книги / Резание материалов
..pdfОкончание табл. 7
Марка |
Состав |
|
|
Обрабатываемый |
Коэф. |
|
|
материал, операция |
стойкости |
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
МХО-64а (ТУ 388016–81), |
Полимерсодержащие, в |
состав |
входит |
Углеродистые, инструменталь- |
1,2…3,0 |
МХО-7С (ГОСТ 20799–75), |
латекс поливинилхлорида, триэтанола- |
ные, легированные, коррозионно- |
|
||
МХО-62 (ГОСТ 6243–75) |
мин, уротропин, нитрит натрия, синте- |
стойкие стали и сплавы на всех |
|
||
|
пол ДС-Ю, стеарат кальция, динитрила- |
операциях лезвийной обработки и |
|
||
|
зоизамасляная кислота, |
минеральное |
шлифования |
|
|
|
масло И-12А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сплав Вуда |
Висмут 50 %; олово 12,5 %; |
кадмий |
Алюминий исплавынаегооснове. |
1,5…2,0 |
|
|
12,5 %; свинец 25 % (температура рас- |
Медь и сплавы на ее основе, ле- |
|
||
|
плава 80…100 °С). |
|
|
гированные стали, малоуглероди- |
|
|
Олово 57…67 %; свинец 33…43 % (тем- |
стые стали. |
|
||
|
пература расплава 190…200 °С). Висмут |
Высокоуглеродистые, закален- |
|
||
|
55…65 %; кадмий 35…45 % (температура |
ные, сложнолегированные инст- |
|
||
|
расплава150°). |
|
|
рументальные стали и сплавы |
|
|
Олово 85…95 %; цинк 5…15 % (темпе- |
|
|
||
|
ратура расплава 200 °С) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
211
211
2.«Росойл-305» – маловязкое минеральное масло, легированное противоизносными и моющими присадками. Предназначено для лезвийной и абразивной обработки металлов и сплавов. Является аналогом смазки ОСМ-1. Разрабатывалось по заказу АО «АвтоВАЗ».
3.«Росойл-320» – средневязкая масляная СОЖ с повышенными противозадирными свойствами. Предназначена для раздачи алюминиевых труб и лезвийной обработки сталей и сплавов. Разрабатывалась по заказу ОАО «ДААЗ», г. Димитровград.
4.Эмульсол «Росойл-500» – водоэмульсионная СОЖ на базе минеральных масел. Применяется в виде 3…10%-ной водной эмульсии для металообработки, а также в качестве ингибитора коррозии для промасливания фосфатированных деталей и рабо-
чей жидкости в гидросистемах. Разрабатывалась по заказу АО «Автонормаль», г. Белебей.
5.Эмульсол «Росойл-503» – сложная композиция на базе минеральных масел и функциональных присадок. Универсальная СОЖ для тяжелонагруженных операций обработки давлением
имеханообработки. Может использоваться как в виде концентрата, представляя собой высокоэффективную масляную СОЖ, так
ив виде 3…15%-ной водной эмульсии. И концентрат, и эмульсия обладают высокими антифрикционными и противозадирными свойствами. Разрабатывалась по заказу УМПО, г. Уфа.
6.«Росойл-ОСМ-3» – маловязкое минеральное масло с моющими, противозадирными и антифрикционными присадками. Предназначено для лезвийной и абразивной обработки металлов
исплавов. Является аналогом смазки ОСМ-3. Разрабатывалось по заказу АО «АвтоВАЗ».
7. «Росойл-ОСМ-5» – средневязкое минеральное масло с противоизносными и противозадирными присадками. Используется на различных операциях механообработки. Является аналогом смазки ОСМ-5. Разрабатывалось по заказу АО «Ижмаш».
8. «Росойл-ИСЭ-25» – средневязкое минеральное масло с высокими моющими свойствами, легко удаляемое с поверхности металла. Применяется на операциях зубообработки, а также в ка-
212
честве основы противопригарной краски для литейных полуформ. Разрабатывалось по заказу АО «АвтоВАЗ».
9.«Росойл-23М» – присадка к минеральным маслам, используемым в механообработке. Является аналогом присадки ЛЗ-23М с повышенными противозадирными, противоизносными
иантифрикционными свойствами. Разрабатывалась по заказу АО «АвтоВАЗ».
10.«Росойл-1МИО» – масляная СОЖ, предназначенная для операций шлифования стали. Представляет собой аналог ЛЗ-СОЖ-1МИО с более высокими противозадирными и противоизносными свойствами. Разрабатываласьпо заказу АО «АвтоВАЗ».
