Роль композиционных материалов в СОЖ для металлообработки

В настоящей работе авторы попыталась рассмотреть вопрос использования новых полимерсодержащих смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), применяемых в металлообрабатывающей промышленности. Основное внимание было уделено аспекту сравнения технических и технологических характеристик полимерсодержащих и маслосодержащих СОЖ.

Интерес к данному вопросу возник из безусловного преимущества использования безмасляных СОЖ с точки зрения экологической безопасности. Общеизвестно, что на каждом предприятии остро стоит вопрос утилизации смазочных материалов. Ситуация осложняется так же тем, что управление Роспотребнадзора минеральные масла внесло в список канцерогенных материалов, что обязывает отчитываться за каждый грамм используемых материалов в составе которых имеется минеральные масла. Полимерсодержащие же составы, относятся, как правило, к 4 классу опасности, не содержат в своей рецептуре минерального сырья и обходят все положения связанные с проблемными на данный момент минеральными маслами.

Кроме того, полимерсодержащие СОЖ отличаются меньшей себестоимостью, и как следствие находятся в более низкой ценовой категории в сравнении с маслосодержащими аналогами.

В связи с этим авторы статьи провели исследование наиболее значимых характеристик СОЖ.

Вопреки теории, что смазочная способность обеспечивается в технических жидкостях исключительно за счет присутствия в них минеральной основы, в данной статье показана конкурентоспособность полимеросодержащих СОЖ. Полимерсодержащие среды, при операциях механической обработки, вступая в химическое взаимодействие с обрабатываемым материалом, образуют химические связи, которые по энергии значительно превышают силы связей, имеющих место при физической адсорбции низкомолекулярных компонентов СОЖ. В результате этого последние в большей степени снижают уровень поверхностной энергии деформируемого тела, что приводит к снижению усилий резания, повышению стойкости инструмента.

Полимеры, входящие в состав СОЖ, адсорбируясь на металле под действием высокой температуры и механических напряжений, подвергаются механодеструкции и термодеструкции, при этом образуются высокоактивные осколки макромолекул, обладающие высокой химической активностью и способные химически взаимодействовать с обрабатываемым металлом, снижая уровень свободной поверхностной энергии, облегчая процессы его деформации и разрушения.

В полимерсодержащих СОЖ, рабочий раствор которых является «истинным», нет проблемы расслоения. Роль смазки в них играет вводимый полимер, его макромолекулы или частицы полимера, входящие в состав СОЖ, попадая на поверхность режущего инструмента и стружки, деструктурируют по главным связям и образуют свободные макрорадикалы. Температурные пределы деструкции полимеров значительно ниже, чем жидких углеводородов. Фрагменты разорванных макромолекул образуют с неокисленными поверхностями металлов, в первую очередь с атомами никеля, марганца, алюминия, железа, хрома, химические связи.

Полимерсодержащие СОЖ могут содержать эмульгаторы, ингибиторы коррозии, биоциды. противоизносно-противозадирные присадки, антипенные добавки, электролиты, вещества-связки (вода, спирты, гликоли) и другие органические и неорганические вещества.

В научно-производственной фирме «Акрил» (г.Омск) разработаны ряд перспективных составов полимерсодержащих смазочно-охлаждающих жидкостей марки «Экол», которые были исследованы на предприятиях г. Омска. В качестве основного компонента в разных концентрациях в составе смазочно-охлаждающих жидкостей использовали водорастворимые полимеры различной химической природы.

Рис.1а. Износ режущего инструмента (1-СОЖ «Экол А-2», 2-СОЖ «Экол А-3», 3-СОЖ «Укринол-1», 4-СОЖ «Аквол-11»)

Сравнительные производственные испытания проводились на токарных станках при обработке одних и тех же металлов детали одной конструкции. На рисунке 1а показано влияние типа смазочно-охлаждающей жидкости на износ режущего инструмента при обработке деталей на токарном станке с резцами, оснащенными пластинами из быстрорежущей стали Р6М5 (V равно 25 м/мин, S равно 0,2 об/мин), время обработки 18 минут.

На рисунке 1б показана стойкость инструмента при таких же условиях. Видно, что стойкость инструмента прямо пропорциональна износу инструмента.

