В настоящее время существует довольно обширная литература по смазочно-охлаждающим жидкостям (СОЖ). Значительная часть из опубликованных работ содержит результаты и рекомендации чисто практического характера и ограниченного применения. Так, в [1] для хонингования наилучшим заменителем керосина считаются растворы мыла с добавкой электролита, а также эмульсии на водной основе. По мнению авторов [2], для этой цели пригодны низковязкие масла, обладающие высокой маслянистостью.

Некоторые работы посвящены изучению влияния конкретных составов СОЖ. на различные параметры процессов обработки. В [3] рассматриваются результаты экспериментов по исследованию влияния химического состава СОЖ на параметры хонингова¬ния стали марки 40Х. Отмечается, что при переходе от одного состава к другому изменяются производительность процесса, расход алмазов и работа трения. Однако авторы [3], как и других работ подобного рода, не указывают, какие характеристики СОЖ ответственны за то или иное изменение параметров процесса обработки.

В ряде работ делаются попытки связать изменение одного или нескольких параметров процесса обработки с характеристиками СОЖ или с характеристиками физико-химического взаимодействия СОЖ с поверхностью твердого тела. При этом результаты ряда работ зачастую весьма противоречивы, либо область применения СОЖ ограничена рамками конкретных технологических условий обработки, видом обрабатываемого материала и инструмента.

В [4] предлагается все молекулярные свойства СОЖ, влияющие на ее эффективность, оценивать скоростью растекания нормированной капли жидкости по горизонтальной плоскости. Авторы [5] показывают, что скорость растекания жидкости хорошо согласуется с производительностью процесса при хонинговании хрупких материалов (чугуна). При обработке пластичных материалов (сталей) такого соответствия не обнаруживалось. Весьма характерный пример можно привести из смежной области — обработки материалов давлением. Сам процесс давно и широко внедрен в промышленности. Однако единые теоретические представления о роли характеристик СОД отсутствуют до настоящей: времени. По мнению авторов [6], определяющую роль играют так называемые граничные слои, образованные адсорбированными поверхностно-активными веществами (ПАВ). В [7] высказывается прямо противоположная точка зрения. Автор считает основной характеристикой, влияющей на эффективность процесса, вязкость СОЖ (что характерно не для граничного, а для гидродинамического режима трения).

Из приведенных выше примеров можно сделать следующие выводы:

— во-первых, по литературным данным практически невозможно подобрать состав СОЖ для процесса обработки, отличающегося специфическими особенностями;

— во-вторых, в литературе отсутствуют носящие общий характер закономерности или даже модели, связывающие параметры процесса обработки с характеристиками СОЖ.

Как отмечается в [4], в большинстве случаев СОЖ подбирают эмпирически, оптимальный их состав устанавливают в результате длительных и дорогих испытаний. Причина этого, по мнению авторов, — упрощенный подход к анализу факторов, влияющих на технологическую эффективность СОЖ при резании. С нашей точки зрения отсутствие в литературе физико-химических или регрессионных моделей, связывающих параметры процессов обработки с характеристиками СОЖ, обусловлено главным образом тем, что указанные характеристики не отвечают двум основным требованиям, предъявляемым к факторам при постановке эксперимента,— управляемости и независимости. В связи с этим при разработке СОЖ эффективность ее оценивают различными показателями. При этом собственно характеристики СОЖ представляют собой набор количественных оценок ее свойств, который позволяет фиксировать полученные значения параметров процесса, осуществлять контроль качества СОЖ, а также в какой-то степени определять ее эксплуатационные свойства.

С учетом всего изложенного выше эффективность разработанной СОЖ на основе вазелинового масла, синтетических жирных кислот и олеиновой кислоты для финишной обработки синтетического корунда (взамен подсолнечного масла) оценивалась следующими показателями:

— значениями параметров процесса при использовании СОЖ в сравнении со значениями параметров при использовании подсолнечного масла;

— критериями основных технологических функций СОЖ;

— эксплуатационными характеристиками.

При оценке эффективности СОЖ по параметрам процесса обработки авторы рассматривали следующие величины: производительность, шероховатость обработанной поверхности, износ абразивно-алмазного инструмента и потеря его режущей способности (засаливание).

