3.2.2. Классификация смазочно-охлаждающих технологических средств

Современные СОТС – это сложные многокомпонентные системы. Однако процессы обработки металлов резанием характеризуются исключительно большим многообразием, обусловленным обшир­ной номенклатурой обрабатываемых и инструментальных материа­лов, спецификой конкретных операций, характером и масштабом производства. Поэтому СОТС и методы их применения, высокоэф­фективные для одной группы обрабатываемых материалов и операций, могут быть малоэффективными для других, а подчас оказывать и вредное воздейст­вие на процесс резания и стойкость. Среди жидкостей выделяют две основные группы: масляные СОЖ (основной компонент – масло) и водные (основа приготовления – разбавление водой). В свою очередь водные делятся на эмульсии, полусинтетические и синтетические продукты. Применение СОТС способствует снижению температуры резания; оно приводит к уменьшению внешнего трения и охлаждению зоны резания.

Как показали исследования проф. Ребиндера, СОТС, проникая в трещинки и поры металла, производят охрупчивание метала в зоне резания, а для хрупкого металла меньше усадка стружки, меньше сила резания, меньше выделяемое количество теплоты, ниже и температура резания. Кроме того, применение СОТС препятствует наростообразованию, и в этом отношении в ряде случаев изменяют условия трения на различных участках передней поверхности инст­румента. Применение СОТС в среднем снижает температуру резания на 80…120 °С. Следует отметить, что вид использования СОТС оказывает существенное влияние на температуру (рис. 94).

И

Рис. 94. Влияние СОТС на температуру резания:

₁ – без СОТС;

₂ – охлаждение туманом; ₃ – охлаждение по­ливом

сходным моментом при решении вопроса о составе среды, способном дать положительный эффект, является отчетливое представ­ление о том, какое воздействие на данной операции или на иной груп­пе операций должны оказывать СОТС.

Анализ литературных источников позволил сделать заключение, что в настоящее время в промышленном масштабе в основном освое­но применение лишь масляных и водосмешивающих СОТС, дающих наибольший эффект в повышении производительности труда и улуч­шении качества обработанной поверхности (табл. 5).

Большой интерес представляет группа СОТС, не вошедших в справочную литературу, находящихся в стадии опробования, на ко­торые получены авторские свидетельства. Эти среды создавались с учетом самых современных представлений о механизме их действия, вводимые в состав СОТС различные присадки способны оказывать одновременно несколько действий на обрабатываемый материал. Так, разработанную в Ивановском университете СОЖ, в со­став которой входят роданистый аммоний 18…23 %, роданистый на­трий 5…11 %, спирт этиловый 28…30 %, триэтаноламин 3…10 % и осталь­ное – вода, использовали при точении молибдена. Роданистый аммо­ний и натрий, входящие в состав СОТС, попадая в зону резания, под действием энергетических воздействий разлагаются на активные ра­дикалы роданида аммония и натрия. Роданидная группа обладает способностью образовывать комплексные соединения с молибденом, создавая защитные пленки на поверхности металла, которые препят­ствуют адгезии в зоне контакта резец–стружка и снимают внешнее трение в системе. Наличие в композиции аммонийной группы приво­дит к охрупчиванию молибдена, облегчая процесс сдвиговых дефор­маций. Ионы натрия действуют двояко: и как поверхностно-активные

Таблица 5

Современный ассортимент СОТС

Марка	Состав	Обрабатываемый материал, операция	Коэффициент стойкости
1	2	3	4
Укринол-1 (ТУ 38101197–82) Укринол-1М (ТУ 38101878– 83) Укринол-ЗП (ТУ 38101847–83)	2…15 % – водные эмульсии, композиция минерального масла И-12А, нефтяных сульфонатов, экстракта трансформаторного дис­тиллята, триэтаноламина, нитрита натрия и др.	Чугуны, углероди­стые, низко- и среднелегированные конструкционные стали на операциях точения, раста­чивания, зенкерования, протягивания, шлифования	1,5…2,5
В-29б, В-32к, В-35 (ТУ 3810188–75) В-31 (ТУ 3810189–75)	Однородная маслянистая жидкость темно-корич­не­вого цвета с раз­личными противозадирными присадками	Алюминиевые сплавы	1,2…1,5

