Смазывающее действие СОЖ зависит от операции и режима резания, свойств обрабатываемого и инструментального материалов и определяется в основном скоростями образования и изнашивания граничных смазочных пленок, а также их составом, строением и свойствами.
Охлаждающее действие СОЖ. При резании основная часть механической энергии преобразуется в теплоту. Охлаждающее действие СОЖ основано на законах теплообмена. Теплоотводы, связанные с излучением, испарением и химическими реакциями, невелики. Поэтому, при оценке охлаждающего действия СОЖ ограничиваются рассмотрением конвективного теплообмена, который зависит, главным образом, от теплофизических свойств и гидродинамических условий подачи жидкости. На теплообмен наиболее сильно влияют вязкость, теплопроводность, теплоемкость, плотность и смачиваемость СОЖ, а также разность температур охлаждаемой поверхности и потока жидкости [47].
В процессе резания наибольшему воздействию высокой температуры подвергается инструмент. Исследования показывают, что применение смазочно-охлаждающей среды не препятствует возникновению высокой температуры в инструменте. Однако действие СОЖ существенно уменьшает область нагрева инструмента. При этом подача эмульсии под давлением на вспомогательную заднюю поверхность инструмента более эффективна, чем ее полив свободно падающей струей на переднюю поверхность инструмента. Для ряда операций обработки металлов резанием охлаждающее действия СОЖ при подаче жидкости в распыленном состоянии, под давлением или через внутренние каналы в инструменте (глубокое сверление) более эффективно, чем подача СОЖ поливом свободно падающей струей [40].
Охлаждающее действие СОЖ может иметь и отрицательные последствия. Так, при фрезеровании (прерывистое резание) твердосплавным инструментом с высокой скоростью резания, применение СОЖ приводит к значительным колебаниям температуры режущей части фрезы и уменьшению ее стойкости. Кроме того, интенсивное охлаждение поверхности обрабатываемого изделия может приводить к возникновению в металле внутренних напряжений растяжения, что ухудшает эксплуатационные свойства изделия [23].
Диспергирующее действие СОЖ. Под этим действием СОЖ подразумевается их способность облегчать деформацию, разрушение и дробление (диспергирование) металла, т.е. оказывать действие, способствующее образованию новой поверхности. В присутствии ПАВ облегчается зарождение и распространение микротрещин в металле. Полярные молекулы продвигаются по стенкам образующихся трещин до тех пор, пока их размеры не станут больше размеров трещин. В результате в самых узких местах микротрещин возникают дополнительные расклинивающие давления, вызываемые адсорбционными слоями, что приводит к "охрупчиванию" металла и его разрушению. Хрупкость металла может повышаться за счет диффузии атомов и ионов СОЖ в деформируемые слои. В результате этого процесса металл в зоне деформации быстрее достигает предельной прочности и разрушается при меньших затратах энергии [47].
Моющее действие СОЖ. В процессе резания металла образуются стружка и шлам,
состоящий из мелкодисперсной стружки, частиц износа инструмента и трущихся
деталей станка, окалины, пыли, грязи, продуктов термоокислительной деструкции
компонентов СОЖ и жизнедеятельности микроорганизмов. Твердые коллоидные частицы
шлама проникают в микронеровности обрабатываемой заготовки, деталей станков и инструмента,
где прочно удерживаются электростатическими и механическими силами. Скопление
частиц шлама
приводит к снижению стойкости инструмента и ухудшению качества обрабатываемой поверхности.
Поэтому СОЖ должна смыть и унести крупную стружку или металлические опилки,
предотвратить образование лакообразных
отложений и нагара на поверхностях изделия и инструмента, нагретых до высоких
температур [37].
Моющее действие СОЖ представляет собой совокупность физико-химических процессов, приводящих к очистке поверхностей обрабатываемой заготовки, инструмента и деталей станка от шлама. Смыв и эвакуация крупной стружки или продуктов шлифования, накапливающихся в зоне резания, является одной из важных функций СОЖ. Смывающее действие в значительной степени зависит от количества СОЖ, подаваемой в зону резания, скорости потока и метода подачи жидкости. Эффективность смывающего действия СОЖ повышается с введением в ее состав моющих веществ [47].
