Роль поверхностных явлений при резании металлов с использованием высокодисперсных эмульсий

УДК 621.321

Роль поверхностных явлений при резании металлов с использованием высокодисперсных эмульсий

Е. В. Киселева

Экспериментально доказывается, что использование высокодисперсных эмульсий существенно повышает их триботехнические характеристики на операциях лезвийного резания металлов.

Ключевые слова: приготовление водомасляной эмульсии, дисперсность, поверхностная энергия, межфазная поверхность, износ инструмента.

Введение

С точки зрения кинетики процесса для улучшения трибологии зоны контакта необходимо предпринять меры, которые приводили бы к увеличению концентрации адсорбированного вещества на стенках межповерхностного капилляра, моделирующего элемент геометрии зоны контакта.

Выделяются два главных фактора, которые определяют смазочную эффективность растворов в процессе резания: во-первых, возможность внешней среды с достаточной скоростью и на достаточное расстояние проникать на контактные площадки и, во-вторых, поверхностная (адсорбционная) активность среды, позволяющая создавать граничный смазочный слой.

Отсюда можно заключить, что для снижения трения необходимы следующие предпосылки: 1) повышение концентрации адсорба-та в жидкой смазочной среде; 2) возрастание адсорбционной активности среды за счет изменения молекулярной структуры присадок; 3) дисперсность частиц для гетерогенной смазочной среды.

Дисперсность — один из первых и основных факторов, влияющих на ее проникающую способность и, следовательно, на дальнейшее более быстрое и эффективное протекание физико-химических эффектов при резании металлов. Большой вклад в область диспергирования СОТС в процессах резания внесли Л. В. Худобин, Е. Г. Бердичевский, А. И. Чу-

лока и др. По средствам диспергирования значительно увеличиваются межфазная удельная поверхность на границе раздела фаз и эффективность СОТС.

В связи с этим исследование направлено на изучение процесса приготовления СОТС с помощью специального гидродинамического кавитационного смесителя циркуляционного типа с элементами механохимической активации [1] для получения высокодисперсных смазочных материалов. В данной работе для исследования были использованы водомасля-ные эмульсии (ВМЭ) МС-1.

Основная часть

Эффективность применения данного смесителя обеспечивается за счет интенсивной турбулизации потоков жидкости и создания дополнительных ускоренных потоков.

Приготовление СОТС в специальном смесителе привлекает простотой конструктивных решений, незначительным потреблением электроэнергии смесителя, уменьшением времени приготовления СОТС, возможностью обработки ее вне зоны резания.

Эффективное действие гидродинамического смесителя заключается в сочетании явления кавитации и интенсивной циркуляции технологической жидкости. В результате кавитации эмульсии активно диспергируется, что способствует более интенсивному протеканию физико-химических процессов [2].

ШШШМБОТКА

©

5

к я в

С В с а ш

с

с К

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 О

,-ГГТТШН 1 [ГТТТтьтт»—- -^Т, ,л1

0,1 0,5 1 5 10 50 100

Размер частиц, мкм

500 1000

Рис. 1. Функции распределения частиц эмульсии, приготовленной обычным механическим перемешиванием в рамном смесителе

А циркуляция способствует выравниванию состава жидкости по всему объему.

Являясь наиболее простым по технологии и используемому оборудованию, этот метод позволяет формировать частички СОТС, размеры которых находятся в диапазоне от десятых долей микрометра до сотен микрометров (рис. 1, 2) в зависимости от режимов обработки.

По данным различных исследователей [3], согласно теории «микрокапельного взрыва» радиус капилляра может иметь размеры до 50 мкм. Таким образом, если частицы СОТС будут иметь размеры меньше 50-80 мкм, можно рассматривать их проникновение на границе раздела «стружка—инструмент» по капиллярной сети как установленный факт. В настоящей работе принято, что СОТС могут проникать в зону контакта по такому механизму, если их диаметр не превышает 20-30 мкм.

Исследования дисперсности СОТС показали, что с уменьшением частиц эмульсии уменьшается износ режущего инструмента.

На рис. 3 представлены зависимости размера частиц эмульсии на износ режущего инструмента по задней кромки Нз. Исследование проводилось при точении стали 45 резцами Р6М5. Установлено, что применение мелкодисперсной системы позволяет снизить величину Нз до 16 %.

