1496

своевременно удалять из зоны резания образующуюся стружку

ипродукты износа инструмента. Таким образом, СОТС является органическим элементом комплекса средств, обеспечивающих эффективную эксплуатацию металлообрабатывающего оборудования

иосвоение новых прогрессивных методов и технологических процессов обработки металлов. Являясь одним из наиболее важных переменных факторов состояния системы резания, они оказывают глубокое и многостороннее влияние на все показатели ее функционирования. При выборе и назначении рациональной СОТС необходимо обеспечить выполнение основных требований по эксплуатационным свойствам.

Смазочно-охлаждающая жидкость представляет собой комбинацию материалов, подаваемых к инструменту и заготовке, основной функцией которой является смазка, охлаждение и удаление стружки из зоны резания. Однако к смазочно-охлаждающей жидкости предъявляется ряд других требований, которые должны быть выполнены, если мы хотим обеспечить оптимальные рабочие характеристики смазочно-охлаждающей жидкости, используемой при обработке металлов.

Требования к СОТС.

1.Хорошее смазывающее действие. Это требование идентично требованию быстрого охлаждающего действия. Низкая величина поверхностного натяжения смазочно-охлаждающей жидкости содействует лучшему проникновению смазочных веществ между стружкой, инструментом и заготовкой. 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 выдвигаются 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 произ-

91

водит пластификацию поверхностных слоев. Известна теория «каталитического 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 меньших затратах энергии. 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 мезоморфное. Большинство специалистов в области механообработки и трения считают, что при резании металлов активные в химическом отношении поверхности круга и стружки вступают в химическую реакцию с компонентами смазочного материала, в результате чего образуются защитные пленки, экранирующие силы адгезии между ювенильными поверхностями.

2. Охлаждающее действие СОТС. Вторым функциональным требованием, предъявляемым к жидкости, является охлаждающее действие. Оно определяется отводом тепла, образуемого при деформации металла и трением между стружкой и инструментом. Вода и минеральное масло используются в качестве основы для создания СОЖ и прямых смазочно-охлаждающих масел. В отношении охлаждающего действия определяющими характеристиками являются удельная теплота и теплопроводность.

Совершенно ясно, что вода является гораздо лучшей охлаждающей средой по сравнению с минеральным маслом. Вода отводит тепло в 2–3 раза быстрее, чем масло. Кроме того, она испаряется при гораздо более низкой температуре и поэтому проникает гораздо легче в граничную поверхность между стружкой и инструментом.

Охлаждающее действие СОТС имеет ясную и однозначную трактовку: непосредственный результат охлаждающего действия за-

92

ключается 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.

3.Смывающее действие. Третьим функциональным требованием, предъявляемым к смазочно-охлаждающей жидкости, является способность удалять стружку из зоны резания для того, чтобы предупредить повреждения инструмента или обрабатываемой детали. При некоторых операциях, когда смазывающее действие и охлаждение не слишком важны, основной причиной выбора смазочноохлаждающей жидкости может являться ее способность удалять стружку и предупреждать загрязнение. Основной функцией смазочных веществ, обеспечивающих граничную смазку, является образование на металлической поверхности веществ, имеющих низкое сопротивление стружкоотделению. Но такие вещества эффективны только в твердой форме и теряют свою эффективность, когда температура превышает их точку плавления. Точки плавления обычно применяемых веществ следующие: жирные кислоты – 150 °С; хлори-

ды – 500 °С; сульфиды – 1000 °С.

Следующим важным аспектом этих веществ является сопротивление стружкоотделению. Для разных продуктов оно разное, например, сопротивление ионов сульфида гораздо выше, чем ионов хлорида.

4.Диспергирующее действие. Это облегчение деформации. Основано на эффекте Ребиндера. Эффект заключается в том что молекулы ПАВ, попадая в микротрещины, своими зарядами ориентированы так, что происходит их расталкивание и углубление микротрещин. Это и есть расклинивающее действие. Таким образом,

93

инструмент удаляет разрыхленный слой металла, который оказывает меньшее сопротивление резанию. Это проявляется сильнее при срезании стружек малой глубины, которая соизмерима с глубиной разрыхленного слоя.

5. Быстрое проникающее действие. Для обеспечения оптималь-

ного охлаждающего действия жидкость должна иметь способность легко проникать в пространство между стружкой и инструментом. Чем меньше поверхностное натяжение, тем лучше. На практике сма- зочно-охлаждающие жидкости должны иметь поверхностное натяжение порядка 30–40 дин/см. Чтобы проявить смазочное действие, среда должна проникнуть на контактные площадки между инструментом и заготовкой. Механизм проникновения СОТС до сих пор остается предметом научных дискуссий.