П родолжение табл. 5

1	2	3	4
Аквол-2 (ТУ 38101581–79) Аквол-6 (ТУ 38101875–82) Аквол-10м (ТУ 38101931–83)	2…10 % водные эмульсии, смесь композиций ЭК-1 (40 %) в минеральном мас­­ле типа И-12А (35…41 %), высокоактивные противозадирные присад­ки – хлорированный пара­фин (10…15 %), органиче­ские и неорганические ин­гибиторы коррозии и др.	Легированные, кор­ро­зионно-стойкие стали, алюминиевые сплавы, инструмен­тальные стали на операциях точения, растачивания, от­резки, резьбонарезания, протягива­ния, шлифования чугунов	1,7…3,0
МР-1у, МР-7 (ТУ 38101731–80) МР-8у (ТУ 38101780–82) МР-10 (ТУ 38101973–84)	Масляные СОТС, концен­траты для приготовления масляных СОТС с высокозадирными и противозадирными присадками (хлорсульфидированного жи­ра, молотой серы) в ин­ду­стриальном масле (И-5А, И-12А, И-20А и др.)	Конструкционные угле­родистые и легированные стали, жаропрочные стали и сплавы на опера­циях точения, от­резки, сверления, зенкерования, фрезерования, зубообработки и др.	1,5…3,0

О кончание табл. 5

1	2	3	4
(ТУ38201349–80) МХО-64а (ТУ 388016–81) МХО-7С ГОСТ 20799–75 МХО-62 ГОСТ 6243–75	Полимерсодержащие, в со­став входит латекс поливинилхлорида, триэтаноламин, уротропин, нитрит натрия, синтепол ДС-Ю, стеарат кальция, динитрила-зоизамасляная кислота, минеральное масло И-12А	Углеродистые, инст­ру­ментальные, легированные, коррозионно-стой­кие стали и сплавы на всех опе­рациях лезвийной обработки и шли­фо­вания	1,2…3,0
Сплав Вуда	Висмут – 50 %; олово – 12,5 %; кадмий – 12,5 %; свинец – 25 % (температура расплава 80…100 °С). Олово 57…67 %; свинец 33…43 % (температура расплава 190…200 °С). Вис­мут – 55…65 %; кадмий – 35…45 % (температура расплава 150°). Олово 85…95 %; цинк 5…15 % (температура расплава 200 °С)	Алюминий и сплавы на его основе. Медь и сплавы на ее основе, легированные стали, малоуглеродистые стали. Высокоуглеродистые, закаленные, сложнолегированные инструментальные стали и сплавы	1,5…2,0

вещества, и как катализаторы процесса комплексообразования. Спирт этиловый предназначен для улучшения смачивающей, проникающей и охлаждающей способности СОТС, снижает температурные нагруз­ки на режущий клин. Триэтаноламин выполняет функции ингибито­ра коррозии. В Ивановском государственном университете занима­ются также разработкой присадок к СОТС в виде микрокапсул (МК). Придание среде многофункциональности действия при помощи присадок позволяет: регулировать температурный порог поступления присадки в контактную зону «резец–обрабатываемый материал» за счет заданной термостойкости оболочки МК 15; обеспечить совмест­ное действие двух или нескольких присадок, не совместимых в рас­творенном виде, в том числе через введение присадок не только в объем МК, но и в состав ее оболочки; снизить уровень вредных выде­лений в зону обслуживания; обеспечить введение биоцидов в ионном виде путем поступления присадки через полупроницаемую оболочку МК в объем жидкости; при регенерации и утилизации СОТС удалять остатки непрореагировавшей присадки за счет отфильтровывания МК; предохранять оборудование и магистрали среды от корро­зионного воздействия присадки.

В СКТБ медицинской техники производственного объединения «Росмедприбор» разработано СОТС для механической обработки металлов, в состав которого входит эмульсия на основе нефтяных ма­сел 0,3…0,5 %, мочевина 0,3…1,6 %, молибденово-кислый натрий 0,1…0,6 %, остальное – вода.

