2.3.1. Смазывающие свойства СОЖ
Улучшение смазывающих свойств СОЖ обеспечивает снижение сил трения опорной поверхности стружки о переднюю поверхность инструмента и задних поверхностей инструмента о заготовку, снижает общее количество тепла, которое выделяется при резании.
Смазывающее действие СОЖ препятствует наростообразованию на рабочих поверхностях инструмента, в результате чего снижается шероховатость обрабатываемой поверхности заготовки, повышается точность обработки. В качестве примера приведем работу [68], объясняющую более высокую эффективность рекомендуемого состава СОЖ противоиз- носным действием химически-активных компонентов, которые, «создавая устойчивые защитные пленки на рабочей поверхности инструмента, снижают абразивный и адгезионный износ». Практика показывает, что чем больше скорость резания и толщина среза, тем ниже положительное влияние СОЖ на процесс стружкообразования.
Механизм смазывающего действия СОЖ подробно рассмотрен в работах [4 - 7). Суть смазывающего действия СОЖ состоит в уменьшении реакционной способности образуемых в процессе резания ювенильных поверхностей; снижении количества и прочности адгезионных связей между контактирующими поверхностями; в уменьшении площади (длины) контакта стружки с передней поверхностью инструмента и в образовании граничной пленки, защищающей поверхность контакта обрабатываемого и инструментального материалов от физико-химической и механической деструкции.
Значительный вклад в научное понимание физики явлений трения и изнашивания внесли российские ученые В.Д. Кузнецов, И.В. Крагельский, Б.И. Костецкий, А.С. Ахматов, Н.А. Буше, Н.Н. Давиденков, Ю.С. Терми- насов, И.А. Буяновский, а за рубежом - Д. Арчард, Ф. Боуден, Д. Тейбор, Т. Кун и др.
При резании металлов схватывание инструментального и обрабатываемого материалов приводит к изменению условий взаимодействия инструментального и обрабатываемого материала, к большим пластическим деформациям обрабатываемого металла, как менее прочного из контакти- руемых тел, к росту микронеровностей ухудшению качества обработанной поверхности.
Отметим, что при трении деталей машин схватывание может привести к их поломке.Задача антифрикционных присадок - снизить коэффициент трения в условиях граничной и эластогидродинамической смазок. Модификаторы трения отличаются от противоизносных присадок, хотя некоторые модификаторы совмещают функции и тех и других продуктов.
Улучшение противозадирных свойств СОЖ стабилизирует процесс наростообразования, уменьшает величину нароста, прочность и силу его сцепления с инструментом.
Для «легких» условий резания в СОЖ могут использоваться моди-фикаторы трения-соединения, образующие на поверхности контакта ин- струмент-заготовка мономолекулярный слой с очень длинными радикалами. Причем эти радикалы обладают свойством легко деформироваться в направлении приложения силы трения.
В качестве антифрикционных присадок используют предельные кислоты, спирты и амины, графит, дисульфид молибдена и некоторые другое вещества. Графит и дисульфид молибдена практически не используются в СОЖ, так как они не растворимы в масле и при длительном хранении могут выпасть в осадок.
Реализация смазывающих свойств СОЖ при резании металлов в диапазоне практически применяемых режимов резания в условиях, когда на значительной части контактных поверхностей происходят процессы схватывания, рассмотрена в работах [5,31].
При повышении смазочных свойств СОЖ улучшаются следующие параметры обработки:
уменьшается шероховатость и волнистость обработанной поверхности заготовки;
стабилизируется процесс наростообразования, уменьшается размер нароста, прочность и сила его сцепления с инструментом;
снижаются фрикционный нагрев и температура в зоне резания, силы трения и расход энергии;
увеличивается стойкость инструмента вследствие уменьшения износа и задира лезвийного инструмента;
возрастает производительность обработки.
Однако увеличение смазывающих действий СОЖ может иметь и отрицательные последствия в тех случаях, когда:
введенные присадки усиливают коррозийно-механическое изнашивание инструмента;
нарост оказывает защитное действие (например, при обработке сталей на сравнительно невысоких режимах резания инструментами из быстрорежущей стали);
в зоне контакта инструмент-деталь образуются граничные пленки, которые имеют более высокую прочность, чем металл заготовки.
Это приводит к возрастанию сил резания;увеличивается количество зерен, скользящих по обрабатываемой поверхности и не участвующих в процессе резания, при внутреннем шлифовании в условиях недостаточной жесткости техноло-гической системы. Это снижает производительность и качество алмазно-абразивной обработки.
Силу трения на поверхностях контакта инструмент-деталь можно рассчитать по формуле Боудена-Тейбора:
/V=FA/a+Fc(l-a), (18)
где FM - сила трения на поверхности контакта;
а - доля от общей поверхности, на которой осуществляется
металлический контакт;
Fc - сила трения на площадях контакта с граничной пленкой.
