обусловлена смазкой и охлаждением масляным или масляно-­водным туманом, обеспечиваемым системой MQL. Смазка приводит к снижению коэффициента трения в зоне круг — заготовка и сохранению остроты шлифовального круга, что снижает силы и энергию резания. Кроме того, высокая скорость распыления масляного или масляно-­водного тумана увеличивает коэффициент теплопередачи заготовки, таким образом, часть тепла шлифования оттягивается. Что касается масляно-­водного MQL, когда тепловой поток увеличивается до точки кипения шлифовальной жидкости, капли воды испаряются и часть тепла шлифования отводится. Это еще больше снижает температуру шлифования.

 

Анализ работ [16–21] позволил установить области рационального применения метода, технологические операции и эффективность MQL, что формализовано в таблицах 8 и 9.

 

Метод MQL активно внедряется в современные шлифовальные станки, что позволяет снизить расход СОЖ, повысить экологичность и экономичность процессов производства деталей.

 

В таблице 10 на основании данных сайтов конкретных производителей собраны модели станков, где используется MQL. Эти станки широко применяются в аэрокосмической, автомобильной, медицинской и других отраслях, где требуется высокая точность и качество обработки.

 

 

В станках в качестве опции могут присутствовать установки MQL.

 

Однако шлифование с MQL [22–27] не может обеспечить лучшие условия смазки и охлаждающую способность по сравнению с традиционным охлаждением. Тем не менее метод шлифования с MQL рассматривается как будущая альтернатива обычному шлифованию, поскольку является более экономичным и экологически чистым, обеспечивающим преимущества в устойчивости и возможностях процесса [23, 24].

 

В настоящее время многие исследователи и практики работают в области MQL с целью повышения эффективности метода, и это приводит к разработке гибридных способов охлаждения (рис. 11).

 

Рис. 11. Развитие метода MQL при шлифовании

 

 

Альтернативные методы традиционной системы обработки MQL включают MQL с твердой смазкой, ионной жидкостью, биоразлагаемыми СОЖ (на растительной основе), криогенным охлаждением (CO₂ и LN₂) и холодным сжатым воздухом.

 

Гибридный MQL (MQL + биоразлагаемое масло) может использоваться в качестве альтернативы уже используемому MQL на основе минерального масла. Использование наночастиц, струи жидкости высокого давления (жидкость на основе газа), распыляемой в зоне резания, снизит температуру. Некоторые альтернативы и достижения в системах обработки MQL представлены на рис. 11.

 

MQL родился как ответ на экологические и экономические вызовы, прошел путь от экспериментальной идеи до ключевой технологии в высокоточной и устойчивой промышленности и предназначен для экологически чувствительных производств или процессов с низким тепловыделением, где важна чистота рабочей зоны, однако он имеет следующие ограничения:
• Производительность: ограничена скоростями резания и подачами.
• Удельная интенсивность: ниже, чем при использовании традиционных систем подачи СОЖ.
• Скорость удаления материала: подходит для операций с умеренным съемом.
• Режимы резания: ограничены скоростями и подачами.
• Тепловые ограничения: MQL менее эффективен для отвода тепла.
• Материалы: лучше подходит для сталей, алюминия и титана.
• Типы операций: оптимален для чистового и получистового шлифования.

 

Эти ограничения важно учитывать при выборе MQL для конкретных задач шлифования.

 

Таким образом, системы шлифования с MQL достигли определенного прогресса в различных областях, начиная с понимания промышленных задач и приведения их в соответствие со стандартами Индустрии 4.0; развитие продолжается, адаптируясь к требованиям современных производств.

 

В результате обзора рассмотренных методов подачи СОЖ в зону резания составлена таблица 11, в которой собраны параметры методов с их качественной оценкой, что позволяет сделать предварительный вывод о целесообразности применения одного из методов подачи СОЖ в конкретной технологической операции по возможности с дальнейшей экспериментальной проверкой для верификации.

 

 

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБЛАСТИ СОЖ

 

 

Современные системы подачи СОЖ [28–31] оснащаются датчиками расхода, давления и температуры для мониторинга, а в системах контроля и управления используются технологии IoT (Internet of Things, что переводится как «интернет вещей»), позволяющие связывать оборудование с сетью и передавать данные в реальном времени. Это даёт возможность оптимизировать операцию шлифования в реальном времени, отслеживать производственные процессы и проводить диагностику оборудования удаленно. Кроме того, современные системы подачи СОЖ дают возможность использовать искусственный интеллект (ИИ), при этом алгоритмы машинного обучения анализируют данные для оптимизации параметров подачи СОЖ, повышая эффективность и точность работы системы.

 

Умные системы управления СОЖ минимизируют человеческое вмешательство, повышая производительность и снижая ошибки за счет всеобъемлющей автоматизации. Внедрение биоразлагаемых СОЖ и систем регенерации соответствует требованиям экологичности и устойчивого развития.

