CC BY
61Таврический научный обозреватель ■^^^Лауг.эоепсе
УДК: 621.895
Акмоллаев Э. С.
магистрант
ГБОУ ВО РК Крымский инженерно-педагогический университет
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СОЖ НА КОНТАКТНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ МАТЕРИАЛОВ
В работе произведён анализ научной литературы по вопросам влияния СОТС на качество обработанной поверхности материалов и степень износа инструмента.
Ключевые слова: смазочно-охлаждающие технические средства, теория мягких пленок, эффект Ребиндера, теория уменьшения длины контакта, Растительные СОТС, приработка инструмента.
Существенное влияние на стойкость быстрорежущего инструмента при обработке металлов оказывает применение смазочно-охлаждающей технологической среды (СОТС).
Применение смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) при обработке металлов резанием началось в первых годах текущего столетия. Применение СОТС позволяет увеличить эффективность операций механической обработки за счет увеличения стойкости инструмента, снижения шероховатости обработанной поверхности, увеличения размерной точности, уменьшения сил резания и вибраций.
СОТС влияют на протекание процесса резания как за счет охлаждения инструмента, заготовки и стружки, так и за счет уменьшения трения на передней поверхности, что внешне выражается в уменьшении деформации стружки, наростообразования, сил резания и потребляемой мощности.
Смазывающее действие СОТС на передней поверхности инструмента всегда вызывало интерес исследователей.
С одной стороны, эффект смазывающей способности СОТС пророй очень сильно заметен, с другой стороны - механизм смазывающего действия СОТС трудно объяснить. С целью объяснения смазывающего действия СОТС в разное время было выдвинуто несколько различных теорий, которые можно объединить в три основные группы.
Теория мягких пленок. Наиболее ранняя теория смазывающего действия СОТС при резании была сформулирована Мерчантом: на процесс резания в значительной мере влияет трение между стружкой и передней поверхностью инструмента, а эффект смазки при резании представляет собой снижение трения по передней поверхности за счет присутствия на ней мягких пленок.
Теория Мерчанта дает сравнительно простое и достаточно полное описание смазывающего действия СОТС на передней поверхности, но она не может дать ответ, по меньшей мере на два серьезных замечания: каким образом СОТС может проникнуть на переднюю поверхность при столь высоких нагрузках и неблагоприятной кинематике процесса; теория объясняет лишь действие специальных присадок, создающих пленки, не разрушающиеся при высоких давлениях, в то время как даже простая вода при резании оказывает заметный смазывающий эффект.
Эффект Ребиндера. Согласно П. Ребиндеру, пластическое течение материала облегчается путем его покрытия некоторой поверхностно-активной жидкостью, что приводит к снижению предела текучести на сдвиг. Для объяснения механизма снижения предела текучести также выдвинуты различные гипотезы: первоначальная теория Ребиндера, основанная на адсорбции жидкости металлом с последующим его размягчением; охрупчивание металла, аналогичное водородному охрупчиванию; релаксация материала благодаря закрытию опережающей трещины; охрупчивание благодаря стабилизации микротрещин; снижение поверхностного барьера, препятствующего выходу дислокаций из
Таврический научный обозреватель ■^^^Лауг.эоепсе
металла. Снижение предела текучести может иметь место в двух областях: на прирезцовой поверхности стружки (в этом случае должен быть обеспечен доступ СОТС на поверхности контакта) и на свободной стороне стружки.
Данная теория представляет определенный интерес, поскольку позволяет объяснить механизм смазывающего действия СОТС без необходимости ее проникновения на переднюю поверхность. Однако опыты показывают, что эффект Ребиндера имеет лишь второстепенное значение. Кроме того, здесь также рассматривается только один тип жидкостей -поверхностноактивные, и теория не дает какого-либо количественного описания эффекта смазывающего действия СОТС.
Теория уменьшения длины контакта.