11.Паста технологическая «Шлиф» – однородная парафинообразная масса без комков и механических включений. Предназначена для абразивной обработки металлов (смазывания абразивной ленты). Является аналогом технологической пасты «На- тронал-1М». В настоящее время используется на Волжском автозаводе на операциях полировки декоративных накладок. Выпускается в виде брикетов и карандашей.
Использование вышеперечисленных СОТС повышает стойкость инструмента, производительность труда, улучшает качественные характеристики обрабатываемых материалов. Однако наличие в средах солей и мыла различных кислот, соединений хлора, кальцинированной соды и других химически активных присадок может оказать вредное воздействие как на станочника, работающего непосредственно с ними, так и через испарения в окружающую среду в целом и на оборудование. Отходы этих СОТС экологически вредны. Наиболее приемлемое использование данных технологических средств – на станках с ЧПУ, при работах, где используется «безлюдная» технология обработки деталей.
Интересные эксперименты по использованию твердых присадокк смазкам проводились и проводятся вряде институтов страны.
Попытка использования в качестве СОТС легкоплавких металлов показала их способность воздействовать на процессы механической обработки через эффект Ребиндера. Практически для всех типов твердых тел существуют родственные среды.
213
По отношению к металлам сильными поверхностно-активными средами оказываются расплавы ртути – для цинка и латуни; галлия – для алюминия и его сплавов; висмута – для меди и бронз; цинка – для железа и сталей; кадмия – для титана; цинка и олова
– для жаропрочных сплавов и сталей.
Так, анализ работ, проведенных в Московском институте физической химии при сверлении жаропрочных сталей и сплавов, таких как У8, 1Х18Н9Т, ЖС6К, ВТ-6, ВТ-14, ВТ-20 и т.д., показал, что использование в качестве среды расплавов легкоплавких металлов увеличивает стойкость инструментов до 30 раз по сравнению с обработкой всухую, существенно снижает температуру в зоне резания (на 400…500 °С), что способствует увеличению режимов обработки и повышению производительности труда, качество обработанной поверхности не ухудшается.
В Чувашском государственном университете созданы СОТС нового класса – синтетические среды для скоростного резания металлов, где в качестве термостойких присадок введены комплексные соединения металлов. Широкие исследования ряда составов этого класса позволили выделить два из них – Сувар 1 и Сувар 2, показавшие высокие технологические свойства – двухтрехкратное повышение стойкости резцов на скоростях резания 2,5 м/с и более – при обработке конструкционных сталей.
Аналогичные работы по созданию новых присадок к СОТС проводятся и в Уфимском государственном авиационном техническом университете на кафедре «Автоматизированные технологические системы». Так, для обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе (ЖС6У, ЖС6УВИ) и титановых сплавов (ВТ-22, ВТ-25У и др.) предложено в качестве присадок к СОТС использовать мелкозернистый порошок меди (4 %) с величиной зерна не более 0,005 мм. Применение вышеназванной присадки позволило повысить стойкость инструмента в 1,3…1,5 раза, качественные характеристики обработанной поверхности (шероховатость, остаточные напряжения, глубина и степень наклепа) улучшаются в 1,1…1,3 раза по сравнению с обработкой при использовании обычных СОТС (см. табл. 7).
214
Влияние смазочно-охлаждающих технологических средств на процесс резания металлов обусловливается, прежде всего, совместным проявлением их смазочного, охлаждающего и моющего действия.
3.2.3. Особенности физико-химического действия СОТС в зоне резания
Механизм смазки. Смазывающее действие жидкости заключается в том, что на трущихся поверхностях стружки, детали
иинструмента образуются весьма тонкие пленки, препятствующие непосредственному контакту этих поверхностей и вызывающих снижение сил трения. Образующиеся пленки состоят из поверхностно-активных веществ (ПАВ), содержащихся в жидкости. Эти вещества уменьшают поверхностное натяжение жидкости и обладают сильным молекулярным сцеплением с металлической поверхностью. К этим ПАВ относятся органические кислоты: олеиновая, стеариновая и др., их соли, а также соединения серы, хлора и других элементов. Основной функцией смазочных веществ, обеспечивающих граничную смазку, является образование на металлической поверхности веществ, имеющих низкое сопротивление стружкоотделению. Но такие вещества эффективны только в твердой форме и теряют свою эффективность, когда температура превышает их точку плавления. Точки плавления обычно применяемых веществ следующие: жирные кислоты –
150 °С, хлориды – 500 °С, сульфиды – 1000 °С.
