4. Смазочно-охлаждающие жидкости

Установлено [2, 4, 6, 18, 37, 67], что смазочно-охлаждающие тех­нологические среды (СОТС) оказывают существенное влияние на процесс резания и качество обработанной поверхности. При различ­ных видах механической обработки применяют различные виды СОТС. К ним относятся.

1. Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ): а) вода с небольшой добавкой веществ, препятствующих коррозии станка и детали (на­ пример, соды); б) эмульсии, представляющие собой растворы в воде специальных эмульсолов и паст, т. е. растворы специальных мыл в воде; в) масла растительные (льняное, сурепное, касторовое), мине­ ральные (индустриальное-20) и осерненные (сульфофрезол — масло индустриальное-20 с добавкой 2...3 % серы); г) специальные (напри­ мер, смесь керосина и масла).

2. Распыленные жидкости.

3. Газообразные среды.

4. Твердые смазки.

Наибольшее распространение имеют СОЖ, поэтому в настоящей работе акцент сделан на них.

4.1. СОВРЕМЕННЫЕ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИЕ ЖИДКОСТИ. ТРЕБОВАНИЯ К НИМ

Современные СОЖ [37, 55, 56] представляют собой специализи­рованные гомогенные или гетерогенные многокомпонентные техно­логические среды, обладающие комплексом свойств, обеспечиваю­щих оптимальные условия проведения процесса резания металлов. Все СОЖ в зависимости от базовой основы подразделяются на две группы: масляные и водорастворимые. Кроме основы, СОЖ содер­жат набор присадок различной природы и назначения, повышающих их свойства.

Масляные СОЖ содержат в качестве основы неактивированные (чистые) и активированные масла. При выборе минеральных солей учитывают их вязкость и совместимость с присадками. В случае при-

91

м енения синтетических масел учитывают их повышенную по сравне­нию с минеральными маслами стойкость. К активированным отно­сят сульфированные, хлорированные и сульфохлорированные масла. Предварительно активированные масла могут быть также использо­ваны в качестве присадок к базовому маслу. В зависимости от строе­ния и структуры присадок их применяют для обеспечения антизадирного, антиизносного и антифрикционного действий.

К антизадирным относят присадки, предотвращающие схватыва­ние и износ режущих инструментов при наиболее тяжелых режимных условиях. Это вещества, содержащие серу, хлор, фосфор. Присадки, обеспечивающие антикоррозионное действие масляных СОЖ, могут быть те же, что и используемые для улучшения смазывающих свойств СОЖ: полимерные жирные ненасыщенные кислоты, дисульфиды, аминофосфаты.

Присадки, предотвращающие окисление масел, называют антиоксидантами. Наиболее распространенными являются ионол, диал-килдитриофосфаты и др. Для масляных СОЖ применяют также анти­пенные и антитуманные присадки.

Водорастворимые СОЖ подразделяются на эмульсионные, синте­тические и полу синтетические. Они содержат в качестве основы воду и могут включать присадки органического или неорганического типа (в ряде случаев — их смесь), хорошо растворимые в воде.

Эмульсионные СОЖ представляют собой водные растворы масел типа «масло в воде». В них кроме масла и воды входят эмульгаторы, вещества связки, ингибиторы коррозии, бактерициды, биоциды, антиизносные и антизадирные присадки. Эмульгаторы представляют собой поверхностно-активные вещества (ПАВ), уменьшающие по­верхностное натяжение и стабилизирующие диспергированные час­тицы масла в воде. Вещества связки обеспечивают совместимость ма­сел с эмульгаторами.

К синтетическим относятся СОЖ, содержащие присадки, полу­ченные путем синтеза. Это — водорастворимые мономеры различ­ных органических кислот, их соли, в том числе обладающие триоактивными свойствами, водорастворимые олигомеры и полимеры, а также полимеры, обладающие свойствами электролитов. Применяют также сополимеры, смеси мономеров и полимеров. В качестве приса­док к синтетическим водным СОЖ используются поверхностно-ак­тивные вещества типа синтетических жирных кислот и их солей, выс­шие жирные спирты и др. В ряде случаев к синтетическим СОЖ до­бавляют жидкости, которые наряду с синтезированными органиче­скими присадками содержат и неорганические добавки, например для придания СОЖ антикоррозионных свойств.

