ПРИМЕНЕНИЕ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ

ВВЕДЕНИЕ

Рациональное и грамотное применение смазочных материалов в технологической цепочке любого производства, - будь то производство хлебопродуктов, туалетной бумаги или контуров охлаждения атомных реакторов, - позволяет избежать дорогостоящих аварий оборудования и добиться увеличения объемов выпуска продукции и улучшения ее качества. Качественная смазка оценивается как средство снижения непроизводительных материальных затрат.

Смазочные материалы по своему назначению классифицируются следующим образом
  • гидравлические масла;
  • турбинные (циркуляционные);
  • компрессорные;
  • трансмиссионные;
  • масла для газовых двигателей;
  • цилиндровые;
  • вакуумные;
  • масла-теплоносители;
  • белые масла;
  • трансформаторные;
  • пластичные смазки;
  • смазочно-охлаждающие жидкости.

В нашем случае основное внимание будет уделено СОЖ. Также немного рассмотрим гидравлические масла и пластичные смазки.

Применение смазочно-охлаждающих жидкостей при обработке металлов резанием.

Применение СОЖ при обработке металлов преследует цели исключительно экономические, а именно:

  • снижение изнашивания режущего инструмента;
  • улучшение качества обрабатываемой поверхности;
  • повышение производительности труда.

Для эффективного применения СОЖ и правильного их выбора по известным техническим характеристикам необходимо понимать, какие процессы возникают при резании металлов, и как действует смазочно-охлаждающая жидкость, используемая в этой операции.

Процессы, возникающие при резании металлов.

При резании металлов в зоне контакта инструмента и заготовки выделяют четыре основных процесса:

  • Пластическая деформация.
  • Трение.
  • Изнашивание.
  • Разрушение.  
Пластическая деформация

Данный процесс приводит к появлению микротрещин и сопровождается ростом поверхностной энергии и химической активности поверхности, что приводит к увеличению износа режущего инструмента.

На пластическую деформацию затрачивается около 80% работы.

Трение.

Около 20% работы затрачивается на преодоление сил трения.

Изнашивание.

Изнашивание может быть вызвано химическим путем: появление пленки и снятие ее в процессе трения (частный случай – окисление и удаление окислов); или диффузионным: диффузия и удаление углеродов и легирующих элементов.

Разрушение.

Разрушение можно рассматривать как результат остальных трех процессов. Хотя все процессы происходят одновременно.

На разрушение и изнашивание сильно влияют микрочастицы, отделяющиеся от обрабатываемой поверхности и инструмента и производящие абразивное действие как на обрабатывающий инструмент, так и на заготовку.

Действие СОЖ.

Охлаждение.

СОЖ, действуя как охлаждающая жидкость, снижает изнашивание режущего инструмента и улучшает качество обрабатываемой поверхности.

 Прямые охлаждающие характеристики:

  • теплоемкость;
  • теплопроводность;
  • способность к смачиванию металлических поверхностей;
  • парообразование.

 Для повышения охлаждающей способности среды улучшают смачиваемость СОЖ путем добавления в нее поверхностно-активных веществ.

 Эффективность охлаждения можно увеличить различными модификациями способа подачи СОЖ, как 

  • Туман;
  • Воздействие ультразвуком;
  • Высоконапорный подвод.

Однако, не всегда охлаждение места контакта инструмента и обрабатываемой поверхности приносит ожидаемый эффект. Например, при операции сверления число отверстий, которое можно просверлить одним сверлом при использовании СОЖ на основе минерального масла, на порядок больше, чем при использовании эмульсии. Хотя температура в первом случае составляла 280оС, а во втором - 101оС. Бывают частные случаи, в которых специально с помощью внешних источников увеличивают температуру инструмента и обрабатываемой поверхности.

Гидродинамическая смазка.

 Гидродинамическая смазка – это процесс снижения силы трения за счет разделения трущихся поверхностей жидкой пленкой.

При больших давлениях (более 10 МПа) и температурах в несколько сотен градусов толщина пленок меньше высоты микронеровностей, но при этом действует в области упругопластического контакта и при глубоком сверлении уменьшает силы трения направляющих.
 Реологические эффекты:

Реологические эффекты – это эффекты, возникающие вследствие способности веществ деформироваться и приобретать текучесть, что поддерживает реологическое разделение трущихся поверхностей.

В результате действия реологических эффектов в местах проникновения СОЖ снижаются силы трения, и, как следствие, уменьшается разогрев и изнашивание инструмента.

Граничная смазка.

Обусловлена действием адсорбционно или химически связанной с трущейся поверхностью пленки, толщина которой – от нескольких десятков до нескольких сотен нм и сопротивление сдвигу которой выше, чем для жидких пленок гидродинамической смазки.

