4.2.Смазочно-охлаждающие технологические средства

Пластические деформации и трение, возникающие в процессе резания, вызывают очень высокие давления и температурой в зоне резания. В ряде случаев этот нагрев играет положительную роль, смягчая обрабатываемый материал в зоне резания. Но в большинстве случаев высокая температура в зоне резания приводит к быстрому износу инструмента.

Для уменьшения сил трения, температуры в зоне резания и увеличение стойкости инструмента применяются различные смазочно-охлаждающие технологические среды.

Современные смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов – это сложные многокомпонентные системы органических и неорганических веществ.

В промышленных масштабах производятся масляные смазочно-охлаждающие технологические среды, эмульсолы, синтетические и полусинтетические смазочно-охлаждающие технологические среды.

Масляные смазочно-охлаждающие технологические среды представляют собой высокоочищенные минеральные масла вязкостью 2 – 40 сст при , без присадок или с присадками, различного функционального назначения. Наиболее часто встречаются следующие присадки:

- присадки для снижения коэффициента трения, типа растительных и животных жиров, эфиров жирных кислот;

- противозадирные присадки типа хлорпарафина и сульфированных жиров;

- противоокислительные присадки типа алкилзамещенных фенолов;

- антикоррозионные присадки типа бензотриазола, сульфоната кальция;

- антитуманные присадки на основе различные полимеров.

Эмульсолы («растворимые масла») представляют собой подобранные специальным образом смеси минеральных масел, эмульгаторов, ингибиторов коррозии и других компонентов.

Как правило, они содержат 50 – 85% нефтяной основы, а в качестве эмульгаторов – мыла жирных кислот, сульфонаты и оксиэтлированные жирные спирты. Кроме того, они могут содержать биоциды для повышения микробоустойчивости и алканоламины для увеличения резерва щелочности.

Эмульсии на основе растворимых масел обладают лучшими охлаждающими свойствами по сравнению с масляными смазочно-охлаждающими технологическими средами, более дешевы, однако, не лишены недостатков. В частности, они могут образовывать трудноудаляемые отложения на технологическом оборудовании и инструменте, имеют незначительный срок службы и подвержены воздействию микроорганизмов, источающих эмульгаторы и ингибиторы коррозии. Как правило, усложнение рецептур, повышение качества используемого сырья частично позволяет решить эксплуатационные проблемы, но одновременно затрудняет утилизацию смазочно-охлаждающих технологических сред.

Синтетические смазочно-охлаждающие технологические средства не содержат в своем составе минеральных масел.

Существует две группы синтетических технологических сред – на основе водорастворимых полимеров и на основе композиций поверхностно активных веществ. Все они имеют наилучшие охлаждающие свойств, особенно эффективны при высоких скоростях резания. Поскольку синтетические смазочно-охлаждающие технологические среды не содержат масел, то они не образуют туман в зоне резания. Отсутствие эмульгаторов способствует отторжению посторонних масел при утечках гидросистем. К недостаткам можно отнести слабую смазывающую способность, склонность к пенообразованию и способность образовывать липкие осадки на станках и оборудовании, агрессивность к лакокрасочным покрытиям и резино-технических изделий.

В состав синтетических смазочно-охлаждающих технологических средств могут входить сополимеры окиси этилена или пропилена, амиды, органические эфиры жирных и борной кислот, пластификаторы, комплексоны, биоциды, пеногасители.

Полусинтетические смазочно-охлаждающие технологические средства занимают промежуточное положение между эмульсолами и синтетическими жидкостями. Содержание минеральных масел в таких концентратах составляют 10 – 30%. Эти жидкости могут содержать в большом количестве органические и неорганические вещества: алканоламины, бораты, мыла жирных кислот, фосфаты, амиды, спирты, смачиватели и биоциды. Такие составы образуют прозрачные или полупрозрачные микроэмульсии, обладают хорошими смазочными и антикоррозионными свойствами и длительным сроком службы. Однако полусинтетические жидкости имеют большую склонность к пенообразованию и недостаточно устойчивы в жесткой воде.

Охлаждающие газы, которые могут не только отнимать тепло при снижении давления, но и оказывать химическое воздействие на зоны резания ( ).

