Понимание роли и применения смазочно-охлаждающих жидкостей

В процессе обработки металлов резанием для повышения эффективности резания, улучшения точности заготовки, снижения шероховатости поверхности, продления срока службы инструмента и достижения оптимальных экономических результатов крайне важно минимизировать трение между инструментом и заготовкой, а также между инструментом и стружкой.

Кроме того, очень важно своевременно отводить тепло, выделяющееся при деформации материала в зоне резания.

Для достижения этих целей, с одной стороны, были разработаны высокотвердые и термостойкие инструментальные материалы, а с другой - усовершенствована геометрия инструмента.

Появление таких материалов, как углеродистая сталь, быстрорежущая сталь, карбид вольфрама и керамика, а также использование сменных инструментов значительно ускорили процесс обработки. резка металла тарифы.

С другой стороны, использование высокоэффективных смазочно-охлаждающих жидкостей часто значительно повышает эффективность резки, снижает шероховатость поверхностии продлевает срок службы инструмента, обеспечивая превосходные и экономически эффективные результаты. Функции смазочно-охлаждающие жидкости включают:

I. Эффект охлаждения

Эффект охлаждения основан на конвективном теплообмене и испарении смазочно-охлаждающей жидкости для отвода тепла от твердых частиц (инструмента, заготовки и стружки), что снижает температуру в зоне резания и уменьшает деформацию заготовки, сохраняя твердость и размер инструмента.

Эффективность этого охлаждающего эффекта зависит от тепловых свойств жидкости, особенно от ее удельной теплоемкости и теплопроводности.

Кроме того, важную роль играют условия течения жидкости и коэффициенты теплообмена. Коэффициент теплообмена может быть увеличен за счет использования поверхностно-активных материалов и скрытого тепла.

Вода, обладающая высокой удельной теплоемкостью и впечатляющей теплопроводностью, превосходит смазочно-охлаждающие жидкости по эффективности резания. Изменение условий подачи, например, увеличение скорости и объема потока, может эффективно усилить охлаждающий эффект смазочно-охлаждающей жидкости.

Этот метод особенно эффективен при использовании смазочно-охлаждающих жидкостей на масляной основе, обладающих меньшим охлаждающим эффектом. При сверлении глубоких отверстий и высокоскоростном обработка шестерёнПри увеличении давления и объема подаваемой жидкости наблюдаются улучшения.

Распылительное охлаждение, способствующее легкому испарению жидкости, также заметно усиливает эффект охлаждения.

Эффективность охлаждения смазочно-охлаждающей жидкости зависит от ее проницаемости. Жидкости с хорошей проницаемостью быстрее охлаждают режущую кромку. Проницаемость смазочно-охлаждающих жидкостей зависит от их вязкости и смачиваемости. Жидкости с низкой вязкостью обладают лучшей проницаемостью, чем жидкости с высокой вязкостью.

Смазочно-охлаждающие жидкости на нефтяной основе, как правило, обладают лучшей проницаемостью, чем жидкости на водной основе, но смазочно-охлаждающие жидкости на водной основе, содержащие поверхностно-активные вещества, демонстрируют значительно более высокую проницаемость.

Смачиваемость смазочно-охлаждающей жидкости зависит от ее поверхностного натяжения. Если жидкость имеет высокое поверхностное натяжение, она склонна образовывать капли на твердых поверхностях, что приводит к плохой проницаемости.

И наоборот, когда жидкость имеет низкое поверхностное натяжение, она растекается по твердому телу, при этом угол контакта твердого тела с жидкостью и газом минимален или даже равен нулю. Это приводит к отличной проницаемости, позволяя жидкости быстро проникать в зазоры в местах контакта инструмента с заготовкой и стружкой, усиливая тем самым эффект охлаждения.

Качество охлаждающего эффекта также связано с пенообразованием. Поскольку пена состоит в основном из воздуха, который обладает плохой теплопроводностью, смазочно-охлаждающие жидкости с чрезмерной пеной демонстрируют сниженную эффективность охлаждения.

