Способ смазывания и охлаждения режущих лезвий инструмента и/или заготовок в процессе обработки металла резанием
TOOL CUTTING BLADES AND/OR WORKPIECES LUBRICATION AND COOLING METHOD IN THE METAL CUTTING PROCESS

Изобретение относится к способам смазывания и охлаждения режущих лезвий инструмента, и/или заготовок в процессе обработки металлов резанием и может быть использовано в машиностроении.
Процесс обработки металлов резанием остается единственным из всех известных способов формообразования (литье, штамповка, сварка и т.д.) методом изготовления деталей машин и механизмов, позволяющим получать детали любой сложной формы, при существенно низких затратах.
Процесс резания сопровождается деформациями срезаемого слоя материала, трением сходящей стружки и заготовки по режущему лезвию инструмента. В результате процесс резания сопровождается высокими температурами (может достигать более 1000°C). Высокая температура в свою очередь способствует снижению прочности материала режущих лезвий инструмента, и увеличению интенсивности его изнашивания. В причинно-следственной связи с описанным явлением также находятся производительность обработки и точность и качество обработанной поверхности.
Для уменьшения трения, между режущим лезвием и обрабатываемой заготовкой и/или стружкой, а также снижения температуры режущего лезвия инструмента, детали и стружки используются жидкости для уменьшения трения и охлаждения - смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ). Их использование способствует увеличению производительности труда при обработке резанием, уменьшению изнашивания режущего инструмента, повышению качества обрабатываемой поверхности.
Современные СОЖ - сложные многокомпонентные смеси различных по своей химической природе веществ. В состав могут входить вода, масло, эмульгаторы, стабилизаторы, ингибиторы коррозии и т.д.
Известно большое количество способов смазывания и охлаждения режущих лезвий инструмента.
Наиболее близким аналогом является «Спосiб змащування та охолодження рiзальних лез iнструменту та/або заготовок у процесi обробки металу резаням» [1] (копия прилагается).
Согласно данного способа, используют два несмешивающихся жидких средства - жидкое средство для снижения трения между режущим инструментом и заготовкой или стружкой и жидкое средство для охлаждения режущего инструмента, заготовки, державки режущего инструмента и стружки. Оба средства хранят и готовят отдельно одно от другого в отдельных емкостях и подают на обрабатываемую заготовку или режущее лезвие инструмента по отдельным линиям подачи.
При этом, жидкое средство для охлаждения набрызгивают в соответствии с необходимым охлаждением заготовки и/или режущего инструмента, причем набрызгивание средства для охлаждения производят в таком расчетном количестве, что в процессе обработки происходит его испарение. Жидкое средство для охлаждения содержит поверхностно-активные вещества металлического мыла, высших спиртов или их производных. [2 (п. 7)]
Средство для снижения трения наносят в количестве, соразмерном расходу в процессе работы, таким образом, что не остается избыточное средство исключается необходимость его сбора, рециркуляции и повторной подготовки. В качестве средства для снижения трения используют преимущественно жидкость без минерального масла, которая содержит сложные эфиры жирных кислот и присадки с содержанием твердых веществ в виде графита или сульфида молибдена [1 (п. 6)]
Недостатком прототипа является то, что жидкие средства для охлаждения и снижения трения содержат компоненты (поверхностно-активные вещества металлического мыла, высших спиртов или их производных, сложные эфиры жирных кислот и присадки с содержанием твердых веществ в виде графита или сульфида молибдена) которые могут оказывать вредное влияние на здоровье рабочих. Также эти компоненты могут являться источником загрязнения окружающей среды - воздуха, почвы, воды.
Целью изобретения является уменьшение вредного влияния СОЖ на здоровье рабочего за счет применения в качестве жидкостей для охлаждения и/или снижения трения водной вытяжки одного или смеси нескольких видов лекарственных растений.
Указанная цель достигается за счет того, что для снижения вредного влияния СОЖ на здоровье рабочего в качестве жидкостей для охлаждения и/или снижения трения используют водную вытяжку одного или смеси нескольких видов лекарственных растений.
Согласно прототипа, жидкости для охлаждения и снижения трения наносят на режущие лезвия и/или заготовку методом набрызгивания в виде гомогенного аэрозоля. В этом случае жидкость попадает на режущие лезвия и/или заготовку в виде капель.
Аэрозоль - дисперсная система, состоящая из взвешенных в газовой среде (дисперсионной среде), обычно в воздухе, мелких частиц (дисперсной фазы).