Типичная граничная смазка – смазка пленкой, образующейся в результате воздействия стеариновой кислоты с чистой металлической поверхностью. Продукты реакции – твердофазные мылаСоставляющие механизма действия граничной смазки:

1- Хемосорбция активных соединений на непрерывно возобновляющихся ювенильных поверхностях контртел граничной пленки.

Не дает поверхностям войти в адгезионный контакт друг с другом и образовать металлические связи («мостики сварки»).

Пассивация ювенильных поверхностей снижает усталостно-адгезионное и диффузионное изнашивание.

 2- Появление между двумя металлическими поверхностями слоя с более низким, чем у металла сдвиговым сопротивлением, что переводит процесс трения в область пластического контакта при гораздо более низком нормальном напряжении и снижает коэффициент трения (по сравнению с коэффициентом для чистой металлической пары) во столько раз, во сколько напряжение сдвига пленки меньше напряжения сдвига более мягкого металла пары.

3- Релаксация сдвиговых напряжений по границе между пленками или в самой пленке, которое снижает непосредственное воздействие на поверхностные слои металлической пары и уменьшает вероятность усталостного разрушения и изнашивания поверхности.

Пассивация ювенильной поверхности.

Является частным случаем граничной смазки при толщине пленки меньше нескольких десятков нм.

Основной эффект – предотвращение "мостиков сварки"

Происходит в результате реакции активных компонентов физико-химической плазмы с непрерывно образующимися в процессе резания ювенильными поверхностями инструмента, стружки и заготовки.

Плазма возникает в зоне резания.

Наибольшее значение это явление приобретает в области пластического контакта, находящейся в непосредственной близости от режущей кромки, куда затруднено попадание жидкости и маловероятно образование жидких пленок.

Активные частицы плазмы попадают на ювенильную поверхность из прилегающих микрообъемов газовой фазы или путем диффузии с поверхности резца, стружки и заготовки.

Пассивация замедляет, но не предотвращает усталостно-адгезионное изнашивание и полностью приостанавливает адгезионное изнашивани.

Смазка высокого давления.

Действует при введении в состав СОЖ противоизносных и противозадирных присадок на основе соединений Cl, F, S, P или Pb.

В результате ряда химических превращений, в зоне контакта трущихся поверхностей, атомы этих элементов реагируют с поверхностью металлов, а затем в условиях высоких гидростатических давлений, температур и градиентов напряжений диффундируют в поверхностные слои металлической пары, образуя слои эвтектических сплавов с более низкими сдвиговыми сопротивлениями и температурами плавления.

Эвтектический сплав – одновременная кристаллизация и расплав с температурой плавления меньшей температуры плавления отдельных компонентов.

Эфиры фосфорной кислоты – высокоэффективные водорастворимые противоизносные и противозадирные присадки.

Многокомпонентные твердопленочные СОЖ.

При резании на поверхности инструмента образуется и непрерывно возобновляется твердая, сухая, плотноприлегающая полимерная пленка, наполненная присадками. (В частности, высокого давления).

На основе базовой жидкости образуется суспензия одного или нескольких компонентов: графита, найлона-11, неорганических солей, окислов металлов и т. д.

Снижение диффузионного изнашивания. Перманентная карбонизация.

При резании в быстрорежущей стали, из которой изготавливается инструмент, уменьшается концентрация углерода, цемента и карбидов легирующих добавок (W, Cr, Mo, Co), входящих в эту сталь.

При применении СОЖ в результате сложной цепи пиролитических превращений присадки на границе зоны пластического контакта непрерывно образуется углерод в активной форме, который, внедряясь в поверхностные слои режущей кромки, не только предотвращает ее диффузионное изнашивание, но и способствует ее упрочению вследствие роста концентрации в ней карбидов железа и легирующих добавок.

Наводораживание.

При нагревании диффундируют в металле и выходят на поверхность рекомбинируя молекулы водорода, что приводит к выделению молекулярного водорода. А это сказывается на физико-механических свойствах металлов (особенно железа).

При применении СОЖ молекулы водорода проникают в металл, восстанавливая содержание этого химического элемента, что влияет на процесс резания и износостойкость режущего инструмента.

Функциональные свойства СОЖ.

Смазывающее действие.
  • Состоит в уменьшении схватывания, трения, задира, изнашивания и фрикционного нагрева контактирующих поверхностей инструмента и заготовки.
  • Улучшаются следующие параметры обработки:
  • Увеличивается стойкость инструмента вследствие уменьшения износа и задира лезвийного инструмента;
  • Увеличивается производительность обработки;
  • Уменьшается шероховатость и волнистость обрабатываемой поверхности;
  • Стабилизируется процесс наростообразования;
  • Снижается фрикционный нагрев и температура в зоне резания, силы трения и расход энергии.