В гетерогенных системах (какими являются изучаемые эмульсии), в которых одна из

а)

^ :

©

к к

>В С

в

с а ф

в

¡т В Ч С

К

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

0,1

в) ©

к к

>В С

в

с а ф

в

с

В «

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

ТТГПТТр 1111 ГТТг,-^тт^

0,5 1

5 10

50 100

Размер частиц, мкм

гптттТТ ТТттттт,.............— К-

0,1 0,5 1 5 10 50 100

Размер частиц, мкм

500 1000

б)

^ 100 © 90

I 80

500 1000

с К

г)

70 60 50 40 30 20 10

01

0,1

зг юо

© 90 80 70 60 50 40 30 20

с

* 10

В

§ 0

гтт-гГТГГ.......к, | -гТ

0,5 1 5 10 50 100

Размер частиц, мкм

5001000

Ч1

шЛ

0,1 0,5 1 5 10 50 100

Размер частиц, мкм

5001000

Рис. 2. Влияние способа приготовления СОТС на размеры частиц: а — обработка в гидродинамическом смесителе с режимами N = 1000 об/мин, Т = 5 мин; б — N = 400 об/мин, Т = 30 мин; в — N = 635 об/мин, Т = 20 мин; г — N = 635 об/мин, Т = 30 мин. Оборудование: лазерный дифракционный анализатор размера частиц «Анализетте 22»

МЕШПООБРАБОТК|»

а)

s? 100 СУ 90

i 80 70

в)

СУ S

к

к ©

>s с в

с а ф

в

с

К «

60 50 40 30 20 10 0 0,1

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

О О

h3, мм 1,0

10

15 20 25

Время резания, мин

б)

^ 100 ? 90

I 80 & 70

1 60 I 50 и

§ 40 30

30

35

40

45

ТТТПТф 1111 m-n—

в

20 10

0,5 1

5 10

50 100

500 1000

о — 0,1

л

Размер частиц, мкм

0,5 1 5 10 50 100

Размер частиц, мкм

500 1000

г)

ггттттТТ ТТттттгтт,.............—^ffí К

©

100 90

3 80

>в с в

с

s 50

с К

70 60

0,5 1 5 10 50 100

Размер частиц, мкм

500 1000

40

S 30

¡ 20

к 10

ч

á 0

* 0

111 ..........

0,5 1

шА

5 10 50 100

Размер частиц, мкм

500 1000

Рис. 3. Влияние размера частиц СОТС на износ режущего инструмента по задней кромки Нз. Исследование: точение стали 45 резцами Р6М5. Режимы резания: скорость резания V = 270 м/мин, подача э = 0,1 мм/об; глубина резания t = 0,5 мм

фаз представляет собой сравнительно крупные частицы, поверхность раздела фаз невелика. В таких системах поверхностные явления практически не проявляются. По мере уменьшения размеров частиц вещества одной из фаз возрастает абсолютная величина поверхности раздела и поверхностные свойства приобретают все большее значение.

Мерой раздробленности или дисперсности системы принято считать дисперсность Б. Дис-

персность характеризуется величиной, обратной размеру а, т. е. Б = 1 / а.

По мере роста дисперсности увеличивается и удельная поверхность, приходящаяся на единицу объема [4].

Дисперсность Б линейно связана с удельной поверхностью £уд:

=#=d=kD

0

5

ШШШМБОТКА

где V — объем дисперсной фазы, мл; к — коэффициент формы частиц; < — диаметр ча-2

стицы, м .

Для расчета удельной поверхности £уд системы с шарообразными частицами достаточно знать средний радиус частицы, м-1,

*уд = = ^ = 3,

— пг3 3

где п — число частицы, м3; 8о — поверхность каждой частицы.

Все три характеристики связаны между собой: с уменьшением размера а увеличиваются дисперсность Б и удельная поверхность 8уд.

К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз и в межфазовом поверхностном слое. Поверхностные явления связаны с наличием избыточной энергии у поверхности раздела фаз.

Состояние молекул вещества, расположенных внутри фазы, отличается от состояния молекул, находящихся на границе раздела фаз. Молекулы поверхностного слоя испытывают неодинаковое влияние сил межмолекулярного взаимодействия со стороны каждой из контактирующих фаз, поскольку физические свойства этих фаз различны. На границе раздела жидкости с собственным паром или воздухом силы межмолекулярного взаимодействия оказываются существенно большими со стороны жидкости. В результате поверхностные молекулы испытывают притяжение со сторо-

ны жидкости, втягивающей их в объем жидкой фазы. В общем случае равнодействующая сил межмолекулярного взаимодействия поверхностных молекул перпендикулярна к поверхности раздела и направлена в сторону фазы с более сильным межмолекулярным взаимодействием. Благодаря этой силе, называемой внутренним давлением, поверхность стремится уменьшиться до минимально возможных размеров. Увеличение площади поверхности раздела фаз связано с выделением молекул из глубины фазы на поверхность, т. е. с совершением работы против сил внутреннего давления. При этом будет происходить изменение поверхностной энергии системы. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т. е. увеличить площадь поверхности жидкости), внешние силы должны совершить положительную работу ААвнеш, пропорциональную изменению А£ площади поверхности:

А^внеш = аА^.