92

Полусинтетические СОЖ содержат в своем составе в качестве при­садки минеральное масло.

Основной функцией СОЖ является механизм охлаждающего дей­ствия; он определяется условиями процесса конвективного теплооб­мена между СОЖ и нагретыми в ходе лезвийной обработки поверхно­стями обрабатываемой детали и режущих инструментов. На коэффи­циент теплообмена влияют: теплопроводность СОЖ, скорость обтека­ния охлаждаемой поверхности, теплоемкость, плотность, вязкость СОЖ и разность температур охлаждаемой поверхности и СОЖ.

Эффект охлаждения становится наиболее существенным при по­вышенных скоростях резания. Это объясняется следующими харак­теристиками СОЖ, определяющими ее охлаждающую способность: теплопроводностью, теплоемкостью, теплотой испарения и смачи­ваемостью контактирующих поверхностей. Например, удельная теп­лоемкость водных СОЖ примерно в два раза превышает удельную те­плоемкость масляных СОЖ, что обеспечивает большое охлаждающее действие водных СОЖ. В случае если при резании металлов СОЖ пе­реходит из жидкого состояния в газообразное, то происходящий при этом процесс испарения является эффективным методом охлажде­ния. При этом приобретает значение такой фактор, как скрытая теп­лота парообразования, характеризующая, какое количество тепловой энергии требуется для преобразования единицы массы жидкости в газовое состояние. Имеющиеся плотные зазоры между контактирую­щими поверхностями могут способствовать образованию скрытого парового слоя СОЖ, который может замедлить дальнейшее охлажде­ние.

На теплообмен оказывает влияние гидродинамика обтекания СОЖ охлаждаемых поверхностей, зависящая от скорости и направле­ния движений режущих инструментов и деталей, их вибраций, сходя­щей стружки, давления подачи СОЖ. Площадь теплопереноса также влияет на теплообмен, причем эффективная площадь теплопереноса зависит от способности СОЖ смачивать контактирующие поверхно­сти. Смачивание выше в том случае, когда СОЖ имеет относительно низкое поверхностное натяжение. Многие добавки к СОЖ, в частно­сти ингибиторы коррозии и жирные кислоты, обладают способно­стью уменьшать поверхностное натяжение жидкости.

В целом эффективность механизма охлаждения связана с повы­шением работоспособности режущих инструментов, поскольку уве­личение их стойкости напрямую связано со способностью СОЖ от­водить теплоту. В отдельных случаях охлаждение может вызвать и от­рицательное действие. Например, при работе твердосплавными ре­жущими инструментами и из режущей керамики перерывы в подаче

93

С ОЖ на контактные площадки приводят к микрорастрескиванию ре­жущих пластин и, соответственно, к интенсификации процесса их изнашивания.

Смазочное действие. СОЖ может производить следующие виды смазочного действия: химическое, диффузионно-химическое, кон­тактно-гидравлическое. Смазочное химическое действие СОЖ за­ключается в образовании на контактирующих поверхностях химиче­ских соединений как неорганической природы (оксидов, сульфидов, галогенидов и др.), так и органических (продуктов деструкции или полимеризации, снижающих трение в зоне контакта и уменьшающих адгезию стружки к поверхности режущих инструментов). Созданы эффективные СОЖ на основе присадок триоактивного действия, об­разующих защитную пленку на контактных поверхностях.

Химическое, диффузионно-химическое и контактно-гидродинами­ческое смазочные действия оказывают значительное влияние на тре­ние в условиях резания: уменьшают теплообразование, адгезию и диффузию, что улучшает все показатели функционирования системы резания.

Смазочное диффузионно-химическое действие СОЖ дополняет химическое действие. Ускорение диффузионных явлений в процессе лезвийной обработки приводит к интенсификации диффузии атомов веществ (например, кислорода и углерода), входящих в состав СОЖ, в глубь металла. Регулируя с помощью СОЖ взаимодействия этих атомов с материалами детали и режущих инструментов с образовав­шимися на контактных поверхностях соединениями, можно предот­вратить схватывание металлов и образование нароста при резании.

