Исследование влияния сож iia процесс взаимодействия инструмента ii заготовки при обработке металлов резанием

    2.3.5. Моющая способность  СОЖ

    Моющая  способность СОЖ определяется степенью очистки детали и инструмента  в зоне резания от шлама, содержащего  мелкие частицы стружки, обрабатываемого  материала, инструмента, которые удерживаются на поверхности твердых тел элсктростатиками и механическими силами.

    Получение количественных зависимостей для определения  моющих способностей СОЖ в процессе резания представляет значительные трудности, так как эффективность моющего действия зависит от состава шлама, метода обработки, микрогеометрии обработанной поверхности, материалов инструмента и детали.

    Моющую  способность СОЖ можно оценить  косвенным методом по физико-химическим свойствам: поверхностному натяжению, скорости растекания по поверхности, эмульгирующей  и диспергирующей способности - или прямым, основанным на измерении суммарного количества загрязнения, удаленного за определенный промежуток времени, степени очистки поверхности от загрязнения и коэффициента отражения света от светлых поверхностей, который можно определить фотометрически.

2.4. Выводы

1. Для оценки эффективности СОЖ предложена расчетная модель, учитывающая физико-механическую природу процесса резания и контактное взаимодействие поверхностей заготовки с рабочими поверхностями инструмента.
2. Предложено уравнение, устанавливающее связь между заданной стойкостью режущего инструмента Т„, допустимым износом Л, шероховатостью контактирующих поверхностей С = /(^_ZJ,/?_Z2) и условиями контакта.
3. Направленный выбор высокоэффективных составов СОЖ целесообразно проводить на основе результатов испытаний их функциональных свойств: смазочных, режущих, охлаждающих и т.п.
4. Смазочные свойства СОЖ оказывают значительное влияние на скорость износа режущего инструмента.
5. Режущие свойства СОЖ способствуют уменьшению прочности тончайших поверхностных слоев обрабатываемого металла под действием жидкой среды

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА СОЖ

    ЗЛ. Методология подбора  и разработки новых  составов СОЖ

    На  наш взгляд, методология подбора  и разработки новых составов СОЖ  должна быть многоплановой. Она должна основываться как на теоретических, так и на экспериментальных исследованиях. Выбор СОЖ должен базироваться на системном подходе, который позволяет рассматривать СОЖ как сложную систему, обладающую определенными физико- химическими и функциональными свойствами. Реализация этих свойств зависит от условий обработки.

    Рассмотрим  теоретические и экспериментальные  аспекты повышения эффективности СОЖ за счет подбора их химического состава. Современные СОЖ представляют собой сложные многокомпонентные композиции, содержащие комплекс присадок различного функционального назначения. Новые масляные СОЖ получают путем добавления к базовому маслу пакета уникальных присадок, определяющих технологические и эксплуатационные свойства новой марки. СОЖ на водной основе обычно содержат нефтяные масла, эмульгаторы, ингибиторы коррозии, противоизносные, противозадирные, моющие, бактерицидные присадки, антипенные добавки, вещества связки. Оптимальный состав СОЖ зависит как от технологии производства, так и от природы сырья. Так, например, масляные СОЖ, полученные на основании нефти разных месторождений, различаются по содержанию отдельных групп компонентов, по структуре молекул и, как следствие, по технологическим свойствам. Некоторые компоненты могут иметь одинаковый химический состав, но резко отличаться по технологическим свойствам, в зависимости от метода их получения. Например, в масляных СОЖ для финишных методов обработки (таких, как суперфиниш) добавляют олеиновую кислоту или ее соли в концентрации до 3%. В опубликованных работах отмечается, что синтетическая олеиновая кислота оказывает значительно меньший эффект, чем натуральная, например, на операции суперфиниша стальных деталей [5].

    При выборе СОЖ необходимо учитывать  довольно большое количество факторов: химический состав обрабатываемого материала и инструмента, метод обработки, режимы резания, требования к точности и качеству обработанных поверхностей. Кроме того, следует принимать во внимание такие обстоятельства, как универсальность СОЖ (возможность применения на различных операциях механической обработки), стоимость, эксплуатационные, санитарно-гигиенические и сопутствующие свойства: возможность транспортировки зимой, легкость приготовления в производственных условиях, стабильность, воздействие на краску и отсутствие отложений на подвижных частях станка, возможность разложения и регенерации.