В табл. 1 приведены результаты определения производительности процесса и шероховатости обработанной поверхности для разработанной СОЖ и подсолнечного масла на стенде. Методика определения указанных величин дана в [8].

По данным в табл. 1 видно, что по указанным параметрам разработанная СОЖ эффективнее подсолнечного масла.

На рис. 1 представлена зависимость величины износа абразивно-алмазного инструмента от массы сошлифованного материала для случаев использования СОЖ и подсолнечного масла. Величину износа измеряли индикатором часового типа с ценой деления 1 мкм. Как показывают графики (см. рис. 1), величины износа абразивно-алмазного инструмента для обоих случаев близки. В процессе измерения величины износа оценивалась потеря режущей способности инструмента для обоих случаев. «Засаливание» определялось по времени зачистки огранщиком абразивно-алмазного инструмента. Для СОЖ это время составило 7 мин за смену, для подсолнечного масла — 9 мин.

При оценке эффективности СОЖ с точки зрения основных технологических функций смазочно-охлаждающих сред авторы определяли смазочную способность по величине коэффициента трения на четырехшариковом трибометре. Для большего приближения к реальному процессу величину коэффициента трения μ определяли для пары трения сапфировая шайба — полусфера из меди с нанесенным на ее поверхность алмазоносным слоем.

График изменения μ во времени для различных сред, в том числе для подсолнечного масла и СОЖ, приведен на рис. 2. На графике видно, что эффективность СОЖ и подсолнечного масла по смазочной способности почти одинакова.

При разработке СОЖ для финишной обработки синтетического корунда учитывались следующие требования, предъявляемые к ее эксплуатационным характеристикам: отсутствие токсичности, гигиеничность, отсутствие резкого неприятного запаха, термическая стабильность, отсутствие засыхающей пленки, антикоррозионность.

Первые три характеристики имеют важное значение для ограночного производства, так как в процессе обработки руки огранщика непосредственно соприкасаются с СОЖ. В связи с этим Ленинградский санитарно-гигиенический медицинский институт провел предварительное токсикологическое исследование, а Ленинградский научно-исследовательский институт гигиены труда и профзаболеваний дал заключительную токсиколого-гигиеническую оценку СОЖ. В результате СОЖ рекомендована к применению на нее составлен токсиколого-гигиенический паспорт.

Термическую стабильность СОЖ оценивали с помощью дифференциального термографического анализа. На рис. 3 приведена зависимость потери веса для различных составов от температуры Как видно на графике, СОЖ обладает большей термической стабильностью по сравнению с подсолнечным маслом.

Один из существенных недостатков подсолнечного масла как смазочно-охлаждающей среды — образование быстрозасыхающей и трудноудаляемой пленки, наличие которой препятствует нормальной эксплуатации подвижных частей оборудования, приспособлений и оснастки. Подсолнечное масло относится к полувысыхающим маслам; его йодное число, определяющее количестве непредельных кислот, равно ≈ 127-136 г йода/100 г [6]. Данная характеристика определяет склонность масел к образованию трудноудаляемой пленки.

Йодное число разработанной СОЖ, определенное по ГОСТ 2070—55, оказалось в пределах 20-25 г йода/100 г. Это значения свидетельствует об отсутствии засыхающей пленки, что подтвердилось результатами испытаний при внедрении СОЖ.

Способность СОЖ вызывать коррозию можно оценивать киcлотным числом, характеризующим наличием в СОЖ органических кислот. Кислотное число СОЖ определяли по ГОСТ 11362—75. Величина его оказалась в пределах 157-164 мг КОН/г. По сравнению с кислотным числом ряда масляных СОЖ с присадками эта величина значительная. Однако, как отмечается в [2], высокое значение кислотного числа не во всех случаях является основанием дли браковки СОЖ по коррозионной характеристике. В связи с этим было проведено прямое коррозионное испытание по ГОСТ 2917—76. Результаты испытаний СОЖ показали, что СОЖ выдержала проверку на коррозионную стойкость.