Согласно исследованиям различных авторов предложены четыре основные схемы поступления смазочного материала в контактную зону при резании металлов (рис. 49). Наиболее вероятной представляется модель проникновения через сеть капилляров между поверхностями стружки и инструмента (рис. 49, а). 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 (рис. 49, б). Так как трущиеся поверхности обычно имеют значительную шероховатость, то в местах соприкосновения

Рис. 49. Схемы поступления смазочного материала в контактную зону при резании металлов: а – через сеть капилляров; 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 насыщенный дефектами деформируемый

материал стружки

94

выступов давления очень велики, а в пустотах также образуется вакуум. Частицы смазочных веществ засасываются в пустоты и проникают в микротрещины. В процессе механической обработки всегда имеет место вибрация. СОТС проникает в зону шлифования за счет нарушения плотности контакта вследствие колебаний инструмента и заготовки (рис. 49, в). Получены данные о том, что при определенных режимах резания проникновение смазочного материала в контактную зону происходит в форме поверхностной миграции (диффузии) поверхностно-активных молекул (рис. 49, 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, 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.

6.Высокая стабильность свойств. Для того чтобы обеспечить наивысшую производительность и качество продукции, смазочно-ох- лаждающая жидкость должна быть стабильной в воде, иначе говоря, поддерживать стабильный химсостав. Сегодня стало возможным выбрать смазочно-охлаждающую жидкость, которая остается стабильной в очень жесткой воде.

7.Коррозионная агрессивность. Смазочно-охлаждающие жид-

кости должны защищать обрабатываемые детали и станки от коррозии, как во время самой металлообработки, так и во время коротких межстаночных интервалов в процессе производства. Существуют продукты, специально предназначенные для снижения коррозии как черных, так и цветных металлов (ингибиторы коррозии – вещества, препятствующие появлению коррозии); некоторые СОЖ сами обес-

95

печивают достаточную антикоррозионную защиту цветных или черных металлов.

8.Устойчивость к бактериальному поражению. Смазочно-ох-

лаждающие жидкости должны хорошо противостоять появлению бактерий. Они должны содержать безопасные и эффективные бактерициды, которые контролируют размножение микроорганизмов, попадающих в смазочно-охлаждающую жидкость вместе с водой, смазочным маслом, используемым в станке, с обработанных деталей и т.д.

9.Малое пенообразование. Вообще говоря, пенообразование считается нежелательным свойством смазочно-охлаждающих жидкостей. Пена поддерживает частицы шлама, рециркулирует грязь

итаким образом может испортить чистоту поверхности обрабаты-

ваемой детали. Кроме того, избыточное пенообразование ведет к ускоренному росту количества бактерий и переполнению резервуара жидкости, что может отрицательно сказаться на безопасности труда, если не провести дополнительную чистку станка и резервуара.

10.Противопожарная безопасность. Смазочно-охлаждающие жидкости не должны дымиться или воспламеняться. При добавлении керосина в масло, например для процесса хонингования, должны предусматриваться противопожарные меры безопасности.

11.Экологическая безопасность. Смазочно-охлаждающие жид-

кости должны быть чистыми и безопасными в обращении с точки зрения дерматологии и токсикологии. Не должны иметь вредные неприятные запахи. Безопасные продукты должны улучшать условия труда.

12.Возможность осаждения шлама в СОЖ. Осаждение шлама является важной характеристикой жидкости, в особенности при определенных видах работ. Например, при шлифовании частицы металла и абразива должны осаждаться на дно резервуара, откуда их можно легко удалить. Они не должны циркулировать вместе со смазочно-охлаждающей жидкостью, так как это ведет к износу деталей станка и уменьшает срок службы круга, а также ухудшает чистоту обработки поверхности. С другой стороны, слишком быстрое

96

осаждение может привести к тому, что шлам осядет на станине станка.

13. Отсутствие нежелательных осадков. Смазочно-охлаждаю-

щие жидкости не должны образовывать или содействовать появлению нежелательных отложений на деталях или станках. Твердые или липкие отложения препятствуют перемещению деталей станка и резко отрицательно влияют на точность обработки поверхности. С другой стороны, мягкие и маслянистые отложения также весьма нежелательны, так как они захватывают пыль, частицы металла и абразивные частицы.

Классификация СОТС. Современные смазочно-охлаждающие технологические средства – 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 обрабатываемых материалов и операций, а подчас оказывать и вредное воздействие на процесс резания и стойкость.