    На  машиностроительных заводах широко применяют водные СОЖ, содержащие нефтяные и синтетические сульфонаты и минеральные масла. Как было показано в табл. 2.5, серосодержащие присадки обеспечивают наиболее высокие критические температуры. Однако наличие в СОЖ сульфонатов и масел приводит к их быстрому поражению бактериями, к появлению запаха сероводорода, что приводит к необходимости частой смены СОЖ, вызывая трудности при их утилизации.

    В ряде случаев химики синтезируют  новые присадки, но какие из них  будут эффективно работать в СОЖ, определить не могут. Добавляемые в СОЖ присадки должны быть совместимы друг с другом и не анто- гонировать друг с другом. Высоких технологических показателей процесса резания можно достичь за счет увеличения смазочных свойств СОЖ путем введения в них химически-активных присадок, содержащих серу, хлор, фосфор. Однако применение целого ряда присадок с химически активными компонентами недопустимо, так как такие СОЖ не отвечают экологическим требованиям.

    Знание  механизма действия отдельных компонентов  СОЖ позволяет значительно сократить трудовые и материальные затраты на их разработку и подбор.

    Для предотвращения коррозионно-механического  износа в масло вводят специальные  ингибиторы. Механизм их действия сводится к нейтрализации коррозионно-активных веществ, образованию защитной пленки. Они закрепляются на рабочей поверхности инструмента за счет физической абсорбции или химического взаимодействия и снижают скорость коррозионных процессов, а следовательно, износ и разрушение инструмента.

    Введение  в СОЖ химически-активных элементов: серы, фосфора, хлора ускоряет физическую и химическую адсорбцию атомов и молекул на активных центрах твердых металлических поверхностей, способствует образованию граничных пленок, уменьшающих прочность адгезионных связей инструмента и заготовки, и износу рабочих поверхностей инструмента. Поэтом)' СОЖ с химически-активными компонентами применяют при обработке легированных сталей и сплавов и труднообрабатываемых материалов, тяжелых режимах резания, нарезании резьбы, протягивании, зубообработке, для чернового и профильного шлифования.

    Добавление  в СОЖ химически активных присадок снижает остаточные напряжения вследствие лучшего экранирования трущихся поверхностей и локализации сдвиговых деформаций. Однако использование СОЖ с химически активными компонентами может иметь и отрицательные последствия: усиливается коррозионно-механическое изнашивание режущих кромок инструмента, ликвидируется нарост, предохраняющий рабочие площадки инструмента от износа.

    При выборе СОЖ для различных операций механической обработки следует учитывать характер выполняемой операции и взаимодействие ее отдельных компонентов с материалами инструмента и заготовки. Так, если черновое и чистовое шлифование выполняется на разных станках, то для черновой обработки желательно использовать СОЖ на водной основе, а для чистой - на масляной. Черновая обработка выполняется с большим выделением тепла и поэтому крайне важны охлаждающие свойства СОЖ, если остальные технологические показатели находятся в допустимых пределах. Для чистовых операций желательно применять СОЖ на масляной основе, так как их лучшая смазывающая способность обеспечивает более высокие технологические характеристики: уменьшается шероховатость обработанной поверхности, снижаются остаточные напряжения из-за меньшего перепада температур.

    Адсорбция присадок на поверхности резания  уменьшает свободную поверхностную  энергию обрабатываемого металла, что способствует повышению его пластичности и улучшению обрабатываемости. Кроме того, адсорбция химически-активных компонентов СОЖ на образующихся в зоне резания поверхностных микротрещинах обрабатываемого металла облегчает разрушение срезаемого слоя. Очевидно этот эффект будет наиболее заметен при снятии стружек минимальной толщины, т.е. при абразивной обработке.