СОЖ представляют собой сложные системы, качество которых оценивается по большому количеству параметров. В настоящее время нет общепризнанной теории, объясняющей многочисленные аспекты механизма действия СОЖ, не разработаны научные основы синтеза и подбора состава эффективных СОЖ. Выбор СОЖ выполняется, в основном, эмпирическим путем – на основе личного опыта специалистов или по результатам станочных испытаний. Такой метод подбора оптимального состава требует больших временных и материальных затрат и не гарантирует получения наилучших результатов. Номенклатура СОЖ постоянно изменяется в связи с возрастающими требованиями по производительности и качеству обработки. Результаты испытаний различных СОЖ, проведенные с разными инструментальным и обрабатываемым материалами, трудно сопоставимы.
При рассмотрении основных моментов развития СОЖ и аспектов его применения,
очевидно, что в первую очередь смазочно-охлаждающая жидкость должна смазывать
и должна охлаждать. Смазка – это масло, а охлаждение – это вода. Масло и вода
не смешиваются. Для того чтобы их совместить в виде эмульсии подбираются
поверхностно-активные эмульгаторы, состоящие из гидрофобных и гидрофильных
частей. Гидрофоб располагается в масле, а гидрофильный хвост идет в воду.
После тонкого диспергирования (дробления),
получается эмульсия. Идеальный случай эмульсии – молоко. Эмульгатор
находится вокруг капель масла и отделяет капли масла друг от друга. В традиционных
СОЖ содержалось примерно до 80% эмульгатора и примерно от 20% масла. Концентрация
СОЖ при применении варьировалась от 5% до 10%. Такая СОЖ требовала замены уже
через 5- 6 дней, так как эмульсия греется в процессе работы и постоянно
теплая, содержащийся в ней эмульгатор является хорошей пищей для бактерий. По
мере того, как бактерии съедают эмульгатор, падает значение рН, достаточно быстро
появляются коррозия и ощущается неприятный специфический запах. Если исходное
значение рН приблизительно 9,5. то в течение примерно 7 дней оно быстро спадает
и становится ниже, чем 8,5 – это граница, начиная с которой появляются проблемы
с коррозией, т.е. необходимо заливать свежую СОЖ [44].
Такого вида СОЖ называются конвенциональные СОЖ. Эмульгаторы, которые применялись в этих СОЖ – неионогенные эмульгаторы. Нефтяной сульфонат – это, прежде всего, сера, а сера – это хорошая питательная среда для бактерий. Отсюда в результате их жизнедеятельности появлялся сероводород – продукт метаболизма бактерий, т.е., сера+бактерии – это сероводород. Последний имеет непереносимый запах и даёт кислую реакцию, что дополнительно стимулирует снижение рН. Срок работы эмульсии – примерно одна неделя и повторяются проблемы с бактериями, падением рН и коррозией. Для того чтобы продлить срок службы СОЖ стали вводить в состав эмульсии бактерициды. Раньше это были фенолы. Потом фенолы запретили. Стали применяться гексагидротриазины, они отщепляют формальдегид. Эмульсии, в которые вводили бактерицид, жили уже дольше, но проблемы полностью не решались, только отодвигались. Через две-три недели все начиналось сначала.
Таким образом, для всех этих конвенциональных продуктов, которые имеют весьма ограниченный срок жизни, негативными свойствами были: запах, коррозия и неизбежность возникновения больших объёмов, подлежащих утили-зации. Сами по себе бактерициды тоже не безвредны для человека, они провоцируют кожные раздражения и раздражения слизистых оболочек дыхательных органов. Для очистки систем при их подготовке для заливки новой СОЖ нужно было применять системные очистители, чтобы максимально полно уничтожить скопившиеся там бактерии, прежде чем будет залита свежая СОЖ. Если этого не проделать, уже скопившиеся бактерии будут более интенсивно работать, еще более сокращая время службы.