 

Интеллектуальные системы управления СОЖ на шлифовальных станках 4‑го поколения — это комплекс решений, которые используют современные технологии для автоматизации, оптимизации и контроля процессов подачи и очистки СОЖ. Эти системы интегрированы в общую экосистему Индустрии 4.0 и обеспечивают высокую эффективность, точность и экологичность. Вот что они конкретно собой представляют:
• Датчики и мониторинг в реальном времени. Функции: контроль параметров СОЖ (расход, давление, температура, чистота), мониторинг состояния шлифовального круга и заготовки.
Примеры: датчики расхода и давления для точной подачи СОЖ, сенсоры для анализа загрязнения СОЖ абразивными частицами и металлической стружкой.
• Адаптивное управление. Функции: автоматическая корректировка параметров подачи СОЖ в зависимости от режима обработки, адаптация к изменению условий (например, износ круга, изменение материала заготовки). Примеры: системы, которые увеличивают давление СОЖ при обработке твердых материалов, регулируют расход СОЖ в зависимости от температуры в зоне обработки.
• Интеграция с IoT (интернет вещей). Функции: передача данных о состоянии СОЖ и процессах шлифования в централизованные системы, удалённый мониторинг и управление через облачные платформы. Примеры: платформы, такие как Siemens MindSphere или Fanuc Field system, которые собирают и анализируют данные с датчиков.
• Использование ИИ и машинного обучения. Функции: анализ данных для оптимизации параметров подачи СОЖ, прогнозирование износа инструмента и необходимости обслуживания. Примеры: алгоритмы, которые предсказывают оптимальный расход СОЖ для конкретной задачи, системы, которые автоматически настраивают параметры подачи на основе предыдущих данных.
• MQL. Функции: подача СОЖ в виде аэрозоля в минимальных количествах, контроль эффективности подачи через датчики. Примеры: системы MQL, которые автоматически регулируют количество подаваемой СОЖ в зависимости от режима обработки.
• Высокопроизводительные системы подачи СОЖ. Функции: подача СОЖ под высоким давлением для эффективного охлаждения и удаления стружки, использование точных форсунок для направленной подачи. Примеры: системы, которые автоматически регулируют давление и направление подачи СОЖ в зависимости от износа круга и геометрии заготовки.
• Системы очистки и регенерации СОЖ. Функции: многоступенчатая фильтрация для удаления абразивных частиц и металлической стружки, автоматическая регенерация и повторное использование СОЖ. Примеры: системы, которые контролируют уровень загрязнения СОЖ и автоматически запускают процесс очистки.
• Криогенное охлаждение. Функции: использование жидкого азота или углекислого газа для охлаждения, интеграция с системами управления для автоматической настройки параметров. Примеры: системы, которые автоматически переключаются между традиционной СОЖ и криогенным охлаждением в зависимости от материала заготовки.
• Удаленное управление и мониторинг. Функции: возможность контроля и управления системами подачи и очистки СОЖ через интернет, получение уведомлений о необходимости обслуживания или замены СОЖ. Примеры: мобильные приложения и веб-платформы для удаленного мониторинга.
• Экологичность и устойчивость. Функции: использование биоразлагаемых СОЖ, минимизация отходов за счет регенерации и повторного использования СОЖ. Примеры: системы, которые автоматически утилизируют отработанную СОЖ в соответствии с экологическими 
стандартами.

 

 

Учитывая изложенное, интеллектуальные системы управления СОЖ в шлифовальных станках 4‑го поколения представляют собой комбинацию датчиков, IoT, ИИ, адаптивного управления и экологичных решений. Внедрение интеллектуальных систем управления СОЖ в шлифовальные станки обеспечивает: повышение точности и качества обработки, снижение затрат на СОЖ, энергию и обслуживание, экологичность за счет использования биоразлагаемых СОЖ и минимизации отходов, гибкость и адаптивность к различным задачам и материалам, удобство удалённого управления и мониторинга. Эти преимущества делают такие станки ключевыми элементами умных производственных систем Индустрии 4.0.

 

Таким образом, анализ современных подходов и технологий подачи и очистки СОЖ проявил существующий тренд исследования рационального количества СОЖ в зоне резания. В отличие от традиционных систем охлаждения с большим расходом СОЖ и высоким давлением, наблюдается переход к полезному расходу СОЖ и далее к методу MQL, означающий поиск оптимального количества жидкости, необходимого для эффективного охлаждения и смазки, без ее избыточного использования. Это логично, так как избыток СОЖ не только увеличивает затраты, но и усложняет утилизацию, что негативно влияет на экологию.

 

Подсистема СОЖ является критически важной для обеспечения стабильности и качества процесса.

 

Технические характеристики систем подачи СОЖ современных шлифовальных станков демонстрируют, как современные подходы и технологии подачи и очистки СОЖ интегрируются в Индустрию 4.0. Они обеспечивают высокую точность, эффективность и экологичность, а также поддерживают удаленный мониторинг и управление, что делает их ключевыми элементами умных производственных систем.