Результаты измерений физико-химических свойств разработанной СОЖ приведены в табл. 2.

Таким образом, разработанная СОЖ для финишной обработки синтетического корунда по своим характеристикам является более эффективной по сравнению с используемым в настоящее время подсолнечным маслом.

Полученные значения физико-химических свойств СОЖ, использованные при разработке технических условий, позволяют осуществить контроль качества СОЖ.

Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) — один из важных элементов технологических средств, обеспечивающих эффективную эксплуатацию обрабатываемого оборудования, а также освоение новых прогрессивных методов обработки различных материалов.

СОЖ, непосредственно влияя на производительность процесса обработки материалов и качество поверхности изготовляемых деталей, в общем случае оказывают смазочное, охлаждающее и моющее действия. Смазочное действие СОЖ сводится к снижению трения зерен и работы связки абразивно-алмазного инструмента, отходов обработки с обрабатываемой заготовкой. Охлаждающее действие СОЖ заключается в отводе тепла от нагретых участков зоны обработки — заготовки и обрабатывающего инструмента. Моющее действие СОЖ заключается в удалении частиц обрабатываемого материала, продуктов износа инструмента и других отходов обработки с рабочей поверхности инструмента, из зоны обработки и с поверхности обрабатываемой заготовки. Во всех случаях СОЖ должны удовлетворять комплексу эксплуатационных требований, важнейшими из которых являются: нетоксичность, антикоррозионность, стабильность, бактерицидность и гигиеничность [1].

В настоящее время на предприятиях подотрасли для финишной обработки синтетических полудрагоценных материалов (корунда, граната, фианита) в качестве охлаждающей жидкости используют подсолнечное масло, потребление которого по подотрасли составляет 10 т в год. Подсолнечное масло является ценным пищевым продуктом повышенного спроса; кроме того, с точки зрения эксплуатационных характеристик существенный недостаток подсолнечного масла как СОЖ — образование быстро засыхающей и трудно удаляемой пленки на оборудовании, оснастке и инструменте, против чего необходимо принимать специальные меры защиты при использовании и проектировании ограночного оборудования. В связи с этим замена масла на синтетическое смазочно-охлаждающее технологическое средство (СОТС), обеспечивающее улучшение одного или нескольких параметров процесса финишной обработки (например, производительности, качества поверхности), является актуальной задачей.

ВИИИювелирпром совместно с кафедрой нефтехимических производств ЛТИ им. Ленсовета провели предварительные экспериментальные работы по определению возможности замены подсолнечного масла эффективным синтетическим СОТС с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ). Испытано 16 однокомпонентных систем в сравнении с подсолнечным маслом. Испытания проводились на специальном стенде с гравитационной системой подачи на базе токарного станка СТ-125В, а также на станке индивидуальной огранки типа 0126А.

Методика проведения и обработки результатов экспериментов на стенде

Для оценки процесса фннишной обработки синтетического корунда можно использовать следующие параметры:

• производительность процесса;

• шероховатость обработанной поверхности;

• износ абразивно-алмазного инструмента;

• величина остаточных напряжений;

• плотность дислокации в поверхностном слое;

• сила трения.

С практической точки зрения наиболее важными являются такие параметры, как производительность процесса и шероховатость обработанной поверхности. В связи с этим в качестве критериев сравнительной оценки различных однокомпонентных систем и подсолнечного масла выбрали два основных параметра процесса финишной обработки: производительность процесса (величина съема) L (в мкм) и шероховатость обработанной поверхности R_z (в мкм) по ГОСТ 2789—73.

Испытания проводились на образцах из синтетического корунда в форме прямоугольного параллелепипеда с размерами 12×10×6 мм (рабочая сторона 12×6 мм). Использовался абразивно-алмазный инструмент типа АПВ на связке М1. Зачистка абразивно-алмазного инструмента осуществлялась электро-эррозионным способом. Основные технологические факторы и условия проведения экспериментов следующие:

При испытании каждой однокомпонентной системы проводилось 10 параллельных опытов, по результатам которых вычислялись средние значения и доверительные интервалы величин производительности процесса L и шероховатости обработанной поверхности R_z, а также дисперсии и среднеквадратичные отклонения указанных величин. Сравнение выборочных дисперсий проводилось по критерию Фишера F, сравнение выборочных средних — по критерию Стьюдента t. Результаты экспериментов обрабатывались на ЭВМ. Величину съема измеряли линейным способом — индикатором часового типа с ценой деления 1 мкм, шероховатость поверхности — на микроинтерферометре.