Для выбора наиболее рациональной СОТС необходимо изучить общую классификацию этих средств. Все виды современных СОТС можно разделить на четыре группы: газообразные, жидкие, твердые и пластичные (рис. 50). Из рассмотренных можно выделить две основные группы СОЖ: масляные (основной компонент – масло) и водные (основа приготовления которых – разбавление водой). В свою очередь водные делятся на эмульсии, полусинтетические и синтетические продукты. Рассмотрим подробнее эти типы СОЖ.

Масляные СОЖ. Масляными являются смазочно-охлаждающие жидкости, полученные из нефти, а также масла животного, морского или растительного происхождения. Использование минеральных масел при шлифовании широко внедрено на станках с ЧПУ при изготовлении сложнофасонных поверхностей типа зубьев шестерен,

97

резьбы. Масляные СОЖ также применяются для резания легкообрабатываемых металлов, таких как алюминий, магний, бронза и т.д., и тогда, когда станки непригодны для использования продуктов на водяной основе. Минеральные масла, в основном, используются в качестве основы для смеси. В качестве таковых они функционируют как носители полярных присадок для увеличения смачивающего действия и улучшения смазывающих свойств. Кроме того, к ним можно добавлять противозадирные присадки обычно в виде серо- и хлорсодержащих соединений. Масляные смазочно-охлаждающие жидкости характеризуются слабым охлаждающим действием по сравнению с продуктами на водяной основе. Масляные СОТС представляют собой высокоочищенные минеральные масла вязкостью 2–40 мм2/с при 50 °С без присадок или с присадками различного функционального назначения. Масляные СОТС изготовляют простым смешением компонентов (базового масла и присадок) без химического их взаимодействия до образования однородной жидкости.

Водные эмульсии. Продукт типа эмульсии состоит из капелек масла в воде и получается путем смешивания масла с эмульгаторами. Эти продукты в основном содержат минеральное масло, но к ним также можно добавлять твердые и жидкие животные и растительные масла и жиры или другие химические соединения для получения эмульсий с повышенной смазывающей способностью.

Продукты эмульсионного типа для тяжелых режимов работы получаются с помощью серо- и хлорсодержащих противозадирных присадок. В этих продуктах для тяжелых режимов работы минеральное масло исполняет роль носителя противозадирных присадок. Размер капелек эмульгированного масла обычно составляет 1–2 мкм, т.е. они достаточно большие, чтобы отражать почти весь падающий на них свет. Поэтому эти продукты имеют молочный или матовый цвет.

Полусинтетические СОЖ. Полусинтетические продукты содержат сравнительно небольшое количество масла. Они имеют другие свойства, позволяющие им эмульгировать масло, обеспечивать высокий смачивающий эффект, контролировать появление коррозии,

99

обеспечивать противозадирную смазку, а также подавлять развитие бактерий. При разведении в воде они образуют очень мелкодисперсную смесь, которая является полупрозрачной. Преимущества полусинтетических продуктов по сравнению с эмульсиями следующие: улучшенные свойства подавления бактериального поражения и коррозиеустойчивость; они показывают хорошие результаты при шлифовании и тяжелых режимах обработки металлов резанием.

Синтетические СОЖ. Синтетические продукты не содержат масла. Их отличительное свойство – это высокая коррозионная стойкость и отличное смачивающее и охлаждающее действие. В зависимости от типа добавленной присадки они могут также обеспечивать противозадирные и противоизносные свойства. В смеси с водой они образуют чистую прозрачную жидкость (хотя иногда эта жидкость имеет характерный искусственный цвет, так как в СОЖ были введены присадки).

Существуют два типа синтетических продуктов:

1.Истинные растворы, основной функцией которых является антикоррозионная защита детали и станка. Это отличные продукты для некоторых типов шлифовальных работ (в особенности для плоских поверхностей), они также бывают чрезвычайно эффективны при операциях по обработке чугуна.

2.Растворы для тяжелых режимов работы, которые являются сложными растворами. Они имеют более высокое смачивающее действие, более низкое поверхностное натяжение, чем простые растворы. Обладают способностью снижать трение, которое проявляется

вразной степени, а также имеют различную степень способности обеспечивать противозадирную смазку, в зависимости от конкретной присадки. Они больше всего пригодны для тяжелого шлифования, для шлифования на бесцентровых станках, а также для других видов работ, таких как микроцентрическое шлифование, где заготовка скользит на опорных поверхностях. Эти растворы для тяжелых режимов являются отличными продуктами для обработки нержавеющей стали и титана. Они не содержат масла, однако обеспечивают высокую смазывающую способность в широком диапазоне давлений.

100