Изучение влияния СОТС с присадками ЖК-соединений на сверление и развертывание

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

УДК 621.9, 665.765

Изучение влияния СОТС с присадками ЖК-соединений на сверление и развертывание1

М. С. Маршалов, В. Н. Латышев, В. В. Новиков, Е. Е. Нуждина, С. А. Сырбу

Введение

Улучшение процесса обработки металлов напрямую зависит от эффективности применяемых смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). Одним из наиболее действенных способов совершенствования СОТС является улучшение их состава за счет использования различных по природе и химическому строению функциональных присадок.

Общим недостатком применения функциональных присадок в большинстве случаев является их токсичность. Поэтому большой интерес вызывает замещение указанных соединений в составе СОТС экологически более безопасными аналогами. К таким альтернативным присадкам относятся жидкокристаллические соединения холестерила (ЖКСХ). Данные вещества являются нетоксичными, не обладают канцерогенным действием, полностью биоразложимы. Кроме того, благодаря своему химическому строению молекулы ЖКСХ способны структурироваться в зонах трибологи-ческого контакта инструмента и обрабатываемой поверхности, таким образом достигается их высокая смазочная способность [1—4].

В последнее время были синтезированы соединения, имеющие высокие температуры термического разложения, что делает возможным их применение в процессах металлообработки. В нашей статье [5] была показана высокая эффективность некоторых присадок ЖКСХ в экспериментах по трению. В частности, выявлено, что наилучшей способностью снижать условия трения обладают хо-лестериловые эфиры, содержащие атом хлора. Возможно, трибологическая активность данных присадок связана с их способностью распадаться на фрагменты в процессе трения,

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы 2009—2011».

причем происходит образование свободных радикалов хлора и молекулярного остатка, которые иммобилизируются на металлической поверхности, образуя прочную защитную пленку.

Известно, что при обработке металлов смазочное действие СОТС тоже во многом определяется их способностью разлагаться по радикальным механизмам, образуя на поверхностях прочные хемосорбированные защитные смазочные пленки [6]. Применяя в качестве присадок к СОТС ЖКСХ, можно ожидать си-нергетического эффекта от использования присадок, не только химически активных, но и способных структурно упорядочиваться в зоне контакта.

Целью данной работы являлось проведение комплекса испытаний проверки способности присадок ЖКСХ улучшать свойства СОТС при операциях сверления и развертывания.

Эксперимент

Для проведения исследований нами разработан ряд экспериментальных составов СОТС. В качестве базовых масел, в которых растворялись исследуемые присадки, были использованы индустриальные масла И-20А и 40А [9], которые являются основой производства всех режущих масел, а также готовые режущие масла СП-4 (ТУ 0258-100-05744685-96), ГСВ-1 (ТУ 0258-199-05744685-2003), они широко применяются на производстве. СП-4 используется для материалов нормальной обрабатываемости при таких операциях, как обработка на токарных одно- и многошпиндельных автоматах, фрезерование конструкционных углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и сплавов. ГСВ-1 предназначено для использования в качестве СОТС при резании конструкционных легированных и коррозионно-стойких сталей при операциях глубокого сверления, протягивания, резьбонарезания.

Данные базовые масла модифицировались введением присадок ЖКСХ марок Х-16 (C45H73O2), Х-18 (Сз8Н6602), Х-25 (C34H49CIO2), Х-26 (C27H45CI), Х-37 (С42НббОз), Х-68 (C46H74O3), а также олеиновой кислоты. Эффективность данных присадок при трении была установлена ранее в работах [5, 8]. Присадки растворяли на водяной бане базовом масле при температуре 95-100 °С. Содержание присадок в базовом масле варьировало от 0 до 3 масс. %.

Для исследования эффективности смазочной способности СОТС был разработан и сконструирован специальный автоматизированный трибометрический стенд с гравитационной подачей инструмента на базе вертикального сверлильного станка модели JPD-10L (JET, Швейцария) с патроном 13 мм и максимальным ходом шпинделя 65 мм. Станок был модифицирован приводом, позволяющим плавно регулировать частоту вращения шпинделя ю в диапазоне частот 1-2450 об/мин. Осевая нагрузка Р на инструмент задавалась навесками в диапазоне до 300 H.