Реальные рабочие системы не стерильны, всегда будут бактерии и плесневые грибы, и поэтому, как только туда попадает какая-то пища для бактерий, жидкость моментально подвергается атаке бактерий, которые съедают эмульгатор. Стали пробовать увеличить содержание эмульгатора. Количество масла оставалось без изменения, оно было порядка 40%, долю эмульгатора подняли в среднем до 40% и 3% бактерицида, остальное 17% – вода. Эмульсии работали заметно больше: 4-6 недель, но это не решало проблем, они просто растягивались во времени и к тому же появился дополнительный минус. Благодаря тому, что содержание эмульгатора было увеличено, эти эмульсии стали легко вспениваться. А поскольку эмульсии пенились, увеличивалась поверхность соприкосновения с руками, и как следствие – дерматозы [44].
Поскольку эмульгатор и масло – это питательная среда для бактерий, то их заменили синтетическими продуктами. Это органические эфиры и органические соли. Такие продукты были разработаны и они пошли в практику, но их применение было ограничено, так как был такой недостаток, что когда вода испарялась и поверхность высыхала, те пленки, которые оставались, приводили к склеиванию деталей и залипанию движущихся частей оборудования в тонких местах, в узких щелях. Это, в частности, создавало большие проблемы для из-мерительного инструмента. Поэтому применение таких синтетических СОЖ ограничено, например, используются при бесцентровом шлифовании в производстве подшипников.
В дальнейшем, в результате исследований по стабилизации рН, был разработан
совершенно новый класс биостабильных СОЖ, когда рН свежеприготовленной
эмульсии достаточно быстро падает от 9,5 до примерно 9,0, и потом рН начинает
колебаться в интервале – от 8,5 до 9,0, никогда не пересекая границу – 8,5 (граница,
начиная с которой появляются проблемы с коррозией). Эти СОЖ не должны
содержать бактерицидов (огромный плюс с точки зрения санитарии), потому что для
них бактерицид – яд. Что происходит с бактериями? Они там тоже есть. Количество
бактерий содержится в пределах 106 на миллилитр и в течение работы
количество бактерий колеблется вокруг этого значения. Без запаха, без каких-то
вредных последствий. Может показаться, что 106 на миллилитр – это
много, но примерно такое количество содержится в молоке. При этом следует иметь
в виду, что такое количество бактерий помогает
удерживать примерно на уровне 102 на миллилитр концентрацию
плесневых
грибков [44].
На практике имеет место равновесие между бактериями и грибками. Чем меньше бактерий, тем больше грибков и наоборот. Значит, в этих СОЖ стабильным по времени остаётся значение рН и содержание бактерий. Таким образом, биостабильные СОЖ – это новая группа продуктов, которая по своему составу и строению принципиально отличается от предыдущих. Теоретически время работы СОЖ можно сделать сколь угодно долгим. Очевидно, что объёмы СОЖ, которые подлежат утилизации, при работе с биостабильными СОЖ, значительно меньшие.
Практика показывает, количество отходов уменьшается на 90%. Поскольку объём заметно сократился, то даже небольшая система ультрафильтрации, вполне справится с утилизацией тех объёмов, которые образовывались во время работы. Надо отметить, что биостабильные СОЖ разработаны в основном за рубежом и являются достаточно дорогим продуктом. В наших условиях при отрицательных температурах могут терять свои качества, что создает затруднения при их транспортировке и эксплуатации.
В настоящее время разработаны и используются огромное количество полусинтетических и синтетических СОТС. Основу полусинтетических СОЖ составляет вода (до 50%) и эмульгаторы (до 40%).Обязательным компонентом является маловязкое нефтяное масло. Полусинтетические СОЖ, как и эмульсолы, могут содержать биоциды, противоизносные и противозадирные присадки. Их используют в виде 1-10%-ных водных растворов.
Синтетические СОЖ представляют собой смесь водорастворимых полимеров, поверхностно-активных веществ, ингибиторов коррозии, биоцидов, антипенных присадок и воды. В их состав для повышения смазывающих свойств вводят противоизносные и противозадирные присадки. Концентраты синтетических СОЖ могут быть приготовлены в виде порошков [43].