В основе третьего подхода к вопросу о смазке в процессе резания также лежит предположение об определяющем влиянии трения по передней поверхности на геометрию процесса резания: на некоторой длине передней поверхности существует плотный контакт между стружкой и инструментом, на котором имеет место процесс трения; СОТС уменьшает длину контакта, тем самым снижая трение. Эта теория была сформулирована Роуэ для объяснения уменьшения адгезии в присутствии загрязнений на поверхности. Позднее эта теория была применена автором для объяснения трех механизмов влияния СОТС на процесс резания. Дальнейшее развитие теория уменьшения длины контакта получила в работах Вильямса и Тейбора.
По Клушину М. И. применение СОТС облегчает процесс резания, так как она способствует уменьшению износа инструмента, снижению силы резания и повышению качества обработанной поверхности [1, с. 71 -76].
В процессе резания жидкость оказывает следующее действие на деталь и инструмент:
1. смазывает трущиеся поверхности;
2. облегчает процесс пластической деформации и этим уменьшает работу, затрачиваемую на резание;
3. охлаждает инструмент, стружку и обрабатываемую заготовку, что приводит к уменьшению температуры резания и повышению стойкости инструмента;
4. смывает стружку из зоны резания.
Значение каждого из этих действий зависит от свойств материалов детали и инструмента и вида операции механической обработки. Моющее действие СОТС заключается в образовании на мелких частицах стружки, нароста или продуктов изнашивания инструмента адсорбционных плёнок, которые обеспечивают отделение этих частиц от твёрдой поверхности инструмента или заготовки. В результате частицы легко уносятся струёй СОТС, и снижается вероятность абразивного изнашивания режущего инструмента. Смазочное действие СОТС проявляется в образовании на поверхностях контакта обрабатываемой детали и инструмента тончайших, различных по своей природе, плёнок, уменьшающих силы трения и интенсивность изнашивания поверхностей трения. Уменьшению сил трения под действием смазочной среды способствуют образование граничных фаз, пластифицирующее действие СОТС на поверхностные слои контактирующих материалов и механическое разделение поверхностей трения.
Охлаждающее действие СОТС проявляется двояко и заключается не только в конвективном отведении от рабочих поверхностей инструмента образовавшейся и выделившейся теплоты, но и в устранении или ослаблении причин выделения теплоты благодаря смазочному действию и уменьшению сил трения.
Растительные и животные жиры как смазывающий материал применялись еще в прошлом веке. Сегодня они не заменимы в качестве добавок, а их самостоятельное применение как СОТС становится все более привлекательным. Об этом свидетельствует расширение ассортимента предлагаемых как на отечественном, так и зарубежном рынках технических масел растительного происхождения. Согласно Бердичевскому Е. Г
Таврический научный обозреватель "^^^Лауг.Боепсе
растительные масла включены в классификацию различных СОТС как биологические масла, к которым относятся так же масла животного происхождения [2].
Растительные масла характеризуются хорошей смазывающей способностью. Химическая структура глицерина обладает превосходным свойством защиты от износа, т.к. молекулярные связи между поверхностью металла и натуральных эфиров значительно сильнее, чем чистые силы адгезии, действующие между минеральным маслом и поверхностью металла. При этом износостойкая пленка при повышенных нагрузках сохраняется.
Как правило, в вопросе использования растительных масел в качестве СОТС на передний план выдвигается экологический аспект. Использование растительных масел с минимизацией подачи СОТС в зону резания является кардинальным средством экологической ориентации технологического процесса.
При использовании модифицированного рапсового масла УР 231 в сочетании с применением техники минимальной смазки наблюдается существенное повышение стойкости быстрорежущего инструмента на различных операциях механической обработки. На возможность целенаправленного изменения триботехнических свойств рапсового масла за счет введения функциональных добавок (олеиновая кислота, триэтаноламин и их соль олеа-триэтаноламина) указывается в работе Дмитриева Т.В. Сироватка Л.А., Бортницкий В.И. Композиции на основе рапсового масла и функциональных добавок на основе результатов исследования трущихся пар. [3, с. 693 - 698]
Растительные масла отмечены позитивными экранирующими и антифрикционными свойствами для процессов обработки металлов давлением [4].