Обычно смазочное действие СОТС сводят к уменьшению трения на передней и задней гранях инструмента. Однако еще не создана общепринятая теория, объясняющая механизм действия среды. Отечественными и зарубежными учеными выдвигается ряд гипотез
итеорий, объясняющих механизм действия СОТС при резании металлов. Установлено, что в условиях высоких контактных давлений наличие в смазке поверхностно-активных компонентов (органических кислот, мыл, спиртов, расплавов металлов), адсорбирующихся на новых участках поверхности, обеспечивает невытесняемость смазки и производит пластификацию поверхностных слоев. Соглас-
215
но теории «каталического распада», молекулы внешней среды под действием силового поля ювенильных поверхностей, образующихся при резании, разрушаются с образованием атомов, диффундирующих в деформируемый металл. В результате этого процесса металл
взоне деформации быстрее достигает предельной прочности (охрупчивается) и разрушается при меньшей затрате энергии. Теория основана на механизме ограничения контактной длины между стружкойипереднейповерхностью резца.
Другими авторами была сформулирована гипотеза о том, что смазочный эффект при резании металлов обеспечивается за счет разделения контактных поверхностей третьим телом с вырожденной кристаллической решеткой, когда уменьшение протяженности кристаллической решетки уже не обеспечивает регулярности структуры. Такое состояние вещества характеризуется как мезаморфное. Большинство специалистов в области механообработки и трения считают, что при резании металлов активные
вхимическом отношении поверхности резца и стружки вступают
вхимическую реакцию с компонентами смазочного материала,
врезультате чего образуются защитные пленки, экранирующие силы адгезии между ювенильными поверхностями.
Охлаждение. Оно определяется отводом тепла, образуемого при деформации металла и трением между стружкой и инструментом. Охлаждающее действие зависит от теплоемкости, теплопроводности и скрытой теплоты парообразования СОЖ. Вода и минеральное масло используются в качестве основы для создания СОЖ и прямых смазочно-охлаждающих масел. В отношении охлаждающего действия определяющими характеристиками являются удельная теплота и теплопроводность. Совершенно ясно, что вода является гораздо лучшей охлаждающей средой по сравнению с минеральным маслом. Вода отводит тепло в 2…3 раза быстрее, чем масло. Применение водной СОТС в среднем снижает температуру резания на 80…120 °С. Кроме того, она испаряется при гораздо более низкой температуре и поэтому проникает гораздо легче
вграничную поверхность между стружкой и инструментом. Охлаждающее действие СОТС имеет ясную и однозначную трактов-
216
ку: непосредственный результат охлаждающего действия заключается в изменении температурного поля системы твердых тел (инструмент, заготовка и стружка), взаимодействующих при резании. Среда с высокими охлаждающими свойствами уменьшает температуру при резании за счет теплоотвода на 100…150 °С, а расплавы легкоплавких металлов – на 400…500 °С.
Смывающее действие. Третьим функциональным требованием, предъявляемым к смазочно-охлаждающей жидкости, является способность удалять стружку из зоны резания для того, чтобы предупредить повреждения инструмента или обрабатываемой детали. Устранить прилипание мелкой стружки к станку, детали и инструменту. При некоторых операциях, когда смазывающее действие и охлаждение не слишком важны, основной причиной выбора смазочно-охлаждающей жидкости может являться ее способность удалять стружку и предупреждать загрязнение. Моющее действие СОТС обеспечивает непрерывное удаление из зоны обработки продуктов изнашивания инструмента, мелкой стружки, карбидов и т.д. Следствием повышения моющего действия сред является увеличение количества жидкости, подаваемой в зону резания в единицу времени, и увеличение скорости потока.
Проникающая способность СОТС. Чтобы проявить смазоч-
ное действие, среда должна проникнуть на контактные площадки между инструментом и заготовкой. Механизм проникновения СОТС до сих пор остается предметом научных дискуссий.
По результатам исследований ряда авторов составлены четыре схемы поступления смазочного материала в контактную зону при резании металлов (рис. 130).
Проникновению жидкости в зону резания способствуют периодические процессы срыва и образования частиц нароста. В момент отрыва частиц нароста на мгновение образуются вакуумные пустоты, которые заполняются жидкостью (см. рис. 130, а). Поскольку трущиеся поверхностиобычно имеютзначительную шероховатость, то в местах соприкосновения выступов давления очень велики, а в пустотах также образуется вакуум. Частицы смазочных веществ засасываются в пустотыипроникаютвмикротрещины.