1.4. Виды и характеристики СОЖ, применяемых в процессах
При классификации смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) по агрегатному состоянию различают: газообразные СОТС; жидкие СОТС (их называют СОЖ); пластичные СОТС; твердые СОТС [42].
По составу различаются три группы СОЖ:
- Чистые минеральные масла, усиленные комплексом специальных присадок жиров, органических соединений серы, фосфора, хлора, а так же антипенных, антикоррозионных и антиокислительных присадок.
- Водные эмульсии минеральных масел. Этот вид СОЖ создается прямо на месте использования, просто разбавляя водой эмульсолы (40-80% минеральных масел, 20-60% эмульгаторов с добавками).
- Еще один вид СОЖ - водные растворы концентрата поверхностно-активных веществ в комплексе с низкомолекулярными полимерами.
Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) как у нас, так и за рубежом для лезвийной и абразивной обработки металлов, как правило, представляют собой сульфированные минеральные масла или их 2-80% эмульсии с водой (эмульсолы).
1.
Сульфофрезол, МР-3, МР-3 Павекс, МР-4, МР-7; МР-7В; МР- 10А;
МР-10М; МР-11, МР-11 Павекс, МР-12. МР-12/1, ОСМ-1, ОСМ- 2К, ОСМ-3,
ОСМ-5, Укринол-7, МР-78; МР-99 и т.д. - разработчик УкрНИИНП
"МАСМА", Украина.
2. MHIII - 9, МВ-2-931, PC-1, РС-2 - разработчик АО ВНИКТИнефтехимоборудование, г. Волгоград.
3. РЖ-3, РЖ-8, РЖ-М-разработчик Средневолжский ВНИИНП; МП "Олеокам", г. Ангарск.
4. В-ЗМ; В-3 марки 25; В-3 марки 85 - изготовитель "Пермский завод смазок и СОЖ".
5. MP3, ЛЗр - разработчик АО НИИавтопром, г. Москва.
6. Лубрисол М-92 - разработчик НПП "Полихим", г. Санкт- Петербург.
7. ЛЗ СОЖ 2 МИО; ЛЗН СОЖ 11; ЛЗ СОЖ 2 МО; ЛЗ 23 ПО - разработчик "Завод им. Шаумяна".
8. С ПТ-13В - ООО НПТЛ, г. Москва.
9. Масса других масляных СОЖ неизвестного происхождения и
часто сомнительного качества.
Достоинство масляных СОЖ: обладают высокими смазочными свойствами, хотя для этого они должны содержать в своем составе различные антиокислительные, противозадирные, противоизносные, антикоррозионные и бактерицидные присадки [27].
Недостатки масляных СОЖ: к их недостаткам можно отнести низкую охлаждающую способность, повышенную испаряемость, ухудшающую гигиенические условия труда, высокую пожароопасность, склонность к биопоражению, большие затраты на утилизацию отработанных отходов. Кроме того, они экологически вредны, поскольку при взаимодействии с резцом выделяют токсичные вещества, например серный ангидрид и акролеин, оказывающие отравляющее действие на организм человека. Использование сульфированных минеральных масел часто приводит к различным кожным заболеваниям[27].
K эмульсолам и к полусинтетическлм СОЖ относятся:
1. Укринол-1, Укринол-1 М, Уверол, Биор, Аквол-2, Аквол-6, Пермол, Мирол, Авитол-2, Аквол-ЮМ, Синхо-2М, Аквол-11, Карбамол С - разрабочик УкрНИИНП "МАСМА", Украина.
2. НГЛ-205, Москвинол - разработчик ВНИИНП, г. Москва.
3. ЭГТ, Э-2, Рикос-1, Рикос-2 - разработчик АО» Ростовская инженерная компания по производству охлаждающих жидкостей и смазок "Рикос", г. Ростов-на-Дону.
4. Автокат, Ивкат, Эмульсол Т, Тафол, Эмулькат - разработчик и изготовитель АОиИВХИМПРОМ", г. Иваново.