Улучшение противозадирных свойств СОЖ повышает их способность предотвращать сваривание инструментального и обрабатываемого материалов, позволяет избежать налипов на режущем инструменте, уменьшает количество микровыступов, на которых происходит сваривание и повреждение поверхности.

При лезвийной обработке эффективные СОЖ уменьшают площадь контакта стружки с передней поверхностью.

Увеличение смазывающего действия СОЖ может привести к следующим отрицательным последствиям:

  • стойкость инструмента уменьшается при повышенном коррозионно-механическом изнашивании режущих кромок или при ликвидации нароста, предохраняющего рабочие площадки инструмента от износа;
  • возрастают силы резания при обработке металлов, граничные пленки которых имеют более высокую прочность, чем металл заготовки (например, силы резания при обработке Al, Pb, Cu резцами из быстрорежущей стали на воздухе больше, чем в вакууме);
  • уменьшается производительность алмазно-абразивной обработки при недостаточной жесткости технологической системы, например, при внутреннем шлифовании, вследствие увеличения количества зерен, скользящих по обрабатываемой поверхности и не участвующих в процессе резания.

Повышение скорости резания и подачи уменьшают влияние смазывающих свойств СОЖ на выходные параметры обработки, т. к. ухудшаются условия проникновения СОЖ в зону контакта инструментального и обрабатываемого материалов и не успевают образовываться граничные пленки.

При нарезании резьбы удаление кислорода воздуха уменьшает эффективность применения СОЖ в два раза.

Применение присадок.

Содержащих S:

Эти присадки обладают хорошими противозадирными и противоизносными свойствами. Пленки, образованные серосодержащими присадками, не разлагаются при высоких температурах (до 900оС). Схватывание поверхностей в атмосфере сероводорода начинается при 815оС.

Содержащих Cl:

В водных эмульсиях и масляных СОЖ такие присадки широко применяют в качестве противоизносных и противозадирных присадок. Они особенно эффективны при обработке высоколегированных сталей, содержащих хром и никель, труднообрабатываемых материалов на основе молибдена и титана.

Недостатки:

  • более низкая (~370оС) по сравнению с серосодержащими присадками температура схватывания поверхностей;
  • вредность хлора для организма человека.

Содержащих Р:

Оказывают противоизносное и противозадирное действия, обладая при этом антиокислительными и антикоррозионными свойствами.

Содержащих несколько активных элементов:

Активные элементы могут быть связаны в одной молекуле или применяться как композиции из нескольких присадок.

По коррозионному действию на медь присадки делятся на:

  •  содержащие активную (свободную) серу и вызывающие коррозию меди;
  •  не содержащие активной серы.

В случае одновременного использования нескольких активных элементов эффективность использования многокомпонентных присадок может быть выше, чем при простом суммировании эффективности отдельных компонентов.

Большинство присадок обеспечивают наиболее высокие смазочные свойства СОЖ при определенной оптимальной концентрации, а, следовательно, водные эмульсии могут иметь лучшие смазочные свойства, чем их концентраты.

Влияние СОЖ на процесс токарной обработки.

При лезвийной обработке углеродистых и легированных сталей в зоне низких скоростей резания происходит интенсивное наростообразование. Увеличение смазывающих свойств СОЖ стабилизирует наростообразование, уменьшает размер нароста, прочность и силу сцепления между отдельными слоями. Нестабильность наростообразования приводит к периодическому срыванию частиц нароста, что увеличивает изнашивание инструмента вследствие абразивного «пропахивания» контактных поверхностей инструмента и увеличивает шероховатость обрабатываемой поверхности.

Отрицательные последствия улучшения смазывающих свойств СОЖ: в случаях, когда нарост оказывает защитное действие(например, при обработке сталей на сравнительно невысоких режимах резания инструментами из быстрорежущей стали).

СОЖ уменьшает площадь контакта стружки с передней поверхностью резца, силу трения и адгезию (стойкость резца из стали 45 вырастает в 1,5-2 раза).

Случается, что противозадирные присадки обладают плохими противоизносными свойствами, что приводит к уменьшению стойкости инструмента.

Влияние СОЖ на процесс сверления.

Применение присадок в СОЖ на основе минерального масла увеличивает стойкость сверл из стали Р6М5 в 1,5-3 раза.

При применении водорастворимых СОЖ сталь En 31, отверстия глубиной 16 мм, диаметр сверла 6,35 мм, частота вращения 17 об/мин просверлили отверстий в четыре раза больше, чем при том же процессе, с теми же условиями, но с применением СОЖ без присадок.

Влияние СОЖ на процесс шлифования.

Позволяет повысить стойкость кругов, избежать налипов, сократить цикл обработки путем увеличения безожоговой подачи, устраняет надиры на базовых поверхностях при шлифовании на жестких опорах.