Контактно-гидродинамическое смазочное действие СОЖ харак­теризуется образованием достаточно толстой прослойки пленки, об­ладающей значительной упругостью и способностью воспринимать высокие контактные нагрузки. Такое смазочное действие может ока­зывать большая группа СОЖ, особенно с жировыми присадками. Од­ним из важнейших условий такого образования является вязкость СОЖ, которая должна быть оптимальной для данного вида операции механической обработки.

Для осуществления эффективного смазочного действия должны выполняться следующие требования [28, 56]:

• присадки в СОЖ должны присутствовать в достаточных коли­ чествах;

• компоненты СОЖ должны обладать таким строением и струк­ турой, чтобы было обеспечено проникновение СОЖ в зону резания;

• имеющие место при резании температуры должны быть доста­ точно высоки, чтобы способствовать образованию поверхностных

94

соединений, но не допускать разложения или расплавления этих со­единений;

— скорость резания и скорость прохождения поверхностных ре­акций должны быть соизмеримы, чтобы оставалось время для завер­шения реакций образования защитных слоев; в частности, установлено, что увеличение скорости резания без подбора соответствующих присадок приводит к ограничению доступа СОЖ, уменьшению ско­рости реакции, необходимой для образования поверхностных соеди­нений, и не дает возможности использовать присадки с низкой тем­пературой плавления.

Диспергирующее действие. В основе диспергирующего действия СОЖ лежит эффект П.А. Ребиндера [44], объясняющий влияние внешней среды на диспергирование твердых тел, в том числе влияние СОЖ при резании металлов. Важнейшее из направлений физико-хи­мической механики, получающее эффективное применение при ре­зании в основном труднообрабатываемых материалов, — это пони­жение работы образования новых поверхностей в момент их возникновения в процессе пластической деформации и разрушения твердых тел путем уменьшения поверхностной энергии твердого тела на гра­нице с внешней средой. Если искусственно вводимая в зону обработ­ки внешняя среда обеспечивает относительно слабое уменьшение поверхностной энергии, то достигается поверхностный пластифици­руемый эффект, облегчение и локализация пластической деформа­ции в тонком поверхностном слое. Это объясняется тем, что поверхностно-активная внешняя среда облегчает выход на поверх­ность дислокаций, движение которых и составляет сущность пласти­ческой деформации. Если же в зону обработки вводится сильно поверхностно-активная среда, то достигается охрупчивание твердого тела и облегчение процесса его разрушения.

Физический смысл данной группы явлений заключается в сле­дующем: в ходе разрушения твердого вещества изменяются и пере­страиваются его внутренние связи. Они ослабляются, и их разрыв об­легчается в том случае, если их частично удается направить на взаи­модействие с атомами легкоподвижной внешней среды, в качестве которой используется композиция, в состав которой входят поверх­ностно-активные вещества. Поэтому при обработке металлов по­верхностно-активной внешней средой, способствующей достиже­нию охрупчивающего и диспергирующего эффектов, являются рас­плавы металлов (например, олово, цинк, кадмий-висмутидр.). Одна­ко при резании с обычными СОЖ такой эффект не проявляется.

Защита от коррозии. Один из основных способов защиты от кор­розии при использовании СОЖ — добавление различных присадок,

95

ингибиторов коррозии, увеличивающих щелочность СОЖ и умень­шающих возможность образования ржавчины. В случае использова­ния масляных СОЖ защита от коррозии заключается в способности покрывать или смачивать поверхности режущих инструментов и де­тали защитной пленкой, представляющей физический барьер для протекания электрохимических реакций. По мере того как скорость обработки и твердость обрабатываемого материала детали увеличива­ются, смачивающая способность и проникновение масляных СОЖ ухудшаются, что приводит к ослаблению защитного антикоррозион­ного действия. В этом случае необходимо использовать смазочно-охлаждающие жидкости эмульсионного типа, которые сочетают охлаж­дающие свойства воды со смазочными действиями масел. Они содер­жат предохраняющие от коррозии алканоламины, нефтяные сульфонаты — эмульгаторы, смачивающие агенты, жирные кислоты, которые также способствуют сохранению защитной пленки, остаю­щейся после испарения воды из эмульсии.