Результаты экспериментов по производительности процесса приведены в табл. 1, а по шероховатости — в табл. 2. производительности процесса L_c/L_м и шероховатости поверхности.

На рис. 1, а, б отложены в относительных единицах величины R_zC/R_zM доверительные интервалы для этих величин. Индексы «с» и «м» относятся к системе и маслу соответственно.

В связи с недостаточно высокой воспроизводимостью результатов экспериментов по определению производительности процесса, что связано с неоднородной структурой абразивно-алмазного слоя инструмента по его высоте, обычно используют несколько абразивно-алмазных инструментов и методы рандомизации опытов. Однако в этом случае возрастает количество экспериментов. Поэтому для сравнительной оценки производительности процесса с использованием различных систем и подсолнечного масла перед каждым экспериментом с двумя-тремя системами осуществлялось дублирование опытов с использованием масла; результаты сравнительной оценки на рис. 1, а, б приведены в относительных единицах.

Анализ результатов экспериментов, теоретические представления о процессе

Процесс финишной обработки синтетических полудрагоценных материалов относится к широко распространенному классу явлений под общим названием «внешнее трение твердых тел». Трение — это результат различных видов взаимодействия, проявляющихся в механических, физико-химических, электрических и других процессах. Несмотря на значительное количество фундаментальных работ, в настоящее время не существует единой общепризнанной теории трения. Имеется несколько концепций в описании внешнего трения, связанных с именами таких извест¬ных отечественных и зарубежных исследователей, как Ахматов А. С., Дерягин Б. В., Ребнндер П. А., Фукс Г. И, Крагельский И. В. , Боуден Ф. П., Тейбор Д. и др. При этом все концепции характеризуются попытками построить общую теорию на одном из возможных процессов или механизмов, отчетливо проявляющихся в некоторых условиях трения.

Процесс внешнего трения относится к так называемым плохо организованным системам, основной признак которых — это невозможность четко разграничить явления различной физической или химической природы. В связи с этим для предсказания поведения системы и выдвижения новых гипотез приходится пользоваться различными моделями (т. е. указанными выше концепциями), а для количественного описания параметров, характеризующих систему, строить практическую модель (например, полиномиальную), имеющую ограниченную применимость [2].

В работе [3] показано, что для теоретической оценки таких параметров процесса финишной обработки синтетического корунда, как производительность и шероховатость обработанной поверхности, можно использовать представления, развиваемые в трудах Крагельского И. В., где процесс внешнего трения рассматривается с молекулярно-механических позиций (случай усталостного разрушения). Достоинство данного подхода заключается в том, что автор приводит аналитические выражения для относительного износа (в данном случае — производительности процесса) и шероховатости в зависимости от физико-механических характеристик материала и внешних условий. Однако указанные выражения не содержат параметров, связанных с СОТС.

В связи с этим для анализа полученных экспериментальных данных воспользуемся моделью Крагельского, а также представлениями физико-химической механики, развитыми в работах П. А. Ребиндера и его учеников. Эффект Ребиндера характеризуется рядом аспектов влияния адсорбционно-активной среды на процесс деформирования и разрушения твердых тел. Молекулы внешней среды, адсорбируясь на поверхности твердого тела, вызывают понижение поверхностной энергии, что способствует перемещению дислокаций в поверхностном слое, т. е. способствует пластифицированию. Действие среды проявляется и другим образом. Молекулы, диффузионно мигрируя по свежеобнаженным поверхностям микротрещины, предотвращают ее «самозалечивание», что ускоряет процесс разрушения. Наконец, вследствие скопления мигрирующих молекул в устье микротрещины возникают расклинивающие силы, что также облегчает поверхностное диспергирование твердого тела.