 

 

Литература

1. Nee A.Y.C. Handbook of manufacturing engineering and technology. — Springer Publishing Company, Incorporated, 2015.
2. Ott H. W. Richtig gekühlt ist halb geschliffen-eine eher physikalische Betrachtung // Moderne Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung: neue Entwicklungen und Trends aus Forschung und Praxis/4. Seminar" Moderne Schleiftechnologie" am 25.04. 2002 in Villingen-­Schwenningen.  Fachhochschule Furtwangen, 2002.  С. 701–732.
3. Azarhoushang B. et al. Tribology and fundamentals of abrasive machining processes. — William Andrew, 2021.
4. Astakhov V.P., Joksch S. (ed.). Metalworking fluids (MWFs) for cutting and grinding: fundamentals and recent advances. — 2012.
5. Старков В.К. и др. Структура энергозатрат на станках для профильного шлифования и пути их снижения // Вестник МГТУ Станкин.  2017.  № 1.  С. 21–25.
6. Optimisation of fluid application in grinding. M. Morgan, A. Jackson, H. Wu, V. Baines-­Jones, A. Batako et W. B. Rowe, CIRP Annals — Manufacturing Technology. Vol. 57. Рр. 363–366, 2008.
7. Ермолаев В.К. Развитие техники подачи СОЖ при шлифовании // РИТМ машиностроения. 2019. № 7. С. 10–16.
8. Jackson A. et al. Fluid Delivery in Grinding-­A Review of the Term Useful Flow // Submitted to GARS‑2005, LJMU, UK.  2005. T. 22.
9. Engineer F., Guo C., Malkin S. Experimental measurement of fluid flow through the grinding zone.  1992.
10. Li C. et al. Useful fluid flow and flow rate in grinding: an experimental verification // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.  2015.  Т. 81.  С. 785–794.
11. Steffen J.K. Application of a coherent jet coolant system in creep-feed grinding of Inconel 718. — National Library of Canada= Bibliothéque nationale du Canada, Ottawa, 2005.
12. Sakib S.A. Modeling of Coolant Jet Breakup in Grinding: дис. — University of Akron, 2024.
13. Malkin S., Guo C. Grinding technology: theory and application of machining with abrasives. — Industrial Press Inc., 2008.
14. Rowe W.B. Principles of modern grinding technology. — William Andrew, 2013.
15. Ермолаев В.К. Гибридность как системообразующий фактор развития шлифования // РИТМ машиностроения. 2025. № 1. С. 60–70.
16. Gajrani K.K., Prasad A., Kumar A. (ed.). Advances in sustainable machining and manufacturing processes. — CRC Press, 2022.
17. Mao C. et al. Experimental investigation of surface quality for minimum quantity oil-water lubrication grinding // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.  2012.  Т. 59. С. 93–100.
18. Mahata S. et al. Grinding titanium alloys applying small quantity lubrication // SN Applied Sciences.  2020.  Т. 2.  № . 5.  С. 978.
19. Zhang J. et al. Convective heat transfer coefficient model under nanofluid minimum quantity lubrication coupled with cryogenic air grinding Ti‑6Al‑4V // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-­Green Technology.  2021. Т. 8.  С. 1113–1135.
20. De Oliveira D. et al. Assessment of the grindability of Inconel 718 under different coolant delivery techniques // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering.  2020.  Т. 42.  С. 1–9.
21. Rabiei F., Rahimi A.R., Hadad M.J. Performance improvement of eco-friendly MQL technique by using hybrid nanofluid and ultrasonic-­assisted grinding // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.  2017.  Т. 93.  С. 1001–1015.
22. Ji X. Minimum quantity lubrication machining: process analysis and analytical modeling.  Springer Nature, 2022.
23. Boswell B. et al. A review identifying the effectiveness of minimum quantity lubrication (MQL) during conventional machining // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.  2017.  Т. 92.  С. 321–340.
24. Dennison M.S. et al. Advances in MQL Machining //Advances in Sustainable Machining and Manufacturing Processes.  2022.  С. 71–89.
25. Hadad M., Sadeghi B. Thermal analysis of minimum quantity lubrication-­MQL grinding process // International Journal of Machine Tools and Manufacture.  2012.  Т. 63.  С. 1–15.
26. Dambatta Y.S. et al. Grinding with minimum quantity lubrication: a comparative assessment // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.  2023.  Т. 128.  № 3–4.  С. 955–1014.
27. HANDBOOK A guide to machining with MQL. Tim Walker.  2013.
28. Ibrahim A.M.M. et al. Cooling and lubrication techniques in grinding: a state-of-the-art review, applications, and sustainability assessment // Chinese Journal of Aeronautics.  2023.  Т. 36. № 7.  С. 76–113.
29. Kishore K. et al. A comprehensive review on the grinding process: advancements, applications and challenges // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science.  2022.  Т. 236.  № 22.  С. 10923–10952.
30. Nadolny K., Kieraś S., Sutowski P. Modern approach to delivery coolants, lubricants and antiadhesives in the environmentally friendly grinding processes // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-­Green Technology.  2021.  Т. 8.  С. 639–663.
31. Ермолаев В.К. Шлифование и искусственный интеллект // РИТМ машиностроения. 2022. № 8. С. 27–34.

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 4-2025