Сравнительные испытания смазочной способности СОТС при сверлении проходили при скоростях резания V = 21,9 м/мин (1040 об/мин) и осевой нагрузке Р = 270 Н. Режим резания при развертывании: V = = 9,7 м/мин (440 об/мин) и Р = 13 Н. Используемый инструмент — сверла 0 6,7 мм и развертки 0 7 мм с классом точности 7 Н, из быстрорежущей стали Р6М5. Подача СОТС осуществлялась капельным методом, с расходом 2 мл/мин. Обрабатываемый материал — сталь 3 в виде полос 150 х 12 х 6 мм. Каждый опыт проводился не менее пяти раз, выполнялась статистическая обработка результатов. Погрешность измерений среднего значения момента резания не превышала 5 %, шероховатости — 7 %.

Образцы для исследований закреплялись в держателе на столике динамометра, который позволял определять крутящий момент, возникающий при сверлении и развертывании. Сигнал с датчика линейных перемещений динамометра поступал через диодный мост на аналого-цифровой преобразователь. Далее он передавался на персональный компьютер и обрабатывался программой PowerGraph 3.0.

В качестве показателя процесса сверления, определяющего эффективность СОТС, был взят средний крутящий момент, возникающий при резании М. В качестве показателя эффективности процесса развертывания принималась шероховатость обработанной поверхности Ra, которая измерялась на профилографе-профи-лометре «Абрис ПМ-7» (ООО «Абрис», Пенза).

Результаты и обсуждение

Результаты исследований на сверление экспериментальных СОТС различных составов приведены в табл. 1. Для сравнения результатов бралось отношение базового крутящего момента Мд, полученного при обработке без СОТС, к крутящему моменту с применением СОТС М.

Установлено, что введение в состав присадок ЖКСХ значительно улучшает смазочную способность базовой СОТС. Видно, что использованием базовых СОТС (исключая ГСВ-1) снижает момент резания от 10 (И20А) до 16 % (СП-7) по сравнению резанием без СОТС.

Введение присадок ЖКСХ в индустриальное масло И-20А приводит к снижению момента резания по сравнению с резанием без СОТС от 17 до 27 % в зависимости от вида присадки. Присутствие присадок ЖКСХ в режущем масле СП-4 также повлекло за собой уменьшение момента резания от 17 до 26 %. Очевидно, что в случае использования присадок ЖКСХ, улучшающих свойства более дешевого индустриального масла, можно получать составы СОТС, превосходящие по смазочным свойствам режущее масло СП-4.

Вопреки ожиданиям хлорсодержащие присадки ЖКСХ не показали существенно более высоких результатов по сравнению с присадками, не имеющими в своем составе хлора. Очевидно, это связано с тем, что были использованы «мягкие» режимы резания, когда возможна реализация структурного смазочного механизма действия присадок ЖКСХ. При создании новых СОТС для сверления это позволяет не использовать хлорсодержащие присадки ЖКСХ как потенциально опасные для экологии.

Интересные результаты дало исследование возможности улучшения смазочного действия масляных СОТС за счет совместного использования присадок ЖКСХ и олеиновой кислоты. Известно, что благодаря поверхностной энергии олеиновая кислота способна повышать пластичность металла, в результате достигается снижение всех сил резания, возникающих при обработке, в зоне резания. Как показано в табл. 1, добавление к маслу И20А чистой олеиновой кислоты приводит к понижению момента сверления до 31% по сравнению с резанием без СОТС. Добавка к исходному составу пакета присадок ЖКСХ позволяет снизить значения момента резания до 51 %.

Результаты исследования при развертывании приведены в табл. 2. Видно, что применение присадок ЖКСХ уменьшает шероховатость обработанной поверхности в 1,5-2,0 раза

Таблица 1

Смазочная способность СОТС с присадками ЖКСХ при сверлении

№ состава Вид СОТС Концентрация присадки ЖКСХ, масс. % Момент резания М, Н • м Относительная эффективность СОТС, м0/М