Рассмотрим взаимодействие капли с нагретой поверхностью режущих лезвий инструмента и/или заготовки
Согласно современным представлениям [2, 3, 4], процесс взаимодействия капли жидкости с поверхностью, имеющей высокую температуру, может протекать по-разному, в зависимости от значения безразмерного критерия Вебера:
2
где ρ - плотность жидкости, кг/м3; σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости Н/м; d - диаметр капли, м; v - скорость падения капли, м/с.
Критерий We показывает влияние физико-химических свойств жидкости и технологических параметров, на характер протекания процесса взаимодействия.
Исследователями [2, 3, 4] установлено, что в зависимости от значения We, процесс взаимодействия может иметь четыре различных механизма. Граничными значениями числа We, при которых изменяется характер процесса взаимодействия являются:
Рассматривая условия, при которых СОЖ подается на режущее лезвие в процессе резания (давление, расстояние от сопла до охлаждаемого объекта, свойства жидкости и др.), можно сделать вывод, что в процессе резания реализуются режимы 10<We<30 и 30<We<80
На фиг. 1 представлен процесс взаимодействия при We=15, соответствующий 10<We<30.
В момент соприкосновения капля деформируется и растекается. Назовем этот период, условно, период «растекания». В этот момент, на поверхности изменяется форма жидкости - из сферической в дискообразную. Данный период длится 2-3 мс. В виду того, что поверхность имеет высокую температуру, пристенный слой жидкости испаряется и растекание происходит по паровому слою. Результаты исследований показывают [5], что испаряется не более 5% массы жидкости.
При достижении каплей максимальной деформации, пленка имеет углубление в центре и некоторое скопление жидкости на периферии.
После достижения максимального размера, капля начинает возвращаться к своему первоначальному состоянию. Назовем этот период, условно, период «возвращения» - жидкость от краев перетекает к центру. В результате капля сначала приобретает форму шара, а потом и вытягивается. Высота вытянутой капли на 5-10% больше первоначального диаметра капли. Далее капля отскакивает от поверхности. Жидкость находится на поверхности около 10,0 мс.
На фиг. 2 представлен процесс взаимодействия при We=70, соответствующий 30<We<80.
Отличительной особенностью данного процесса от предыдущего, является то, что он является еще более быстрым, например, образование дискообразной формы происходит за 2,1 мс. Также, как видно из последнего кадра, при отскакивании капли жидкости от поверхности, происходит распадение капли - вместо одной целой образуется несколько мелких капель. Жидкость находится на поверхности не более 8,0 мс.
Исходя из рассмотренного процесса, можно сделать вывод, что около 95% массы жидкости предназначенной для охлаждения и/или снижения трения будет находится в воздухе рабочей зоны во взвешенном состоянии, т.е в виде тумана.
Следовательно, при таком способе загрязняется окружающая среда (атмосфера, почва, вода). Также существует большая вероятность попадания компонентов СОЖ (поверхностно-активные вещества металлического мыла, высших спиртов или их производных, сложные эфиры жирных кислот и присадки с содержанием твердых веществ в виде графита или сульфида молибдена) в дыхательные пути рабочего, что может негативно сказаться на здоровье людей.
3
3
Например, сложные эфиры жирных кислот владеют слабыми раздражающими свойствами. Вследствие высокого коэффициента распределения паров накопления в организме до значительных концентраций проходит медленно и проявляется слабым наркотическим эффектом. ПДК аэрозоля масла в воздухе рабочей зоны - 5 мг/м, а ПДК нерастворимых соединений молибдена - 6 мг/м (ГОСТ 12.1.005-88).
Для уменьшения вредного влияния на окружающую среду и здоровье людей необходимо использовать безвредные для людей и окружающей среды компоненты для жидкостей для охлаждения и/или уменьшения трения. Одними из таких компонентов являются компоненты, полученные из растительного сырья.
Растительные масла (подсолнечное, рапсовое, хлопковое и др.) нашли широкое применение в качестве жидкостей для охлаждения и снижения трения. Недостатками растительных масел является их высокая стоимость и низкие охлаждающие свойства.
Водные вытяжки лекарственных растений могут быть использованы в качестве жидкостей для охлаждения и/или смазывания режущих лезвий.