Фактором интенсивности при определении поверхностной энергии является поверхностное натяжение, обусловленное нескомпенсирован-ным полем межмолекулярных сил на межфазной поверхности. Термодинамическое определение поверхностного натяжения вытекает из объединенного уравнения первого и второго начал термодинамики. Для гетерогенной системы полное изменение внутренней энергии будет записываться следующим образом:

140

120

100

§

§ 80

о и

и

К

60

40

20

18 000 16 000 £ 14 000 и

13

12 000 &

и

10 000 8 000 6 000 4 000 2 000

и а

и &

и о и

X &

0,4 0,6

Дисперсность, мкм-1

Рис. 4. Корреляция между поверхностной энергии системы и износом инструмента: 1 — зависимость износа инструмента от дисперсности; 2 — зависимость поверхностной энергии от дисперсности эмульсии

0

МЕШПООБРАБОТК|»

йП = ТйБ - рйУ + айв + X || йщ + (4) Выводы

где йи — изменение внутренней энергии; Т — температура; йБ — изменение энтропии; р — давление; йУ — изменение объема; а — поверхностное натяжение; йв — изменение площади поверхности; | — химический потенциал компонента е йщ — изменение количества вещества компонентов; Ь — электрический потенциал; йд — изменение заряда. При постоянных Б5, V, щ и д имеем

а =

<Ш ёв

в, V, щ, д

т. е. поверхностное натяжение — это частная производная от внутренней энергии по площади поверхности раздела фаз при постоянных гг-тропии, объеде, количестве веществс и заряде.

Допустим, чоз размер оастиц крупнодисперсной эмульсии составляет 100 мкм, а мел-кодисперснрт — 1 мкм (что приберно соответствует нашим экспериментальным даннчш). Следовательно, удельная поверхноссч мелкодисперсной системы возрастет в 100 раз: для крупных частиц .Чуд = (3 • 104 м-1, а для мелких ччстиц 8уд = 6 • 106 м-1. Поверхностное натяжение на границе «масло—вода» составляет 0,0336 Дж/м2. Тогда будет происходить изменение пове°хностной энергии, свяцанной с совершением работы против сил внутреннего давления (рис. 4).

Таким образом, основополагающим фактором, который влияет на эффективность лезвийного резания, является размер частиц смазочного материала. Повышение дисперсности частиц смазки увеличивает межфазную поверхность при резании, в результате ускоряются различные физико-химические явления, такие как капиллярное проникновение, испарение, термокаталитическое разложение компонентов, образование хемосорбированного слоя, физическая адсорбция с формированием граничного смазочного слоя, образование многослойных структурно-упорядоченных пленок.

Литература

1. Киселева Е. В. Разработка эффективной технологии приготовления смазотно-охлаждающео жидкости для обрцботои мецтллов // Вестн. ИГЭУ. Г010. Вып. 2. С. 60-63.

2. Киселева Е. В., Марков В. В. Исследование влияния способа приготовления смазочно-охлаждающих технологических средств на процессы резания металлов / / Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2012. Т. 55, вып. 3. С.100-104.

3. Проникающая бпособность СОТС как фактор эффективности процесса обработки резанием / В. А. Годлевский, В. И. Латышев, А. В. Волков, Л. 13. Маурин /б Трение е износ, 1995. Т. 16, № 5. С. 938-949.

4. Киселева Е. В., Марков В. В., Годлевский В. А. Капиллярный механизм смазочного действия водомас-ляных микроэмульсий в условиях лезвийного резания // Вестн. ИГЭУ. 2011. Вып. 5. 33-35 с.

Уважаемые коллеги!

О.кудцс еррцрзччсз усдскоябччсз ердеоокс чс чсяочб-еубозобдрцосччдй жнучаб «МЕТАЛЛООБРАБОТКА». Жаучаб ноусждсч о оздссцоз ОАО «Издсцсбьоцор «Пббоцссчокс» о 2001 г.

Тематика: ббусбрцкс есцсуосббо усзсчосг, дсобсчосг, Эбскцубфозоосокос о Эбскцурсогоосокос гс.бдд ббусбрцко; чродс цссчбббгоо о гсцсуосбд.

Тоусж 2500 экз., ббъсг 56 о., есуордоочбрць — 6 чргсуро о грд, оцрогбрць бдчргб чргсус — 700 унб. Пррцрзччдг ердеооооксг 10 % окодкс. С 2003 г. жнузяб окбиосч о Псусосчь ВАК.

Приглашаем к сотрудничеству авторов: научные статьи, одобренные редколлегией, редактируются и печатаются бесплатно.

Для рекламодателей по запросу высылаем расценки.

Подписные индексы: ер ксцсббгн «Рбоесос.ь» — № 14250, ер Объсдочсччргн ксцсббгн «Пусоос Рроооо» (осусз сгсчцрцор «Кчогс-осуооо») — № 11828