Рис.1б. Стойкость режущего инструмента (1-СОЖ «Экол А-2», 2-СОЖ «Экол А-3», 3-СОЖ «Укринол-1», 4-СОЖ «Аквол-11»)

Как видно из графиков наименьший износ резца (наибольшая его стойкость) достигается при применении смазочно-охлаждающей жидкости «Экол А-2». Это обусловлено тем, что полимер в СОЖ уменьшает схватывание, фрикционный нагрев и силы трения при перемещении стружки и обрабатываемого металла по передней и задней поверхностям инструмента.

Рис.2а. Шероховатость обрабатывающей поверхности. (1-СОЖ «Экол А-2», 2-СОЖ «Укринол-1»)

Рис.2б. Чистота обработанной поверхности (1-СОЖ «Экол А-2», 2-СОЖ «Экол А-3», 3-СОЖ «Укринол-1», 4-СОЖ «Аквол-11»)

Смазочные пленки образуются на поверхности металла вследствие адсорбции поверхностно-активных составляющих полимерсодержащие смазочно-охлаждающих жидкостей.

Пленки разобщают металлические поверхности и предотвращают явления слипания-сваривания контактных поверхностей, находящихся под действием высоких давлений и температур, уменьшая в конечном результате трение между трущимися поверхностями. На рисунке 2б показано влияние типа смазочно-охлаждающей жидкости на чистоту поверхности при резании стали Р6М5 (V равно 0,6 м/с, S равно 0,1 об/мин).

Видно, что чистота поверхности несколько лучше при применении маслосодержащей СОЖ «Укринол-1», но при длительном использовании СОЖ «Укринол-1» или увеличении скорости обработки чистота поверхности ухудшалась за счет присутствия механических примесей, что видно из рис. 2а. Это связано с различием моющей способности смазочно-охлаждающих жидкостей.

Моющая способность СОЖ определяется степенью очистки обрабатываемой детали и инструмента в зоне резания от шлама, содержащего мелкие частицы стружки, обрабатываемого металла, инструмента (карбидов и неметаллических включений), которые удерживаются на поверхности твердых тел электростатическими и механическими силами.

В состав полимерсодержащих СОЖ входят поверхностно-активные вещества (ПАВ), они адсорбируются на границе раздела твердое тело – жидкость и уменьшают поверхностное натяжение жидкости на границе раздела фаз. Образующиеся пленки уменьшают адгезию стружки к поверхности инструмента и детали.

При применении маслосодержащих СОЖ мелкие частички стружки легче проникают в микронеровности инструмента и детали, прочнее удерживаются на поверхности твердого тела, ухудшая технологические показатели процесса обработки.

Рис.3а. Охлаждение режущего инструмента при обработке на режиме резания 60 об/мин (1-СОЖ «Экол А-2», 2-СОЖ «Экол А-3», 3-СОЖ «Укринол-1», 4-СОЖ «Аквол-11»)

Рис.3б. Охлаждение режущего инструмента при обработке на режиме резания 80 об/мин (1-СОЖ «Экол А-2», 2-СОЖ «Экол А-3», 3-СОЖ «Укринол-1», 4-СОЖ «Аквол-11»)

На графиках 3 показано влияние типа смазочно-охлаждающей жидкости на охлаждение режущего инструмента при разных режимах резания стали 45. Видно, что при повышении режимов обработки охлаждающая способность маслосодержащих смазочно-охлаждающих жидкостей уменьшается, повышается температура режущего инструмента, охлаждение идет не интенсивно; полимерсодержащие СОЖ более интенсивно охлаждают инструмент, температура при длительной обработке стабилизируется и не превышает 40ºС.

В результате проведенных сравнительных исследований смазочно-охлаждающих жидкостей, основанных на проведенных испытаниях видно, что полимерсодержащие СОЖ по своим технологическим свойствам не уступают распространенным в машиностроении маслосодержащим СОЖ.

Косаченко М.В., к.х.н. Раздьяконова Г.И.

Омский филиал РосЗИТЛП, РМЗ ОАО «Омскшина», ООО ТД «Промсмазки»