Масла на растительной основе в зависимости от класса вязкости построены на основе натурального или сложного эфира. В отличие от углеродо-водородных молекул минерального масла, молекулы натурального и синтетического эфиров полярны. Это обстоятельство дает свои результаты.
Минеральные масла, как правило, состоят из коротких и длинных водородо-углеродных веществ, поэтому легколетучие части углеродо-водородных молекул с короткой цепочкой испаряются с повышением температуры довольно рано. У масел на растительной основе это не так, что и объясняет их более низкие аэрозольные потери и потери при испарении (не менее 30% по сравнению с минеральными). В результате окружающий воздух менее загружен парами, и загрязнение рабочего места маслом уменьшается.
По Якубову Ч.Ф. рабочие поверхности инструмента в процессе резания могут упрочняться. Этот эффект, правомочность которого вытекает из анализа термодинамики контактного взаимодействия, проявляется в начальном периоде процесса резания - процессе приработки инструмента как результат приспособления его рабочих поверхностей к внешним условиям нагружения. Он характерен для определенных условий резания и по аналогии с приработкой трущихся пар инструмент, упрочненный путем его приработки в этих условиях, обнаруживает существенное повышение стойкости при его эксплуатации в других, т.е. именно условия приработки решающим образом влияют на стойкость инструмента, являются своеобразным ее регулятором. Стадия приработки как стадия перестройки структуры инструментального материала является неизбежным условием процесса контактного взаимодействия при резании. Она обязательна для всех инструментов и уровнем «прирабатываемости» определяется, по заключению Якубов Ф.Я., эффективность практически всех решений, направленных на управление стойкостью. Основным механизмом в этом процессе является деформационное упрочнение, сопровождаемое ростом плотности дислокаций в объемах, примыкающих к рабочим поверхностям инструмента, и проявляемое наиболее плотно при деформации стали в состоянии, в котором находятся контактные слои инструмента. Это положение предопределило принципиальные пути интенсификации процесса упрочнения, одним из которых явилась возможность повышения упрочнения и, как следствие, стойкости инструмента с ростом контактных нагрузок (более 500 МПа) при температурах 200°С.. .350°С. Но повышение удельных нагрузок имеет место и при применении СОТС, когда уровень снижения сил отстает от изменения площади контакта, и тем в большей мере, чем более
Таврический научный обозреватель "^^^Лауг.Боепсе
превалирует смазочное действие. Этому положению отвечают обладающие высокой проникающей способностью растительные масла при подаче их в варианте техники минимальной и экологически безопасной смазки, т.е. при применении СОТС в отмеченных выше условиях (давлениях более 500 МПа и температурах 200.. ,350°С ) правомочно ожидать упрочнение контактных слоев инструмента
[5].
Литература
1. Клушин М. И. Резание металлов. - М.: Машгиз, 1958. - С. 71 -76.
2. Бердичевский Е. Г. Смазочно-охлаждающие средства для обработки материалов: Справочник.- М.: Машиностроение, 1984. - С. 220 - 224 с.
3. Дмитриева Т. В. Сироватка Л. А., Бортницкий В. И. Композиции на основе рапсового масла и функциональных добавок // Трение и износ. Т. 22, №6. - 2001. -С. 693 - 698.
4. Технологические смазки. Выпуск II. Тезисы докладов / под. ред. д.т.н. проф. М. С. Пасечника. К., 1983. - 84 с.
5. Якубов Ч. Ф. Повышение износостойкости быстрорежущих инструментов путем направленной трансформации их исходных свойств. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. тех. наук. -Харьков, 2004 - 146 с.