Вытяжка (лат. extractum) (экстракция) - метод извлечения вещества из раствора или сухой смеси с помощью подходящего растворителя (экстрагента). В нашем случае - концентрированное извлечение биологически-активных компонентов из лекарственного растительного сырья с помощью воды. К водным вытяжкам относятся чаи, отвары, настои, напары.
Водные вытяжки лекарственных растений широко используются для лечения органов дыхания в виде аэрозолей. То есть их применение не только не будет оказывать вредного влияния на здоровье, но даже будет нести положительный эффект.
В состав растений входит большое количество биологически активных веществ (эфирные и жирные масла, органические кислоты, спирты, сапонины и т.д.) [6]. Данные химические соединения имеют полярную группу и могут выступать в качестве поверхностно-активных веществ, что позволяет предположить о возможности реализации смазочного действия и, следовательно, влиянии на процесс резания.
С целью определения возможности реализации предлагаемого способа, автором был проведен следующий эксперимент.
Было выбрано три вида лекарственных растений - алтей ромашка и эвкалипт. Выбор вышеуказанных растений в качестве компонентов для смазочно-охлаждающих жидкостей сделан на основе анализа их использования в медицине для лечения органов дыхания, отсутствия противопоказаний по применению, химического состава, а также результатов экспериментальных исследований по влиянию на износ режущего инструмента.
Алтей лекарственный (Althaea officinalis L.) - широко используется как противовоспалительные, обволакивающие, отхаркивающие средства при заболеваниях органов дыхания (при хронических бронхитах, трахеитах, ларингитах; коклюше, острых респираторных заболеваниях, бронхопневмонии и бронхиальной астме) и желудочно-кишечного тракта.
Эвкалипт шаровидный (Eucalyptus globulus L.) - применяется при лечении ангины, острых респираторных заболеваний, трахеитов, ларингитов, фурункулеза флегмонов, эрозивно-язвенных поражений слизистых оболочек, абсцессов, катары верхних дыхательных путей, флегмонов, гнойных маститов, вялотекущих инфицированных хронических язв, гнойничковых заболеваний, ожогов, отморожении, гингивитов, стоматитов, эрозии шейки матки, язвы шейки матки, миозиты, радикулиты, плекситы.
Эвкалипт подавляет рост золотистого стафилококка, эшерихий, туберкулезных микробактерий, дизентерийной амебы и трихомонад.
Ромашка - одно из самых употребляемых растений в народной медицине европейских стран. В качестве сырья используют корзинки ромашки.
Ромашка используется внутрь и как наружное средство. В качестве наружного средства ромашка - благодаря своим противовоспалительным свойствам - используется при лечении плохо заживающих ран. Ванны с добавками ромашки или влажные компрессы на раны - столь же испытанные средства, сколь и полоскания при воспалении слизистой оболочки рта и горла. Для борьбы с хроническим насморком, острыми и хроническими воспалениями слизистой оболочки носа и носоглотки, при воспалении придаточных полостей носа также очень хороши ромашковые паровые ванны [7].
По данным [7] государственная служба здравоохранения Германии (рекомендует применение ромашки только при "желудочно-кишечных заболеваниях, раздражении слизистой оболочки рта и глотки, а также верхних дыхательных путей". Тем не менее, в монографии своей комиссии Е она признает диапазон применения этого растения значительно шире: "Как наружное: воспаления кожи и слизистой оболочки, включая воспаления полости рта и десен. Воспалительные заболевания и состояния раздражения дыхательных путей (ингаляции), болезни анальной и генитальной областей (ванны и подмывания). Как внутреннее: спазмы и воспалительные заболевания желудочно-кишечного тракта".
Таким образом, принятые растения не имеют противопоказаний к применению и широко применяются в медицине для лечения органов дыхания.
Приготовление жидкости для смазывания и охлаждения режущих лезвий из растений осуществлялось следующим путем. Расчетное количество компонента заливалось потребным количеством горячей кипяченной воды и настаивалось в течении 6-8 ч. Полученный раствор профильтровывался и отжимался. Объем жидкости доводился до заданного путем добавления кипяченной воды.
Были проведены исследования коррозионной агрессивности водных растворов ромашки, алтея и эвкалипта. Исследования проводились согласно методики ГОСТ 6243-75. В соответствии с данной методикой были подготовлены пластины из серого чугуна СЧ 12-25 по ГОСТ 1412-70 диаметром 50 мм и толщиной 8 мм. Поверхность пластин была обработана до шероховатости Ra 0,8-1,25 мкм по ГОСТ 2789-73 и зачищена шлифовальной шкуркой на бумажной основе по ГОСТ 10054-75 зернистостью шлифовального порошка 4 и протерта несколько раз спиртом этиловым ректификованным техническим по ГОСТ 18300-72. После того как спирт полностью испарился пластинка была положена на стол в горизонтальном положении.