Адсорбция – это самопроизвольно протекающий диффузионный процесс поглощения газа, жидкости или растворенного вещества поверхностью твердого тела.

Поверхность твердого тела покрыта адсорбционным слоем газообразного, жидкого или твердого вещества, заметно влияющего на процесс трения. Хорошо очищенные поверхности металлов, лишенные этого слоя, с большим трудом перемещаются относительно друг друга, и при соответствующем давлении могут срастись.

Стабильная масляная пленка получается лишь при наличии активных молекул, обладающих сродством с металлами. Опыты показали, что пленка из чистого минерального масла плохо пристает к металлической поверхности. Но тоже масло с примесями жирных кислот может служить прекрасной смазкой.

Работы Ребиндера показали, что смазочные свойства жидкостей, т.е. способность адсорбироваться на поверхности, тесно связаны со способностью жидкости, проникать в мельчайшие микроскопические трещины и помогать при этом диспергированию (разрушению срезаемого слоя металла). Согласно Ребиндеру, удлинение молекулы поверхностных активных веществ, проникая в трещины, ориентируются полимерными концами нормально к стенкам трещины, оказывая давление силой и перемещаются в глубь “тупика”, вызывая расклинивающий эффект. Одновременно смазывающая жидкость помогает внутрикристаллическому скольжению частиц металла, облегчая процесс пластической деформации, что подтвердилось опытами Ребиндера, когда при весьма малых добавках повышенно активных веществ к смазывающей жидкости заметно изменился вид срезаемой стружки: элементарная стружка скалывания превращается в сливную. Адсорбированные примеси в смазке успешно облегчают деформацию тела, когда преобладает растягивающее напряжение. Таким образом, адсорбированные примеси, облегчая процесс резания, разрушают режущую кромку инструмента, т.к. она подвергается сжимаемому напряжению.

Проявление благотворного влияния технологических сред на процесс резания и изнашивания режущего инструмента возможно лишь при условии проникновения их на поверхности контакта режущего инструмента с обрабатываемым материалом. При низких скоростях резания контакт режущего инструмента и обрабатываемого материала не сплошной и вся зона его испещрена мельчайшими порами – капиллярами размером от долей микрометра до нескольких их десятков. Периодическое торможение и остановка отдельных объемов срезаемого слоя металла на поверхности инструмента вызывают образование вакуумных полостей, способствующих проникновению смазочной жидкости или иной технологической среды в зону резания и образованию смазочных слоев на поверхностях контакта режущего инструмента с обрабатываемым материалом. Сказанное иллюстрируется микрофотографией корня стружки на рис. 4.2., полученной при точении коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т резцом из быстрорежущей стали Р18.

На фотографии видно, что отдельные элементы типичной стружки скалывания разделены между собой капиллярами, насквозь пронизывающими стружку на всю ее толщину, с прирезцовой стороны стружки рядом с каждым элементом видны вакуумные полости, ширина которых составляет примерно третью – четвертую часть ширины основания элемента стружки. При образовании сливной стружки отдельные элементы ее слабо различимы, но капилляры в ней видны достаточно четко, например, на фотографии рис. 4.3 Вакуумные полости образуются также в результате частичного разрушения нароста.

Рис. 4.44. Микрофотография корня стружки скалывания, полученного при точении стали 12Х18Н10Т.

Рис. 4.45. Микрофотография сливной стружки стали 12Х18Н10Т

Справа от основания нароста видна часть вершины нароста. Между основанием нароста, в передней его части, и обрабатываемым материалом образовалась вакуумная полость.

Рис. 4.46. Корень стружки с наростом

 На рис. 4.4. и 4.5 представлены микрофотографии корней стружки с наростом. Здесь видны вакуумные полости, образовавшиеся при отрыве или разрушении части вершины нароста сходящей по нему стружкой. Представленные фотографии убедительно показывают, наличие капилляров и полостей, которые образуются в процессе резания и, естественно, заполняются окружающей зону резания технологической средой. Среда таким путем поступает на поверхность контакта инструмента с обрабатываемым материалом.

Рис. 4.47. Нарост с разрушенной вершиной