Таким образом, действие адсорбционно-активной среды в зависимости от вида и скорости деформационного нагружения, диспергируемого материала, внешних условий и ряда других факторов может заключаться в снижении величины разрушающего напряжения (предела прочности σ_в и предела текучести σ_s) в снижении твердости и микротвердости диспергируемого материала. Для описанного случая существенно изменение под влиянием поверхностно-активной среды усталостных характеристик материала, а именно: предела усталостной прочности σ_уст (максимального напряжения, при котором испытуемый материал не обнаруживает признаков усталости) и числа циклов приложения нагрузки до разрушения.

Сравнение усталостной прочности при одинаковых режимах нагружения стальных образцов в инактивной и поверхностно-активной средах показало значительное (до 30-50%) снижение выносливости в случае контакта с поверхностно-активной средой [4].

При испытании на кручение образцы стали марки 40Х выдерживают на воздухе или в среде неполярных углеводородов 1,6 млн. циклов, а в присутствии ПАВ — олеиновой кислоты — 700 тыс. циклов [5].

В работе [3] сделаны выводы о том, что при финишной обработке синтетического корунда наиболее вероятным механизмом разрушения материала является малоцикловое усталостное разрушение. Аналитические выражения для относительного износа (производительности) I_h и шероховатости поверхности R_z в этом случае имеют вид

где H — высота изношенного слоя;

l — путь трения;

h — глубина внедрения;

r — радиус неровности;

q_a, q_r — номинальное и реальное давление соответственно;

Р — нормальная нагрузка;

h_max — максимальная высота неровности;

ε_кин — относительное сближение при скольжении;

b и γ — параметры опорной кривой;

А_с — контурная площадь;

НВ — твердость материала.

Как следует из выражений (1) и (2), производительность процесса определяется числом циклов до отделения материала и величиной относительного внедрения h/r или шероховатостью поверхности R_z, которая в свою очередь зависит от твердости материала НВ.

Анализируя результаты экспериментов, приведенные в табл. 1 и 2, а также на рис. 1, а, б, можно сделать вывод о непосредственном влиянии адсорбционно-активной среды на величины производительности процесса и шероховатости поверхности. При этом не соблюдается следующая из аналитического выражения (1) и подтвержденная экспериментальными данными [3] зависимость между I_h и R_z с ростом R_z увеличивается I_h, — справедливая для данного СОТС (например, подсолнечного масла).

На рис. 2 приведена зависимость L_c/L_M от R_zc/R_zM, построенная для систем IX, X, XI и IV, иллюстрирующая указанное положение.

Другими словами, из приведенных данных следует важный в практическом отношении вывод о том, что повышать производительность процесса финишной обработки можно не только за счет увеличения относительного внедрения (т. е. нагрузки), а используя различные адсорбционно-активные среды, влияющие на величины n и НВ. При этом шероховатость поверхности может оставаться неизменной, как, например, для систем А₃, V и VI, или даже уменьшаться — случай систем IV и XI.

Однако другой важной характеристикой, оказывающей непосредственное влияние на некоторые из указанных величин, в частности, на твердость НВ, является мгновенная температура на контакте обрабатываемого материала и инструмента, реальные значения которой зависят от смазочно-охлаждающих свойств различных СОТС. В связи с этим, как следует из данных рис. 1, постоянству или увеличению производительности процесса могут соответствовать уменьшение (системы XI, IV), постоянство (системы А₃, V, VI) и увеличение (система IX) шероховатости поверхности, что связано, по-видимому, в каждом конкретном случае со степенью влияния адсорбционно-активной среды и мгновенной температуры на величины n и НВ.

Перечисленные выше однокомпонентные системы испытывались также на станке индивидуальной огранки, при этом производительность процесса оценивалась качественно, а шероховатость поверхности — визуально (в обоих случаях по бальной системе). Результаты испытаний в основном удовлетворительно совпадают с данными стендовых экспериментов. С точки зрения таких существенных эксплуатационных характеристик СОТС, как охлаждающее действие, стабильность, гигиеничность, удерживание системы на инструменте и ряда других, выявлена необходимость в улучшении указанных характеристик.