Поэтому синтетические смазочно-охлаждающие жидкости, содержащие поверхностно-активные вещества, обычно включают небольшое количество эмульгированного силиконового масла, которое служит в качестве пеногасителя.

Недавние исследования показали, что ионные жидкости для резки на водной основе способны быстро нейтрализовать статический заряд, возникающий во время резки и шлифования из-за сильного трения, предотвращая перегрев заготовки и обеспечивая исключительный эффект охлаждения.

Такие ионные смазочно-охлаждающие жидкости сегодня широко используются в качестве смазочно-охлаждающих жидкостей для высокоскоростного шлифования и агрессивных процессов шлифования.

II. Роль смазки

Во время обработки происходит трение между режущий инструмент и стружкой, а также между инструментом и поверхностью заготовки. Смазочно-охлаждающие жидкости действуют как смазочные материалы, уменьшая это трение.

Режущий инструмент, учитывая угол разгрузки во время обработки, меньше контактирует с обрабатываемым материалом, чем основная режущая поверхность, что приводит к снижению контактного давления.

Состояние трения-смазки на рельефной поверхности приближается к состоянию граничной смазки. Сильно адсорбирующие вещества, такие как маслянистые агенты и агенты экстремального давления (EP) с пониженной прочностью на сдвиг, эффективно снижают это трение.

На первичной режущей поверхности ситуация иная: по мере того как деформированная стружка выталкивается давлением инструмента, контактное давление увеличивается, и стружка, подвергаясь пластической деформации, нагревается.

После нанесения смазочно-охлаждающей жидкости стружка резко сжимается из-за охлаждения, уменьшая длину контакта стружки с первичной режущей поверхностью и площадь контакта металла между стружкой и инструментом.

Это также снижает среднее напряжение сдвига, что приводит к увеличению угла сдвига и уменьшению силы резания, повышая обрабатываемость материала заготовки.

Во время шлифования добавление шлифовальной жидкости образует смазочную пленку между шлифовальным зерном, заготовкой и стружкой. Этот смазочный слой уменьшает трение, предотвращает износ абразивных кромок и улучшает качество обработки поверхности.

Как правило, смазочно-охлаждающие жидкости на масляной основе превосходят жидкости на водной основе, причем наилучшие результаты показывают жидкости на масляной основе, содержащие маслянистые и EP-присадки. Маслянистые присадки обычно представляют собой длинноцепочечные органические соединения с полярными группами, такие как жирные кислоты, спирты, растительные или животные жиры.

Они образуют смазочный слой на поверхности металла, уменьшая трение между инструментом и заготовкой, а также стружкой, что позволяет снизить сопротивление резанию, продлить срок службы инструмента и улучшить качество обработки поверхности.

Масляные присадки лучше всего работают при низких температурах; выше 200°C их адсорбционный слой разрушается, теряя свои смазывающие свойства. Таким образом, маслосодержащие смазочно-охлаждающие жидкости используются для низкоскоростной точной резки, в то время как для высокоскоростной и тяжелой резки требуются смазочно-охлаждающие жидкости с EP-присадками.

Добавки EP содержат такие элементы, как сера, фосфор и хлор, которые вступают в химическую реакцию с металлами при высоких температурах, образуя такие соединения, как сульфид железа, фосфат железа и хлорид железа, обладающие низкой прочностью на сдвиг.

Это снижает сопротивление резанию и трение между инструментом, заготовкой и стружкой, облегчая процесс резания. EP-содержащие смазочно-охлаждающие жидкости также предотвращают образование стружки и улучшают качество обработки поверхности.

Хлорид железа имеет слоистую кристаллическую структуру, что обеспечивает ему самую низкую прочность на сдвиг. По сравнению с сульфидом железа, он имеет более низкую температуру плавления и теряет свои смазочные свойства при температуре около 400°C.