    Например, титановые сплавы отличаются пониженной шлифуемо- стью. Более высокие температуры в зоне резания и большие тепловыделения, чем при обработке металлов, обладающих хорошей обрабатывамо- стью, обусловлены их низкой теплопроводности), которая в значительной степени зависит от процентного содержания алюминия. При содержании алюминия в титановых сплавах около 4 % их коэффициент теплопроводности близок к коэффициенту теплопроводности жаропрочных сталей и находится в пределах 8,63 - 9,63 Вт/(м®К), что примерно в 4 раза меньше, чем у железа.

    При шлифовании титановых сплавов кругами  с зернами из окиси алюминия хорошие  результаты показывает фосфат бария: барий  хорошо адсорбируется на окиси алюминия, а фосфатный радикал является наиболее эффективным анионом при адсорбции на поверхности титановых сплавов.

    При использовании СОЖ, в состав которой  входит фосфат бария обрабатываемая поверхность титановой заготовки, эффективно экранируется от взаимодействия с зернами, содержащими окись алюминия, что заметно уменьшает износ круга. Большинство присадок обеспечивают наилучшие выходные технологические характеристики при определенной концентрации, величина которой зависит от обрабатываемого и инструментального материалов, режимов резания и жесткости системы станок - приспособление - инструмент - деталь.

    Ряд обрабатываемых материалов накладывает  определенные ограничения на выбор СОЖ:

• при обработке меди и медных сплавов нельзя применять СОЖ, которые содержат активную серу;
• при обработке титана не используют СОЖ с хлорсодержащими компонентами.

    Чтобы не вызывать коррозию стайка, приспособления, инструмента и детали, присадка, входящая в состав СОЖ, должна взаимодействовать  с металлом только при повышенных температурах и давлениях, характерных для обработки металлов резанием. Присадка не должна вызывать повышенного коррозионно-механического изнашивания инструмента.

    СОЖ на водной основе, содержащие минеральное  масло, эмульгаторы и ингибиторы коррозии, называются эмульсиями. Все масляные капли в эмульсии покрыты оболочкой из молекул поверхностно-активных веществ, которые являются эмульгаторами. Молекулы поверхностно- активных веществ на границе фаз масло-вода ориентированы таким образом, что "гидрофильные отрицательно заряженные части полярных молекул обращены к наружной поверхности капли, образуя на границе фаз монослой отрицательных зарядов. Капли в стабильной эмульсии не сливаются по причине электростатического отталкивания этих заряженных оболочек" [67].

    Хорошие результаты показывают СОЖ на синтетической и полу- синтстической основе. Их получают путем химического синтеза, что обеспечивают более высокую однородность и большую вязкость при высоких температурах по сравнению с СОЖ на минеральной основе. Основными компонентами синтетических СОЖ являются композиции ПАВ и водорастворимых полимеров. Минеральное масло в их состав не входит. В концентрате полусинтетических СОЖ содержится 15 — 30% минеральных масел. Работоспособность присадки зависит от строения молекул, наличия полярных групп на концах молекулы. СОЖ на синтетической и полусинтетической основе дороже и экономически оправдывают себя за счет увеличения срока их эксплуатации без замены. У них лучше экологические свойства.

    СОЖ подается в зону резания с большой скоростью и интенсивно перемешивается с воздухом. Это может привести к образованию пены и способствует окислению масла, увеличению его вязкости и ухудшению технологических свойств СОЖ. Для борьбы с пенообразованием в масло могут добавлять тысячные доли процента силиконов. В масле они не растворяются, однако настолько тонко диспергируются, что в каждом элементарном объеме масла непременно оказывается некоторое количество постороннего нерастворенного вещества. Введение антипенных присадок позволяет подавить пенообразование. А если пена возникает, то она очень быстро разрушается, не успевая сыграть отрицательную роль. Пузырек «прокалывается» этим инородным телом и перестает существовать.

    Окисленное  масло оказывает коррозионное воздействие  на детали станка. Для замедления этого процесса в пакет включают антиокислительные присадки. Другое их название - антиоксиданты. Задача антиокислителей - разложение первичных продуктов окисления углеводородов (гидропироксидов) и перевод свободных радикалов в стабильное состояние.