При использовании эмульсионных СОЖ для сохранения их анти­коррозионных свойств необходимо поддерживать в допустимых пре­делах заданную концентрацию рабочего раствора, а также контроли­ровать качество применяемой для СОЖ воды, температуры и влажно­сти при лезвийной обработке, условия хранения СОЖ, микробиоло­гический баланс, наличие посторонних примесей и смазок.

При использовании синтетических водных СОЖ защитное анти­коррозионное действие обеспечивается введением различных инги­биторов коррозии в виде комбинаций алканоламинов с нитритом на­трия. Однако образующиеся при таком сочетании нитрозоамины считаются вредными, что ограничивает применение нитрита натрия. Другими присадками, способствующими защите от коррозии, явля­ются бораты, фосфаты в комбинации с алканоламинами и некоторые производные органических кислот. Основными требованиями для выполнения антикоррозионного действия этих присадок являются контроль и поддержание на заданном уровне их концентрации. Необ­ходимо также, чтобы выполнялись требования, предъявляемые к ка­честву воды для приготовления СОЖ: жесткость, температура, содер­жание минеральных солей (хлоридов, сульфатов).

Моющий эффект. Моющее действие СОЖ направлено на обеспе­чение непрерывного удаления из зоны резания продуктов износа ре­жущих инструментов, мелкой стружки и т. д. Моющее действие име­ет первостепенное значение при выполнении финишных операций многими лезвийными инструментами.

96

Для того чтобы СОЖ обладала моющим эффектом, она должна оказывать активное смазочное действие, ей должны быть присущи следующие свойства:

• высокая поверхностная активность, т. е. низкое поверхностное натяжение на поверхностях раздела, что улучшает смачиваемость частиц;

• способность создавать вокруг твердой частицы двойной элек­ трический слой или сольватную оболочку, результатом чего является отделение частиц от твердых поверхностей; это способствует возник­ новению расклинивающего давления;

• способность создавать вокруг частиц достаточно упругие и прочные пленки, в применяемой СОЖ должна содержаться доста­ точно большая доля молекул в коллоидно-дисперсном состоянии.

В то же время необходимо отметить, что требованию хорошей моющей способности отвечает ограниченное число составов СОЖ, в частности керосин и керосино-масляные смеси. Поэтому основными путями повышения моющего действия СОЖ является увеличение ко­личества СОЖ, подаваемой в зону резания в единицу времени, и уве­личение скорости потока.

Кроме указанных свойств СОЖ должна отвечать следующим тре­бованиям [40]:

не снижать эксплуатационных свойств деталей, изготовленных при их применении, прежде всего коррозионной стойкости и проч­ности;

быть устойчивыми при эксплуатации и хранении, т. е. не терять своих основных свойств;

не воспламеняться при температуре резания;

не оказывать вредного влияния при попадании на кожный покров и слизистые оболочки работающих;

не иметь запаха;

не образовывать дым, пену и клейкие вещества;

не смешиваться с машинными маслами;

не оказывать на станок и деталь окрашивающего и коррозионного действия.

В целом СОЖ должны быть надежными в эксплуатации и эколо­гически чистыми.

4.2. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ

Эффективность СОЖ возрастает по мере [28, 56]:

• обеспечения доставки СОЖ ближе к зоне резания;

• увеличения поверхности и физико-химической активности частиц СОЖ (например, при использовании распыленных СОЖ);

7 2719 97

• 

  

  Рис. 4.1. Схема стабилизации смазочно-охлаждающей жид­кости присадкой

  облегчения доступа кислорода к трущимся поверхностям;

• увеличения скорости обтекания СОЖ рабочих участков;

• интенсификации удаления продуктов износа инструментов. Однако перечисленные меры повышения эффективности СОЖ

связаны лишь с условиями их эксплуатации, но не с их свойствами. Если же связывать технологические свойства СОЖ (повышение стойкости режущих инструментов и точности обрабатываемых дета­лей, снижение высоты микронеровностей обработанных поверхно­стей) с их функциональными свойствами (охлаждающим, смазочным, моющим и др.), то необходимо вводить в существующие СОЖ поверх­ностно-активные вещества, в частности, органические кислоты.