Иркутским институтом органической химии, Иркутским поли­техническим институтом и Иркутским педагогическим институтом рекомендуется СОТС 13 для механической обработки металлов, со­держащее неполную железную соль полиакриловой кислоты 0,5…3,0 %, едкий натр 0,2…2,0 %, кальцинированную соду 0,5…1,0 % и остальное – вода.

Хозрасчетным творческим центром при Уфимском государствен­ном авиационном техническом университете разработан ряд новых оригинальных СОТС для механообработки, сумевших заменить ана­логичные зарубежные марки. Перечислим их.

1. «Росойл-101» – средневязкое масляное СОТС на основе мине­ральных масел. В настоящее время используется на операциях чисто­вой вырубки, листовой штамповки углеродистых и нержавеющих сталей, холодной высадки, протягивания и лезвийной обработки ме­таллов. Благодаря высоким противозадирным свойствам существенно снижает износ металлообрабатывающего инструмента и превышает по качеству зарубежные смазки «Куртис-55» и «РТ-15» (Швейцария).

2. «Росойл-305» – маловязкое минеральное масло, легированное противоизносными и моющими присадками. Предназначено для лез­вийной и абразивной обработки металлов и сплавов. Явля­ется анало­гом смазки «ОСМ-1». Разрабатывалось по заказу АО «АвтоВАЗ».

3. «Росойл-320» – средневязкая масляная СОЖ с повышенными противозадирными свойствами. Предназначена для раздачи алюми­ниевых труб и лезвийной обработки сталей и сплавов. Разрабатыва­лась по заказу ОАО «ДААЗ», г. Димитровград.

4. Эмульсол «Росойл-500» – водоэмульсионная СОЖ на базе ми­неральных масел. Применяется в виде 3…10%-ной водной эмульсии для металообработки, а также в качестве ингибитора коррозии для промасливания фосфатированных деталей и рабочей жидкости в гид­росистемах. Разрабатывалась по заказу АО «Автонормаль», г. Белебей.

5. Эмульсол «Росойл-503» – сложная композиция на базе мине­ральных масел и функциональных присадок. Универсальная СОЖ для тяжелонагруженных операций обработки давлением и механооб­работки. Может использоваться как в виде концентрата, представляя собой высокоэффективную масляную СОЖ, так и в виде 3…15%-ной водной эмульсии. И концентрат, и эмульсия обладают высокими ан­тифрикционными и противозадирными свойствами. Разрабатывалась по заказу УМПО, г. Уфа.

6. «Росойл-ОСМ-3» – маловязкое минеральное масло с моющими, противозадирными и антифрикционными присадками. Пред­назначено для лезвийной и абразивной обработки металлов и спла­вов. Является аналогом смазки «ОСМ-3». Разрабатывалось по зака­зу АО «АвтоВАЗ».

7. «Росойл-ОСМ-5» – средневязкое минеральное масло с противоизносными и противозадирными присадками. Используется на различных операциях механообработки. Является аналогом смазки «ОСМ-5». Разрабатывалось по заказу АО «Ижмаш».

8. «Росойл-ИСЭ-25» – средневязкое минеральное масло с вы­сокими моющими свойствами, легко удаляемое с поверхности метал­ла. Применяется на операциях зубообработки, а также в качестве ос­новы противопригарной краски для литейных полуформ. Разрабаты­валось по заказу АО «АвтоВАЗ».

9. «Росойл-23М» – присадка к минеральным маслам, исполь­зуемым в механообработке. Является аналогом присадки «ЛЗ-23М» с повышенными противозадирными, противоизносными и антифрик­ционными свойствами. Разрабатывалась по заказу АО «АвтоВАЗ».

10. «Росойл-1МИО» – масляная СОЖ, предназначенная для операций шлифования стали. Представляет собой аналог «ЛЗ-СОЖ-1МИО» с более высокими противозадирными и противо­износными свойствами. Разрабатывалась по заказу АО «АвтоВАЗ».

11. Паста технологическая «Шлиф» – однородная парафинообразная масса без комков и механических включений. Предназначена для абразивной обработки металлов (смазывания абразивной ленты). Яв­ляется аналогом технологической пасты «Натронал-1М». В настоя­щее время используется на Волжском автозаводе на операциях полировки декоративных накладок. Выпускается в виде брикетов и каран­дашей.

