3.2. Исследование смазочной способности СОЖ на модельных установках
Дтя количественной оценки смазочных свойств СОЖ целесообразно использовать машины трения. В настоящее время различными стандартами предлагается многочисленные параметры, позволяющие оценить важнейшие трибологические характеристики, характеризующие противоиз- носные и противозадирные свойства, температурную стойкость смазочных слоев.
Эти параметры не в одинаковой степени характеризуют смазочную способность СОЖ. Например, ГОСТ 23.002-78 "Обеспечение износостойкости изделий. Трение, изнашивание, смазка. Термины и определения" рассматривает 13 видов изнашивания, имеющих различную химическую природу: усталостное изнашивание, изнашивание при заедании и т.д.Для определения трибологических характеристик СОЖ мы считаем целесообразным использовать машины трения скольжения с точечным контактом, позволяющим развивать более высокие давления, чем при линейном контакте. Выбор машины трения скольжения, а не качения объясняется тем, что стружка скользит, а не катится по передней поверхности инструмента. По ГОСТ 9490-75* противоизносные и противозадирные свойства определяют на четырехшариковой машине трения по критиче-ской нагрузке Р„ нагрузке сваривания Pct индексу задира И, и показателю износа Du.
В литературе опубликованы данные о результатах испытаний смазывающих свойств некоторых СОЖ по ГОСТ 9490-75, например, веретенного масла АУ с добавками полярных присадок 2% (таблица 3.1) [25].
Таблица 3.1
Влияние присадок на смазочные свойства СОЖ Присадки Р*. кН Рс,кН D„, мкм Без присадок 0,392 1,098 0,75 Рапсовое масло 0,490 1,234 0,73 Олейновая кислота 0,392 1,234 0,79 Метилолеат 0,490 1,234 0,76 Олеилсаркозип 0,441 1,411 0,90 Жирные амины (С-С) 0,441 1,234 0,67 Нефтяной сульфонат бария 0,392 1,234 0,67 Фосфатиды 0,490 1,549 0,59 подсолнечного масла Влияние смазывающих свойств минерального масла без добавок и с присадками на стойкость сверел диаметром 5 мм из стали Р6М5 при обработке стали 45 с постоянным осевым усилием приведены в таблице 3.2 [61].
Скорость резания 33 м/мин, предельно допустимый износ по задней грани 0,3 мм.Критическая нагрузка Рк характеризует способность смазывающего материала предотвращать быстрое изнашивание трущихся поверхностей. Нагрузка сваривания Ре характеризует предельную работоспособность смазочного материала. Это минимальная осевая нагрузка, вызывающая сваривание шариков (имеется в виду условное сваривание, при котором крутящий момент на шпинделе становится больше установленного).
Показатель износа Du характеризует противоизносные свойства исследуемого материала.
Индекс задира И, - безразмерная величина, которая показывает способность смазочного материала снижать изнашивание трущихся поверхностей при изменении осевой нагрузки от начальной (0,196 кН) до нагрузки сваривания.
Таблица 3.2
Влияние смазывающих свойств минерального масла без добавок и с присадками на стойкость сверл Присадки Доля
присадок, % D„, Число про-сверленных отверстий кН мм Без присадок - 0,392 1,098 0,75 87 Дибензилдисульфид 2,8 0,490 2,765 0,45 282 Дибензилдисульфид + олеиновая кислота 2,8 + 2,0 0,441 2,197 0,70 202 Элементарная сера 0,7 0,696 3,903 0,85 326 Элементарная сера+ фосфор 0,7 + 2,0 0,873 4,383 0,50 357 Дибензилдисульфид + олеилсаркозин 0,8 + 2,0 0,441 1,961 0,86 213 Элементарная сера+ олеилсаркозин 0,7 + 2,0 0,774 3,903 0,61 330 Хлористый парафин 3,0 0,549 1,382 0,74 155 Хлористый парафин + сульфонад бария 3,0 + 2,0 0,774 1,745 0,69 140 Примечание: Pfc- критическая нагрузка, Рс- нагрузка сваривания, DH- диаметр шарика.
В ряде опубликованных работ трибологические свойства жидкостей оценивают по коэффициенту трения в парах металл - металл или металл - абразивный инструмент.
Следует отметить, что многие ученые отрицательно относятся к подбору эффективных составов жидкостей, в частности моторных и трансмиссионных масел, по их трибологическим характеристикам, полученным на основе испытаний на модельных установках. Однако широкое применение машин трения при разработке новых составов масел свидетельствует о целесообразности их использования.
Подбор СОЖ с учетом их трибологических характеристик, полученных на машинах трения, поможет использовать при разработке СОЖ присадки, предназначенные для гидравлических жидкостей, моторных масел и т.п.Проведенные нами модельные и станочные испытания более десяти составов водных и масляных СОЖ показали, что наиболее информативным показателем с точки зрения стойкости инструмента является не ко-эффициент трения, а нагрузка сваривания РС9 которая определяет предельную работоспособность смазочного материала. Она определяется по минимальной нагрузке, вызывающей сваривание шаров (имеется в виду условное сваривание, при котором крутящий момент на шпинделе становится больше установленного).