Наиболее перспективной представляется новая СОЖ с присадкой из органических кислот и фуранонов, экономичная и экологически чистая.

4.3. НОВАЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩАЯ ЖИДКОСТЬ ДЛЯ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ

В Северо-Кавказском регионе России широкое применение име­ет эмульсол ЭГТ (ТУ 438-101149-75), выпускаемый Ростовским ОАО «Торговый дом «РИКОС» и предназначенный для эмульсий типа «масло в воде», применяемых при обработке металлов резанием. Не­смотря на имеющиеся рекомендации, на машиностроительных пред­приятиях необоснованно используют 1...10 %-е эмульсии, из-за чего эффективность их в ряде случаев низка.

Исследованная новая СОЖ на базе эмульсола ЭГТ отвечает сле­дующим требованиям: высокие эффективность, экономичность и универсальность. В эмульсию из ЭГТ введена присадка следующего химического состава (масс. %): муравьиная кислота 12...13; малеиновая кислота 8...9; фумаровая кислота 7...8; янтарная кислота 8...9; фураноны 35...36; умягченная вода — остальное. При этом учтено сле­дующее.

1. В водной щелочной среде эмульсии ЭГТ а, р — 2(5Н) — фура- ноны превращаются в натриевую соль ненасыщенной 4 — окси — 2 — бутеновой кислоты. Ниже показано такое превращение. Янтар­ ная кислота в щелочной среде образует ионногенные соли

2. Молекулы присадки содержат полярные гидрофильные группы (ОН, СООН, COONa) и неполярные — гидрофобные (углеводород­ ные группы). Эта особенность строения и дифильность молекул уве-

Рис. 4.2. Механизм полного смачивания контактных поверхностей:

1 — гидрофильные группы молекул присадки; 2 — гидрофобные группы молекул присадки; 3 — адсор­бированный слой

личивает способность компонентов присадки растворяться как в иоде, так и в масляной фракции (рис. 4.1): 1 — масляная фракция (!ОЖ; 2 — углеводородный радикал присадки; 3 — полярные гидро­фильные группы молекул присадки; 4~ водная фракция СОЖ; 5 — водородные связи эмульсии, что обеспечивает их поверхност­но - активное действие.

3. Наличие нескольких активных групп в молекулах компонентов присадки может обеспечить синергизм их действия, что проявляется В усилении адсорбции одной группы в присутствии другой. На рис. 4.2 показан механизм полного смачивания контактных поверхно­ стей. Полярные молекулы, ориентируясь в поверхностном слое гид­ рофильными группами к металлической поверхности, понижают по­ верхностное натяжение на границе фаз «металл — жидкость», вслед­ ствие чего образующаяся пленка прочно удерживается на поверхно- сти металла. Адсорбированные слои увеличивают смазочные свойства присадки.

4. Наличие двойных связей в углеводородном радикале молекул присадки аналогично эффективности слабых полярных групп и уве­ личивает поверхностную активность.

5. Поверхностно-активные элементы присадки с С₁…С₄углерод- ными атомами растворимы в воде, они делают эмульсию стабильней при длительном хранении, а янтарная кислота придает высокие биоцидные свойства.

99

6. Н ебольшая концентрация присадки дает СОЖ высокие охлаж­ дающие свойства, присущие воде.

7. Предположено, что для улучшения противозадирных свойств присадки необходимо наличие в ее молекулах нескольких полярных групп, прочно адсорбирующихся на поверхности металла.

При определении процентного соотношения эмульсии и присад­ки ориентировались на водородный показатель рН, который у СОЖ должен быть в пределах 6,5...9. С этой точки зрения оптимальным явилось сочетание: 1,2 % эмульсола ЭГТ и 0,24 % присадки, осталь­ное — умягченная вода.

В результате экспериментальных исследований установлено, что новая СОЖ ведет к 1,5-кратному увеличению стойкости токарных резцов и сверл (в том числе и шнековых) при обработке различных конструкционных материалов [38, 58, 61].