В случае образования нароста на рабочих поверхностях инструмента создается дополнительная сила сопротивления Fnf, связанная с «про-пахиванием» поверхности заготовки. Таким образом, в условиях наростообразования сила трения будет определяться по формуле:
FT =F,/z+Fc(\-a)+Fnp. (19)
Добавление поверхностно-активных веществ (ПАВ) и химически- активных компонентов в СОЖ изменяет влияние функциональных свойств.
В общем случае сила трения fjp при наличии СОЖ описывается уравнением [24]:
/тр =$птп + Sy Ту + Snprnp э (20)
где Sn - площадь контакта инструмента и заготовки, покрытая граничной пленкой;
гп - среднее напряжение сдвига граничной пленки;
Sy - площадь контакта инструмента и заготовки без пленки;
Ту - предел текучести обрабатываемого материала на сдвиг с учетом упрочнения;
площадь участков, на которых произошло внедрение в мате- риал заготовки микровыступов и наростов, образовавшихся на поверхности инструмента;
тпр - удельное сопротивление «пропахивания».
Антифрикционные и противоизносные присадки получили широкое распространение для снижения сил трения и повышения долговечности машин и механизмов различного назначения. Смазывающие свойства СОЖ оцениваются по трибологическим параметрам, характеризующим противоизносные, противозадирочные и антифрикционные свойства смазочного материала, температурную стойкость граничных смазочных слоев.
Оценка производится по величине силы резания, отношению их со-ставляющих, крутящему моменту и потребляемой мощности. При более глубоком изучении смазывающих свойств СОЖ производят измерение интенсивности износа инструмента, вырывов и выхватов на контактирующих поверхностях инструмента и заготовки, усадки стружки и т.д.Для улучшения смазывающих свойств СОЖ в их состав вводятся поверхностно-активные вещества (ПАВ), увеличиващие теплоту абсорбции и прочность связей между молекулами СОЖ и металлом заготовки и инструмента. Теплота абсорбции углеводородных жидкостей на железе возрастает в следующей последовательности: керосин, масло индустриальное, масло льняное, керосин с олеиновой кислотой и др. Предельные концентрации ПАВ должны учитывать их влияние на выходные характеристики процесса резания, в том числе на микротвердость, остаточные напряжения поверхностного слоя.
Высокая эффективность добавок ПАВ (2-5%) в состав СОЖ при резании подтверждается экспериментальными исследованиями [25, 63] и производственной практикой. По опубликованным данным, применение противозадирных и противоизносных присадок в масляных СОЖ при сверлении увеличивает в несколько раз стойкость сверел [61].
При выборе состава СОЖ для различных операций механической обработки необходимо учитывать максимальную температуру, при которой компоненты жидкости сохраняет свою работоспособность. В качестве примера в таблице 2.5. приведены значения критических температур для некоторых компонентов СОЖ.
Таблица 2.5
Максимальная температура, при которой компоненты СОЖ сохраняет свою работоспособность Компоненты СОЖ Максимальная температура, С Растительные масла 130 Животные жиры 130 Синтетические вещества 200 Свободная сера 1000 Присадки: хл орос одержащи с 500 фосфоросодержащие 800 серосодержащие 900 При лезвийной обработке углеродистых и легированных сталей в зоне низких скоростей резания происходит интенсивное наростообразова- ние. Повышение смазывающих свойств СОЖ стабилизирует наростообра- зование, уменьшает размер нароста, прочность и силу сцепления между отдельными слоями.
При токарной обработке эффективные СОЖ уменьшают площадь контакта стружки с передней поверхностью резца, снижают силу трения и адгезии. Неэффективные СОЖ могут, наоборот, повышать размеры зоны трения: например, при резании свинца со скоростью 0,2 м/с эмульсия снижает длину контакта в 2 раза при толщине среза 0,03-0,05 мм и в 1,4 раза при толщине среза 0.;-0,5 мм, а четыреххлористый углерод увеличивает длину контакта до 5 раз [3].
С ростом толщины среза и скорости резания влияние СОЖ падает. Наиболее сильно СОЖ снижает силу трения у режущей кромки резца на первой четверти длины зоны контакта стружки с передней поверхностью. С увеличением расстояния от режущей кромки смазывающее действие СОЖ уменьшается. Для снижения сил трения в зоне контакта инструмент - заготовка в состав СОЖ вводят противоизносные и противозадирные присадки (CI, F, S, Р или РЬ).
Смазочные свойства СОЖ улучшаются после введения в их состав солей и эфиров высших непредельных кислот талого масла (олеиновой, линолевой, липолеиновой) и триэтаноламина. Эксперименты показали, что после добавления в нитритно-содовый раствор олеата триэтаноламина при точении стали Х18Н9Т резцами из быстрорежущей стали Р6М5 со скоростью 6 м/мин при подаче S=0,07 мм/об и глубине резания 0,4 мм стойкость инструмента возросла с 29 до 43 минут. Смесь эфиров высших непредельных кислот талового масла выпускается под торговой маркой «Эмультал».