Были проведены специальные исследования по количественной оценке смазочных свойств СОЖ на четырсхшариковой машине КТ-2, разработанной в Институте Машиноведения Академии Наук России (ИМАШ). На этой машине шпиндель вращается со скоростью 1 об/мин, чтобы избежать фрикционного нагрева. СОЖ нагревается от внешнего источника тепла. Опыты показали, что при увеличении температуры СОЖ с 20 до 100° С коэффициент трения возрастает в 1,77 - 3,25 раза, для масляных СОЖ коэффициент трения возрастает в меньших пределах - в 1,55 - 1,67 раза. Дальнейшие испытания этих же СОЖ на металлорежущих станках не показали какой-либо связи между коэффициентом трения и технологической эффективностью СОЖ.
В таблице 3.3 приведены результаты проведенных нами испытаний индустриального масла И12-А, содержащихся в этом масле растворов трибополимеробразующей присадки (ТПТ), предложенной Институтом машиноведения АН России, присадок, предложенных Институтом физической химии АН России, и противоизносного продукта Fenom (Феном), выпускаемого ФГУПНИИ физических проблем им. Ф.В. Лугина (Москва- Зеленоград).
Таблица 3.3
Результаты испытаний на четырехшариковой машине трения влияния
присадок на противоизносные свойства индустриального масла И12А СОЖ Длительность проведения испытаний в минутах 10 20 30 45 60 75 90 105 120 И12А 0.648 0.812 0.876 2.48 2.232 2.356 2.392 2.45 2.5 И12А+ ТПО 0.65 0.75 0.82 0.92 0.98 1.04 1.07 1.09 1.11 И12А + п.Х°1* 0.52 0.58 0.676 0.85 1.01 1.13 1.17 1.19 1.2 И12А+ п.
№2* 0.58 0.79 0.91 1.01 1.19 1.3 1.38 1.48 1.5 И12А+ Fenom 0.57 0.6 0.64 0.69 0.7 0.78 0.82 0.86 Примечание: п. №1 и п .№2 - присадки, предложенные Институтом физической химии АН РоссииБолее надежно на модельных установках противоизносные свойства СОЖ можно проконтролировать, измеряя износ шариков на четырехшариковой машине трения в течение одного - двух часов, создав постоянную осевую нагрузку на шпиндель. Эксперименты показали, что наименьший износ шариков имел место при использовании присадок Fenom и трибополимеробразующей присадки 1111. ТПТ улучшает приработку контактирующих поверхностей, образует на них полимер трения, который не содержит таких химически активных элементов, как сера, фосфор, хлор.
После дополнительных испытаний на металлорежущих станках нами была рекомендована трибополимеробразующая присадка для использования в качестве компонента СОЖ. В настоящее время ведутся перего- воры с Институтом машиноведения АН России о цеховых испытаниях этой присадки на ЗИЛе.
Известно, что на выбор СОЖ оказывает влияние химический состав инструментального и обрабатываемого материалов. Для контроля смазочных свойств СОЖ при трении различных сочетаний инструментального и обрабатываемого материалов можно использовать машины трения, работающие по схеме «вращающий диск - неподвижный палец». Последняя схема выбрана по тон причине, что диск или палец легче изготовить, чем шарики.
С точки зрения повышения стойкости режущего инструмента важное значение имеет максимальная (критическая) температура, при которой сохраняется работоспособность СОЖ. Она зависит от температуры десорбции атомов и молекул, входящих в её состав. Эксперименты показали, что одной из наиболее информативных характеристик смазочных свойств СОЖ является наблюдаемая энергия активации Еа процесса разрушения граничного смазочного слоя, которая характеризует способность смазочного материала образовывать прочные граничные слои, препятствующие металлическому контакту.
Совместно с проф., д.т.н.
И.А. Буяновским нами составлена математическая модель, позволяющая оценить трибологическую эффективность смазочно-охлаждающей жидкости.Сравнительные испытания СОЖ на металлорежущих станках и машинах трения показали, что наиболее информативной расчетной характеристикой смазочной способности СОЖ является энергия активации Еа. Ее величина определяется из уравнения:
ТкР= ^ , (27)
Rln[Bp/(CnIIvm)]
где ТцР - критическая температура, вызывающая разрушение гранично- го смазочного слоя;
R = 8,314 Дж/(моль-К) - универсальная газовая постоянная;
р - номинальное давление в зоне контакта;
v - скорость относительного перемещения контактирующих деталей;
Н - твердость поверхности при рабочей температуре;
С - концентрация ПАВ в СОЖ;
В, m, п - постоянные контактирующие сопряжения;
Е* - энергия активации, которая рассчитывается по результатам испытаний СОЖ на разных машинах трения (на разных режимах).
Сопоставление результатов испытаний смазочных свойств СОЖ на модельных установках по ГОСТ 9490-75* и ГОСТ 23.221-84 (в последнем случае машина совершает медленное вращение шпинделя, чтобы избежать нагрева шариков) и на металлорежущих станках показало, что стойкость инструмента повышается при использовании СОЖ, имеющих при равной химической активности более высокую нагрузку сваривания. Чем труднее обрабатывается материал, тем более наглядно проявляется эта зависимость.