4.4. СПОСОБЫ ПОДАЧИ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ В ЗОНУ РЕЗАНИЯ

Результаты, получаемые при применении СОЖ, зависят от спосо­ба подвода жидкости в зону резания. При охлаждении РИ свободно падающей струей жидкости (рис. 4.3, а) необходимо соблюдать сле­дующие требования:

Рис. 4.3. Методы подвода СОЖ в зону резания

1) жидкость должна подводиться непрерывной струей, начиная с первого момента резания;

100

2. количество жидкости должно быть достаточно большим, но не больше 15 л/мин, так как дальнейшее увеличение количества пода­ ваемой жидкости нецелесообразно; с повышением напора жидкости стойкость инструмента увеличивается, что происходит до определен- i юго предела; при различных видах обработки требуется разное коли­ чество СОЖ (например, при точении и сверлении рекомендуется подводить жидкость в количестве 10... 12 л/мин; фрезеровании — 10...20 л/мин);

3. характер подвода, направление и форма струи должны быть от­ регулированы в соответствии с проводимой обработкой; например, при нарезании резьбы с большой скоростью СОЖ должна подаваться обильной струей; при точении струю направляют в то место, где отде­ ляется стружка — это позволяет отводить наибольшее количество те­ плоты;

4. необходимо следить за состоянием и количеством СОЖ, свое­ временно менять и доливать ее в баки; предельный срок работы эмульсии при обработке стали достигает 30, а чугуна и латуни — 15 дней.

Внутреннее охлаждение. Для достижения большого эффекта по повышению стойкости инструмента используют внутреннее охлаж­дение. При этом жидкость подается по каналам резцедержавки к твердосплавной пластине и непрерывно циркулирует в ней (рис. 4.3, б). Такой способ охлаждения даже при обработке высокопрочных сталей позволяет увеличить скорость резания на 25.. .40 %. Для подачи жидкости через внутренние каналы сверла (рис. 4.3, в) применяется специальный патрон. Стойкость сверл с внутренним подводом СОЖ повышается в 3...10 раз по сравнению с обычными.

Высоконапорное (или напорно-струйное) охлаждение. На рис. 4.3, г показана схема такого охлаждения. В этом случае СОЖ направляется под высоким давлением 1,5...2 МПа к режущей кромке резца со сто­роны задней его поверхности, т. е. снизу. Подача жидкости осуществляется с помощью насосов через фильтр и гибкий шланг с насадкой, имеющей отверстие диаметром 0,4...0,6 мм. Расстояние от выходного отверстия до лезвия резца должно быть как можно меньше, чтобы уменьшить рассеивание струи.

К недостаткам высоконапорного охлаждения относятся: 1) необ­ходимость точного и непрерывного попадания струи в зону резания; 2) сложность защиты от брызг; 3) необходимость оснащения станка специальным насосом.

При таком виде охлаждения стойкость резцов из быстрорежущих палей возрастает в 3...7 раз по сравнению со стойкостью при обыч­ном охлаждении и в 10...20 раз — при сухом точении. Применение

101

в ысоконапорного охлаждения при обработке резцами, оснащенны­ми твердым сплавом, менее эффективно. Стойкость таких резцов возрастает лишь в 1,5 раза по сравнению со стойкостью при обычном охлаждении.

Охлаждение распыленной жидкостью. В этом случае СОЖ с помо­щью сжатого воздуха распыляется на мельчайшие капельки и вместе с воздухом в виде тумана с большой скоростью подается в зону резания. Расход жидкости очень мал. Стойкость инструмента повышается от 2 до 4 раз по сравнению со стойкостью при обычном охлаждении сво­бодно падающей струей.

Распыленная жидкость оказывает наибольший охлаждающий эф­фект по сравнению с остальными способами охлаждения, так как: 1) смесь жидкости и воздуха расширяется при выходе из сопла и при этом ее температура снижается до 4... 12 °С; 2) распыленные частицы жидкости очень малы и, попадая на разогретую поверхность стружки и инструмента, легко испаряются, интенсивно поглощая дополни­тельную теплоту; 3) имея меньшую вязкость, распыленная смесь лег­че проникает в микротрещины.

При охлаждении распыленной жидкостью стойкость РИ выше в два раза по сравнению со стойкостью при высоконапорном охлажде­нии. Кроме того, способ охлаждения распыленной жидкостью более удобен, так как не требует точного направления струи [78].