Использование вышеперечисленных СОТС повышает стойкость инструмента, производительность труда, улучшает качественные ха­рактеристики обрабатываемых материалов. Однако наличие в средах солей и мыла различных кислот, соединений хлора, кальцинирован­ной соды и других химически активных присадок может оказать вредное воздействие как на станочника, работающего непосредствен­но с ними, так и через испарения в окружающую среду в целом и на оборудование. Отходы этих СОТС экологически вредны. Наиболее приемлемое использование данных технологических средств – на станках с ЧПУ, при работах, где используется «безлюдная» технология обработки деталей.

Интересные эксперименты по использованию твердых присадок к смазкам проводились и проводятся в ряде институтов страны.

Попытка использования в качестве СОТС легкоплавких металлов показала их способность воздействовать на процессы механической обработки через эффект Ребиндера. Физический смысл эффекта сводится к тому, что компенсация обнажающихся в ходе разрушения новых связей родственными атомами легкоподвижной среды облегчает разрыв таких связей, т.е. облегчает развитие новой поверхности. Главным условием, определяющим эффективность использования эффекта Ребиндера, является специфическая родственность среды (сходство в химическом составе и строении). Практически для всех типов твердых тел существуют родственные среды. По отношению к металлам сильно поверхностно-активными средами оказываются расплавы ртути – для цинка и латуни; галлия – для алюминия и его сплавов; висмута – для меди и бронз; цинка – для железа и сталей; кадмия – для титана; цинка и олова – для жаропрочных сплавов и ста­лей.

Так, анализ работ, проведенных в Московском институте физиче­ской химии при сверлении жаропрочных сталей и сплавов, таких как У8, 1Х18Н9Т, ЖС6К, ВТ-6, ВТ-14, ВТ-20 и т.д., показал, что использование в качестве среды расплавов легкоплавких металлов увеличивает стойкость инструментов до 30 раз по сравнению с обработкой всухую, существенно снижает температуру в зоне резания (на 400…500 °С), что способствует увеличению режимов обработки и повышению производительности труда, качество обработанной поверхности не ухудшается.

В Чувашском государственном университете созданы СОТС нового класса – синтетические среды для скоростного резания металлов, где в качестве термостойких присадок введены комплексные соединения металлов. Широкие исследования ряда составов этого класса позволили выделить два из них – Сувар 1 и Сувар 2, показавшие высокие технологические свойства – двух-трехкратное повышение стойкости резцов на скоростях резания 2,5 м/с и более – при обработке конструкционных сталей.

Аналогичные работы по созданию новых присадок к СОТС проводятся и в Уфимском государственном авиационном техническом университете на кафедре «Автоматизированные технологические системы». Так, для обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе (ЖС6У, ЖС6УВИ) и титановых сплавов (ВТ-22, ВТ-25У и др.) предложено в качестве присадок к СОТС использовать мелкозернистый порошок меди (4 %) с величиной зерна не более 0,005 мм. Применение вышеназванной присадки позволило повысить стойкость ин­струмента в 1,3…1,5 раза, качественные характеристики обработанной поверхности (шероховатость, остаточные напряжения, глубина и сте­пень наклепа) улучшаются в 1,1…1,3 раза по сравнению с обработкой при использовании обычных СОТС (см. табл. 5).

Разработка многофункциональных синтетических сред имеет большие перспективы, так как с помощью таких СОТС можно успешно решать технологические задачи, управлять контактными процессами, от которых зависят стружкозавивание, качество обработанной поверхности, стойкость инструмента и производительность обработки.

Влияние смазочно-охлаждающих технологических средств на процесс резания металлов обусловливается, прежде всего, совместным проявлением их смазочного, охлаждающего и моющего действия.