1 Без СОТС — 1,021 1,00

Базовые СОТС

2 И20А 0 0,925 1,10

3 И40 0 0,918 1,11

4 СП-4 0 0,893 1,14

5 СП-7 0 0,881 1,16

6 ГСВ-1 0 0,730 1,40

СОТС на основе индустриального масла И20 с присадками ЖКСХ

7 И20А + Х-16 3,00 0,860 1,19

8 И20А + Х-25 1,50 0,806 1,27

9 И20А + Х-26 3,00 0,851 1,20

10 И20А + Х-37 1,50 0,825 1,24

11 И20А + Х-68 1,25 0,870 1,17

СОТС на основе индустриального масла И20 с присадками ЖКСХ и олеиновой кислотой

12 И20А + олеин 10,00 0,782 1,31

13 И20А + Х-16 + олеин — 0,781 1,31

14 И20А + Х-37 + олеин — 0,707 1,44

15 И20А + Х-16 + Х-37 + олеин — 0,675 1,51

СОТС на основе режущих масел с присадками ЖКСХ

16 СП-4 + Х-16 3,00 0,853 1,20

17 СП-4 + Х-25 3,00 0,876 1,17

18 СП-4 + Х-26 2,50 0,810 1,26

19 СП-4 + Х-18 3,00 0,867 1,18

20 СП-4 + Х-68 2,25 0,825 1,24

21 ГСВ-1 + Х-26 2,10 0,713 1,43

Таблица 2

Смазочная способность СОТС с присадками ЖКСХ при развертывании

№ состава Вид СОТС Концентрация присадки ЖКСХ, масс. % Шероховатость В,а, мкм Относительная эффективность СОТС Ла0/ Ва

1 Без СОТС — 3,4 1,0

Базовая СОТС

2 И20А 0 2,5 1,36

СОТС на основе индустриального масла И20 с присадками ЖКСХ

7 И20А + Х-16 3,0 1,7 2,0

8 И20А + Х-25 1,5 2,1 1,6

9 И20А + Х-26 3,0 2,2 1,5

10 И20А + Х-37 1,5 2,0 1,7

11 И20А + Х-68 1,25 2,2 1,5

СОТС на основе индустриального масла И20 с присадками ЖКСХ и олеиновой кислотой

12 И20А + олеин 10 1,7 2,0

13 И20А + Х-16 + олеин — 1,9 1,8

14 И20А + Х-37 + олеин — 2,2 1,5

15 И20А + Х-16 + Х-37 + олеин — 2,2 1,5

в зависимости от вида присадок по сравнению с резанием без СОТС.

Максимальное улучшение шероховатости поверхности (в 2 раза) достигается при использовании присадок Х-16 (олеата холестери-ла) и чистой олеиновой кислоты. Близкие результаты могут быть объяснены тем, что Х-16 является эфиром олеиновой кислоты. Можно предположить, что в зоне резания из-за три-бодеструкции эфир может распадаться с выделением чистой олеиновой кислоты, которая и оказывает благоприятное действие на формирование поверхности при развертывании за счет ее пластифицирования.

Выводы

Эксперименты по использованию при металлообработке СОТС с присадками ЖКСХ подтвердили их высокую эффективность в качестве трибоактивных веществ. Отмечено снижение силовых параметров резания, уменьшение шероховатости поверхности.

Установлено, что превалирующим механизмом смазочного действия присадок ЖКСХ является не химический, а структурный. Это позволит не использовать хлорсодержащие присадки ЖКСХ как потенциально опасные для экологии при создании новых СОТС.

Литература

1. Справочник по триботехнике: В Зт. / Под общ. ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 1990. Т. 2. 420 с.

2. Ермаков С. Ф., Родненков В. Г., Белоенко Е. Д. и др. Жидкие кристаллы в технике и медицине. Мн.: ООО «Асар»; М.: ООО «ЧеРо», 2002. 412 с.

3. А. с. 601304 СССР, приоритет от 27.04.78. Сма-зочно-охлаждающая жидкость для механической обработки металлов / Р. И. Карабанов, В. Н. Латышев, И. Г. Чистякова и др. Опубл. 15.04.79. Бюл. № 13. 3 с.

4. Топлива, смазочные материалы и технические жидкости. Ассортимент и применение: Справочник / Под ред. В. М. Школьникова. М.: Издательский центр «Техинформ», 1999. 596 с.

5. Колбашов М. А., Латышев В. Н., Новиков В. В. и др. Трибологические свойства некоторых жидкокристаллических соединений холестерила // Трение и износ. 2009. Т. 20, № 6. С. 564-567.

6. Латышев В. Н. Трибология резания: В 12 ч. Иваново: Ивановск. гос. ун-т, 2009. Ч. 1: Фрикционные процессы при резании металлов. 108 с.

7. Demus D., Demus Н., Zaschke Н. Flussige Kristalle in Tabellen. Leipzig: VEB Deut. Verlag, 1974. 356 S.

8. Короткое В. Б. Влияние мезогенных технологических сред на процесс резания медно-никелевых сплавов: Дис____канд. техн. наук. Горький, 1982. 250 с.

9. ГОСТ 20799-88. Масла индустриальные. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2006.