217
а |
б |
в |
г |
Рис. 130. Схемы поступления смазочного материала в контактную зону при резании металлов: а – через сеть капилляров между поверхностями стружки и инструмента; б – за счет образования полостей, вызванных периодическими срывами нароста; в – за счет нарушения плотности контакта вследствие колебаний инструмента и заготовки; г – в результате диффузии через насыщенный дефектами деформируемый материал стружки
При определенных режимах резания проникновение смазочного материала в контактную зону происходит в форме поверхностной миграции (диффузии) поверхностно-активных молекул (см. рис. 130, г). Согласно данной модели, если даже на контактной поверхности раздела успела образоваться пленка хемосорбированного вещества, молекулы смазочного материала способны мигрировать в виде плотного монослоя поверх этой пленки с достаточно большой скоростью, чтобы обеспечить смазочный эффект в среднем диапазоне скоростей резания. Итак, вопрос о проникновении СОТС в зону резания продолжает обсуждаться,
идаже, несмотря на отрицательные суждения ряда авторов на этот счет, выдвинутые вышеперечисленные гипотезы, большинство из которых подтверждены экспериментально, позволяют считать доказанным факт проникновения и наличия химического смазочного действия СОТС в пределах большей части площади контактного взаимодействия инструмент – заготовка.
Диспергирующее действие СОЖ. Это понижение прочности твердых тел в абсорбционно-активной среде вследствие физических
ихимических взаимодействий в поверхностном слое основано на эффекте академика П.А. Ребиндера. Эффект заключается в том, что молекулы ПАВ, попадая в микротрещины своими зарядами ориентированы так, что происходит их расталкивание и углубление мик-
ротрещин (рис. 131). Это и есть расклинивающее действие. В глубине, там, где из-за недостаточной ширины щели молекулы не
218
могут проникнуть дальше, они производят сильное распирающее действие (см. рис. 131, б), которое равноценно действию приложенных к телу дополнительных растягивающих усилий. Чем ýже щель, тем сильнее расклинивающее действие. Заметный эффект появляется при ширине трещины не более 0,1 мкм. Режущий инструмент легче удаляет разрыхленный слой металла, который оказывает меньшее сопротивление резанию. Это проявляется сильнее при срезании стружек малой глубины, которая соизмерима с глубиной разрыхленного слоя. Добавки 1 % ПАВ (стеариновой кислоты, натриевого мыла) примерно в2 разаоблегчают процессрезания.
а |
б |
Рис. 131. Эффект Ребиндера. Схема образования микротрещин при точении (а) и эпюра расклинивающих напряжений
в микротрещине от попадания СОЖ (б)
В процессе резания происходит периодическое смыкание и расширение щели, что способствует разрыхлению поверхностного слоя и облегчает резание.
Как показали исследования проф. Ребиндера, СОТС, проникая в трещинки и поры металла, производят охрупчивание металла в зоне резания, а для хрупкого металла меньше усадка стружки, меньше сила резания, меньше выделяемое количество теплоты, ниже и температура резания. Кроме того, при попадании ПАВ
взону предельно деформированного металла срезаемого слоя ПАВ распадаются на атомы Н, О, N. Эти атомы могут внедряться
вкристаллическую решетку деформированного металла. В результате металл дополнительно упрочняется и охрупчивается, что облегчает процесс резания.
219
С другой стороны, это явление может сыграть отрицательную роль с позиции прочности, например, титановых сплавов. Поэтому обработку таких ответственных материалов рекомендуется вести в среде инертных газов.
Кроме того, применение СОТС препятствует наростообразованию, и в этом отношении в ряде случаев изменяют условия трения на различных участках передней поверхности инструмента.
Экологическая безопасность водных СОТС. Использование вышеперечисленных СОТС повышает стойкость инструмента, производительность труда, улучшает качественные характеристики обрабатываемых материалов. Однако наличие в средах солей и мыла различных кислот, соединений хлора, кальцинированной соды и других химически активных присадок может оказать вредное воздействие как на станочника, работающего непосредственно с ними, так и в результате испарений на оборудование и на окружающую среду в целом. Отходы этих СОТС экологически вредны. Наиболее целесообразно применять данные технологические средства на станках с ЧПУ при работах, где используется «безлюдная» технология обработки деталей.
3.2.4. Влияние СОТС на стойкость инструментов, силы резания и качество обработанной поверхности
Из ряда работ по исследованию влияния СОТС на стойкость инструмента известно, что среды при правильном их подборе с учетом физико-механических характеристик обрабатываемого и инструментального материалов, с учетом состояния и возможностей оборудования, на котором осуществляется обработка, и, самое главное, с учетом механизма их действия позволяют повысить стойкость инструмента от 2 до 5 раз, а при использовании эвтектик из легкоплавких металлов на операциях сверления – в 10 раз и более. Это свойство действия СОТС имеет исключительно важное значение для увеличения стойкости сложного дорогостоящего инструмента (червячных фрез, долбяков, протяжек, шеверов, твердосплавного инструмента и т.д.). Правильно
220