Смазочное действие СОТС. Обычно смазочное действие СОТС сводят к уменьшению трения на передней и задней гранях ин­струмента. Однако еще не создана общепринятая теория, объясняю­щая механизм действия среды. Отечественными и зарубежными учеными выдвигается ряд гипотез и теорий, объясняющих механизм действия СОТС при резании металлов. В работах Ребиндера и его со­трудников показано, что в условиях высоких контактных давлений наличие в смазке поверхностно-активных компонентов (органиче­ских кислот, мыл, спиртов, расплавов металлов), адсорбирующихся на новых участках поверхности, обеспечивает невытесняемость смаз­ки и производит пластификацию поверхностных слоев. В.Н. Латышев приводит теорию «каталического распада», согласно которой молеку­лы внешней среды под действием силового поля ювенильных по­верхностей, образующихся при резании, разрушаются с образованием атомов, диффундирующих в деформируемый металл. В результате этого процесса металл в зоне деформации быстрее достигает пре­дельной прочности (охрупчивается) и разрушается при меньшей за­трате энергии. Теория основана на механизме огра­ничения контактной длины между стружкой и передней поверхно­стью резца. Авторами другой работы была сформулирована ги­потеза о том, что смазочный эффект при резании металлов обеспечи­вается за счет разделения контактных поверхностей третьим телом с вырожденной кристаллической решеткой, когда уменьшение протя­женности кристаллической решетки уже не обеспечивает регулярно­сти структуры. Такое состояние вещества характеризуется как мезаморфное. Большинство специалистов в области механообработки и трения считают, что при резании металлов активные в химиче­ском отношении поверхности резца и стружки вступают в химиче­скую реакцию с компонентами смазочного материала, в результате чего образуются защитные пленки, экранирующие силы адгезии ме­жду ювенильными поверхностями.

Охлаждающее и моющее действие СОТС. Охлаждающее действие СОТС имеет ясную и однозначную трактовку: непосредственный результат охлаждающего действия заключает­ся в изменении температурного поля системы твердых тел (инструмент, заготовка и стружка), взаимодействующих при резании. Среда с высокими охлаждающими свойствами уменьшает температуру при резании за счет теплоотвода на 100…150 °С, а расплавы легко­плавких металлов – на 400…500 °С. Моющее действие СОТС обеспечивает непрерывное удаление из зоны обработки продуктов изнашивания инструмента, мелкой струж­ки, карбидов и т.д. Следствием повышения моющего действия сред является увеличение количества жидкости, подаваемой в зону реза­ния в единицу времени, и увеличение скорости потока.

Проникающая способность СОТС. Чтобы проявить смазочное действие, среда должна проникнуть на контактные площадки между инструментом и заготовкой. Механизм проникновения СОТС до сих пор остается предметом научных дискуссий.

В книге В.Н. Латышева согласно взглядам различных авторов приведены четыре основные схемы поступления смазочного материала в контактную зону при резании металлов (рис. 95).

Проникновению жидкости в зону резания способствуют периодические процессы срыва и образования частиц нароста. В момент отрыва частиц нароста на мгновение образуются вакуумные пустоты, которые заполняются жидкостью (см. рис. 95, а). Так как трущиеся поверхности обычно имеют значительную шероховатость, то в местах соприкосновения выступов давления очень велики, а в пустотах также образуется вакуум. Частицы смазочных веществ засасываются в пустоты и проникают в микротрещины.

а б в г

Рис. 95. Схемы поступления смазочного материала в контактную зону при резании металлов: а – через сеть капилляров между поверхностями стружки и инст­румента; б – за счет образования полостей, вызванных периодическими срывами нароста; в – за счет нарушения плотности контакта вследствие колебаний инструмента и заготовки; г – в результате диффузии через на-

сыщенный дефектами деформируемый материал стружки

Н.В. Перцов и В.Н. Сердюк получили данные о том, что при оп­ределенных режимах резания проникновение смазочного материала в контактную зону происходит в форме поверхностной миграции (диффузии) поверхностно-активных молекул (см. рис. 95, г). Согласно данной модели, если даже на контактной поверхности раздела успела образоваться пленка хемосорбированного вещества, молекулы смазочного материала способны мигрировать в виде плотного монослоя поверх этой пленки с достаточно большой скоростью, чтобы обеспечить смазочный эффект в среднем диапазоне скоростей резания.

Итак, вопрос о проникновении СОТС в зону резания продолжает обсуждаться, и даже, несмотря на отрицательные суждения ряда авторов на этот счет, выдвинутые вышеперечисленные гипотезы, большинство из которых подтверждены экспериментально, позволяют считать доказанным факт проникновения и наличия химического смазочного действия СОТС в пределах большей части площади контактного взаимодействия инструмент–заготовка.