СОЖ приготавливали в небольшом количестве согласно рецептуре в лабораторном стакане вместимостью 100 мл. Пипетку по ГОСТ 20292-74 вместимостью 2 мл промыли два раза в испытуемой жидкости, после чего снова наполнили ее и нанесли на пластинке пять капель на таком расстоянии друг от друга, чтобы они не сливались одна с другой.
Пластинку выдерживали в течении 4 ч при температуре 20±5°C в помещении с нормальной влажностью и отсутствием паров кислот и агрессивных газов.
По истечении 4 ч, независимо от того высохли капли или нет, пластинку вытирали ватой смоченной спиртом, и проверяли изменение поверхности на местах нахождения капель.
Пластинку осматривали при дневном свете, располагая пластинку между источником света и наблюдателем, ниже световой оси.
Согласно требованиям ГОСТ 6243-75 СОЖ считается коррозионно-агрессивной, если две или более капель ее вызвали потемнение металла (сплошное или в виде отдельных точек). Если потемнение вызвано лишь одной из пяти капель, испытания повторяют. Если при повторном испытании вновь обнаруживаются потемнение пластинки хотя бы под одной каплей, СОЖ считают коррозионно-агрессивной.
Результаты исследований показали, что после вытирания капель растворов ватой смоченной спиртом, изменение поверхности на местах нахождения капель не наблюдалось (фиг. 3).
Основным показателем технологических свойств СОЖ является ее способность уменьшать износ режущего инструмента. Сопоставление интенсивностей изнашивания режущего инструмента при использовании различных составов позволяет сделать сравнительную оценку эффективности их применения, подобрать рациональные концентрации компонентов.
С этой целью проводились экспериментальные исследования по точению стали 40X13 при следующих режимах резания: скорость резания V=2.2 м/c, подача S=0,3 мм/об, глубина резания t=0,5 мм. В качестве режущего инструмента применялись резцы, оснащенные пластинами из твердого сплава ВК8. Результаты исследований приведены на фиг. 4. В качестве контрольных опытов были проведены исследования по точению всухую и с применением традиционной СОЖ. Все СОЖ подавались в зону резания распылением, с расходом СОЖ 150-200 гр/час.
Экспериментальные исследования проводились на базе симплекс-решеточного плана эксперимента. Проверка результатов экспериментов показала, что кубическая модель адекватно описывает результаты экспериментальных исследований.
Как видно из представленных результатов (фиг. 4) экспериментальных исследований, жидкость для охлаждения и снижения трения режущих лезвий содержащая водные вытяжки одного или нескольких лекарственных растений обладает способностью влиять на износ режущего лезвия. Степень этого влияния зависит от вида применяемого лекарственного растения и его концентрации. За счет использования различных видов лекарственных растений можно влиять на износ режущего лезвия в широком пределе.
При этом отсутствуют вредные и опасные веществ, которые могут нанести вред здоровью рабочего или окружающей среде.
Кроме того, при использовании данного состава в рабочей зоне создается определенный микроклимат, который благоприятно воздействует на органы дыхания, поскольку компоненты входящие в состав широко используются для лечения методами ингаляций.
Литература
1. Промислова власнiсть. Офiцiйний бюллетень №5, 2000 (прототип. копия прилагается).
2. Fukai J., Zhao Z., Poulikanos D., Megaridis C.M. Modeling of the deformation of a liquid droplet impingining upon a flat surface. Physics of fluids A 5, 2588 (1993).
3. Wachters L.H.J., Westerling N.A.J. The heat transfer from a hot wall to impingining water drops in the spheroidal state. Chem. Eng. Sci. 21, 1047 (1966).
4. Yang Ge, L.S. Fan Three-dimensional simulation of impingement of liquid droplet on a flat surface in the Leidenfrost regime. Physics of fluids, 17, (2005).
5. Karl A., Frohn A. Experimental investigation of interaction processes between droplets and hot walls. Physics of fluids 12,4, (2000).
6. Химический анализ лекарственных растений. Под ред. Н.И. Гринкевич. - М.: Высш. школа, 1983. - 176 с.
7. Электронный ресурс www.medicina.kharkov.ua