 Смачивающее и проникающее действие.

Является необходимой предпосылкой для оказания смазывающего, моющего, охлаждающего, диспергирующего действия СОЖ.

Высокие требования к смачивающему и проникающему действиям предъявляются при обработке металлов с высокой точностью:

  • - при развертывании при избежании наростов и налипов на режущих кромках инструмента
  • - при суперфинишировании и хонинговании для исключения забивания пор брусков шлаком и уменьшения съема.
Охлаждающие свойства СОЖ.

Оказывает влияние на стойкость инструмента, точность обработки, шероховатость поверхности, остаточного напряжения в поверхностном слое и на радиус закругления витков стружки.

При точении напроход стали 9ХС резцами из твердого сплава Т15К6 с толщиной среза 0,1 мм снижение средней температуры стружки с 700оС до 600оС увеличило стойкость инструмента с 60 до 90 мин.

Моющая способность СОЖ.

Очищает обрабатываемую деталь и инструмент в зоне резания от шлама, содержащего мелкие частицы стружки, обрабатываемого металла, инструмента (карбидов и неметаллических включений), которые удерживаются на поверхности твердых тел различными силами (электростатическими, Ван-дер-Ваальсовыми, механическими).

Режущие и пластифицирующие действия СОЖ.

Режущие свойства – способность облегчать разрыв связей в обрабатываемом материале при внедрении инструмента, что уменьшает изнашивание инструмента и облегчает процесс обработки.

Пластифицирующие свойства – способность облегчать пластическое деформирование металлов. Образующийся размягченный слой выполняет роль смазочного материала и препятствует налипанию обрабатываемого металла на инструмент. Это уменьшает трение между инструментом и стружкой, инструментом и обрабатываемой поверхностью.

Эти свойства проявляются в результате эффекта Ребиндера: изменяются механические свойства твердых тел под влиянием поверхностных физико-химических процессов, вызывающих снижение поверхностной энергии твердого тела.

Техника применения СОЖ.

Транспортировка и хранение.

Рекомендуемые температуры транспортировки и хранения указываются в технических описаниях и инструкциях по транспортировке и хранению. Для своих продуктов концерн EXXONMOBIL дает следующие рекомендации:

  • хранить и транспортировать СОЖ необходимо при температуре от 0оС до 50оС;
  • период хранения концентрата на складе у конечного потребителя не должен превышать 6 месяцев (или 12 месяцев с момента производства).
Основные правила приготовления СОЖ.

Масляные СОЖ, как правило, фасуются в уже приготовленном виде.

Для водоразбавимых СОЖ существуют следующие правила:

  • обязательно добавляется концентрат СОЖ в воду а не наоборот;
  • в процессе приготовления эмульсию рекомендуется перемешивать механическим путем без применения сжатого воздуха;
  • для корректировки концентрации эмульсии и восполнения потерь на испарение предпочтительнее не добавлять воду в эмульсию, а проводить корректировку раствором с пониженной концентрацией;
  • для приготовления эмульсии использовать только специально подготовленную воду или воду из предварительно проверенных источников. Для приготовления растворов СОЖ запрещается использовать воду из пожарных рукавов, сливных шлангов и других потенциальных источников бактериального заражения.

Требования к воде для приготовления эмульсии:

- жесткость 100-500 мг СаСО3/литр

- уровень pH 6-7

- содержание хлоридов  не более 100 мг/литр

- содержание сульфатов  не более 100 мг/литр

- содержание микроорганизмов  не более 100 мг/литр

Перед каждым новым заполнением металлообрабатывающего станка свежей эмульсией рекомендуется тщательная очистка установки. Для этого перед сливом к используемой эмульсии добавляют 1%-2% очищающей дезинфицирующей жидкости. Для обеспечения эффективности действия один из этих продуктов должен находиться в циркуляционном контуре эмульсии не менее восьми часов. Такие жидкости имеют специально сбалансированный состав, исключающий отрицательное воздействие на свойство эмульсии и позволяют продолжать работу. Каких-либо заметных изменений значений рН при добавлении очищающих жидкостей в циркуляционный контур не происходит. После слива отработанной эмульсии циркуляционный контур станка должен быть заполнен 2%-3% раствором на основе очистителя и проработать на этом растворе в режиме циркуляции не менее трех часов. Далее циркуляционный контур должен быть механически очищен от стружки, загрязнений и остатков СОЖ. Недостаточно промытые части и углы обрабатывают 1%-2% раствором дезинфицирующей жидкости или пароструйным устройством. В заключение циркуляционный контур должен дополнительно споласкиваться водой с добавлением 0,1%-0,2% очистителя системы.

 

 

Директор
Просмотров: 4584