Фосфат железа по своим свойствам находится между хлоридом и сульфидом железа. Сульфид железа выдерживает температуру до 700°C и обычно используется в смазочно-охлаждающих жидкостях для интенсивной резки и обработки труднообрабатываемых материалов.

Помимо формирования смазочных слоев с низким сдвигом на черных металлах, таких как сталь и чугун, EP-присадки также выполняют эту функцию на цветных металлах, таких как медь и алюминий. Однако для резки цветных металлов следует избегать использования реактивных EP-присадок, чтобы предотвратить коррозию заготовки.

Смазочный эффект смазочно-охлаждающих жидкостей также связан с их проникающими свойствами; жидкости с хорошей проникающей способностью позволяют смазочным материалам быстро достигать границ раздела между стружкой, инструментом и заготовкой, образуя смазочные пленки, которые снижают коэффициенты трения и сопротивление резанию.

Последние исследования показывают, что помимо вышеупомянутых эффектов смазки, смазочно-охлаждающие жидкости могут проникать в мельчайшие трещины на металлических поверхностях, изменяя физические свойства обрабатываемого материала, тем самым снижая сопротивление резанию и облегчая процесс обработки.

III. Действия по очистке

В процессе обработки металлов резанием стружка, металлические порошки, остатки шлифования и масла легко прилипают к поверхности заготовки, режущего инструмента и шлифовального круга. Это влияет на производительность резания и загрязняет как заготовку, так и станок.

Таким образом, смазочно-охлаждающие жидкости должны обладать отличными очищающими свойствами. Для жидкостей для резки на масляной основе чем ниже вязкость, тем сильнее очищающая способность. Жидкости для резки, содержащие легкие компоненты, такие как дизельное топливо и керосин, обладают превосходными проникающими и очищающими свойствами.

Жидкости для резки на водной основе, содержащие поверхностно-активные вещества, дают лучшие результаты очистки.

С одной стороны, поверхностно-активные вещества могут адсорбировать различные частицы и маслянистый осадок, образуя на поверхности заготовки адсорбционную пленку, предотвращающую налипание на заготовку, инструмент и шлифовальный круг.

С другой стороны, они могут проникать на границу раздела частиц и остатков масла, отделяя и удаляя их вместе с режущей жидкостью.

Очищающая способность смазочно-охлаждающих жидкостей также должна проявляться в эффективном отделении и осаждении мусора, шлифовальных частиц, металлических порошков и остатков масла.

Переработанные смазочно-охлаждающие жидкости должны быстро оседать на дно емкости после возвращения в охлаждающий резервуар, в то время как остатки масла плавают на поверхности, например, металлическая стружка, порошок, обломки шлифовального материала и микрочастицы.

Благодаря этому смазочно-охлаждающая жидкость остается чистой даже после многократного использования, что гарантирует качество обработки и продлевает срок службы.

IV. Предотвращение ржавчины

В процессе обработки, если заготовка контактирует с коррозионными веществами, образующимися при разложении или окислении воды и смазочно-охлаждающих жидкостей, такими как сера, диоксид серы, хлорид-ионы, кислоты, сероводород и щелочи, она становится подверженной коррозии.

Детали машин, контактирующие с смазочно-охлаждающими жидкостями, также могут подвергаться коррозии. Если смазочно-охлаждающая жидкость не обладает антикоррозийными свойствами, заготовка может подвергнуться химической и электрохимической коррозии под воздействием влаги и агрессивных веществ, содержащихся в воздухе во время хранения после обработки или между операциями, что приведет к образованию ржавчины.

Поэтому смазочно-охлаждающие жидкости должны обладать превосходными антикоррозийными свойствами, что является одной из их основных характеристик.

Масла для резки обычно обладают некоторыми антикоррозийными свойствами. Если период хранения между операциями невелик, то нет необходимости добавлять ингибиторы ржавчины. Добавление ингибиторов ржавчины, таких как нефтяные сульфонаты бария, в масло для резки может снизить его противоизносные свойства.