Использование масляных СОЖ с противоизносными, антифрикционными и противозадирными присадками при иарезании резьбы, протягивании, зубообработке, при напряженных условиях шлифования (глубинном и профильном шлифовании), резьбошлифовании позволяет сократить машинное время операции, увеличить стойкость инструмента.
Противоизносные присадки снижают окислительный износ, связанный с активацией окислительных процессов в поверхностных слоях рабочих поверхностей инструмента при повышенной температуре в зоне резания, действии циклических нагрузок и наличии кислорода в СОЖ и окружающей среде.
Представляют интерес результаты испытаний СОЖ Э2 и ОМЭА на металлорежущих станках. Их охлаждающая способность практически одинакова. Однако СОЖ ОМЭА обладает лучшей смазочной способностью по сравнению с СОЖ Э2. Это обеспечивает более сильное снижение равнодействующей сил резания R, усадки стружки ?, коэффициента трения ^'и меньшее изменение микротвердости прирезцовой стороны стружки Нг (таблица 2.6).
Таблица 2.6
Влияние СОЖ и условий резания на температуру резания, равнодействующую сил резания R, усадку стружки коэффициент трения и микротвердость прнрезцовой стороны стружки Н2 [70] Сплав Условия R, кгс М1 4 Нг,кгс/лш2 резания ХН51ВМПОКФР Без СОЖ 35 0,65 2,25 483 СОЖ ЭЛ 760 33 0,48 2,15 530 СОЖ 30 0,36 1,90 458 ОМЭА ХН77ТЮР Без СОЖ 28 0,70 2,74 560 СОЖЭ2 720 26 0,66 2,72 620 СОЖ 25 0,58 2,53 530 ОМЭА Примечание: Результаты получены при оптимальных температурах контакта. Резец из сплава ВК8, t - 0,50 мм, s ¦ 0,09 мм/об.
При работе на скоростях резания ниже оптимальных СОЖ повышает, а не понижает интенсивность износа резца, что связано со снижением
температуры резания и отдалением ее от оптимальной 9q . При работе на повышенных скоростях резания СОЖ снижает температуру резания, приближая ее к оптимальной, и уменьшает интенсивность износа (рис. 2.6.).
Влияние среды на интенсивность износа инструмента зависит не только от скорости резания, но и температуры в зоне контакта инструмент-заготовка, что необходимо учитывать при назначении режимов резания. 2t
а
н
ю
U
10 20 JO V,M/mu*
Рис. 2.6. Влияние скорости резания и применяемой СОЖ на интенсивность износа резца и температуру резания (резец из сплава ВК8, обрабатываемый материал: сплав ХН51ВМТКЖФР; режим резания t=0,50 мм, s=0,09 мм/об): о - всухую; ? - СОЖ; А - СОЖ ОМЭА
Использование СОЖ, содержащих соединения типа M0S2, CF или политетрафторэтилен, позволяет эффективно снизить износ инструмента и значительно улучшить качество обрабатываемой поверхности. При резании металла, с использованием таких составов, на поверхности инструмента образуется и непрерывно возобновляется твердая полимерная пленка, обладающая антифрикционными и противоизносными свойствами [3].
Смазочные свойства СОЖ оказывают значительное влияние на скорость износа режущего инструмента. Как показывают экспериментальные исследования [70], интенсивность износа инструмента минимальна при оптимальной скорости резания, величина которой зависит от температуры в зоне резания. При работе «всухую» ( без применения СОЖ) целесообразно применять менее интенсивные режимы резания, чем с применением
СОЖ.
При шлифовании повышение противозадирных и противонзносных свойств СОЖ позволяет повысить стойкость кругов, избежать налипов, сократить цикл обработки путем увеличения безожоговой подачи, устраняет надиры на базовых поверхностях при шлифовании на жестких опорах.
Для улучшения смазывающих свойств масел при шлифовании профилей зубьев и пазов в них вводят мыла жирных кислот. При резьбошли- фовании инструментальных и конструкционных сталей, при шлифовании жаропрочных сталей и сплавов для улучшения смазывающих свойств масел применяют присадки, содержащие активные галоиды и серу.
Следует отметить, что разработку и внедрение эффективных СОЖ сдерживает отставание России от США и промышленно-развитых стран Западной Европы в изготовлении современных присадок: противоизнос- ных, противозадирных, моющих и т.д. В ряде случаев эффективные присадки к СОЖ заводы не могут использовать из-за их высокой стоимости.
Добавление противонзносных присадок в СОЖ уменьшает износ шлифовальных кругов, снижает криволинейность образующей поверхности круга, способствующей образованию волнистости на шлифованной поверхности, повышает точность обработки.