Перспективы применения смазочно-охлаждающих средств разового действия на операциях шлифования Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.757 (075.8)

621.9.079.621.7.079 (031)

Л.В.ХУДОБИН, Н.И.ВЕТКАСОВ

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ СМАЮЧ1 1<>ОХТ\ЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ РАЗОВОГО ДЕЙСТВИЯ НА ОПЕРАЦИЯХ ШЛИФОВАНИЯ

Возможность повышения производительности механической обработки и улучшения качества обработанных деталей во многом зависит от состава и техники применения смазочно-

охлаждающих технологических средств (СОТС), от степени их воздействия на физические, физико-механические и механо-хими-ческие процессы, протекающие при обработке заготовок лезвийными и абразивными инструментами.

К настоящему времени сложилась определенная система представлений о роли и механизмах действия СОТС на операциях механической обработки. Однако сложность и многогранность процессов, протекающих при механической обработке и особенно при резании с применением СОТС, широчайшие диапазоны варьирования множества факторов, определяющих эффективность их действия, повышение требований экологической безопасности операций механической обработки, исключают возможность разработки однозначных принципов выбора СОТС, который до сих нор носит, в основном, эмпирический характер. Разные исследователи формулируют эти принципы по-своему, но все сходятся во мнении, что эффективность действия СОТС возрастает по мере [1, 2, 3,4]: а) обеспечения транспортирования СОТС непосредственно в ту зону, на которую она должна воздействовать; б) увеличения поверхности частиц и физико-химической активности СОТС; в) обеспечения доступа кислорода воздуха в зону обработки и интенсификации процессов образования тонких окисных пленок на контактирующих поверхностях; г) изменения температуры СОТС, увеличения скорости обтекания СОТС охлаждаемых участков и площади одновременного интенсивного охлаждения; д) интенсификации эвакуации частиц обрабатываемого материала, продуктов износа инструмента и других отходов из зоны резания (шлифования).

© Л.В. Худобин, Н.И. Веткасов, 1998

Во всех случаях СОТС должно возможно более полно удовлетворять не только требованиям повышения технологической эффективности той или иной операции механической обработки, но и обладать целым комплексом специфических эксплуатационных свойств. Эти противоречивые требования могут быть выполнены лишь при условии, что все активные химические реакции будут развиваться в диапазоне температур, близких к температурам в контактной зоне, и не будут развиваться при обтекании менее нагретых поверхностей обрабатываемой заготовки, инструмента, технологической оснастки и оборудования во избежание их коррозии и нецелевого использования компонентов СОТС.

В настоящее время задачу улучшения технологических и эксплуатационных свойств СОТС решают, как правило, путем введения в ту или иную основу различного рода присадок - присадок высокого давления, антифрикционных, антикоррозионных, бактерицидных, антипенных и др. Все более ужесточаемые в последнее время требования к эксплуатационным свойствам СОТС, неизбежное взаимное влияние присадок накладывают существенные ограничения на номенклатуру присадок, используемых при синтезировании СОТС, а также заставляют вводить в СОТС специальные компоненты с целью улучшения их эксплуатационных свойств, что в ряде случаев снижает технологическую эффективность СОТС и значительно ограггичивает область их рационального применения.

Особенно актуальной эта проблема является для смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), так как лишь ничтожно малая часть объема СОЖ, залитой в систему охлаждения металлорежущего станка оказывает непосредственное влияние на процесс резания, осуществляя смазочное, моющее, охлаждающее и другие функциональные действия. Остальная часть объема СОЖ играет пассивно роль (рис. 1). Равномерное распределение химически-активных присадок и поверхностно-активных веществ (ПАВ) по всему объему СОЖ приводит к тому, что в любой момент времени СОЖ активно взаимодействует с элементами системы ее применения - емкостями, нагнетательным оборудованием, трубопроводами, очистителями и др. - и с элементами технологической системы - станком, приспособлением, инструментом и заготовкой. Заметную негативную роль играет и активизация физико-химического

взаимодействия СОЖ с накапливающимися в ней механичесгаш примесями, повышение температуры и испарение СОЖ вследств

Рис. 1. Схема подачи СОЖ на операции шлифования заготовок: а -принципиальная гидравлическая схема подачи СОЖ поливом; выдвижение СОЖ в зоне, прилегающей к зоне контакта круга с заготовкой при шлифовании сплошным (б) и композиционным (в) кругами: 1 - резервуар (бак-отстойник); 2 фильтр; 4 - дифференциальный клапан; 5 -кран; 6 - сопло; 9 - резервуар; 10 - устройство очистки СОЖ от механических примесей; 11-18 - трубопроводы; 19 -вставки из твердой смазки

б)

А

в

19

В

В)

А

попадания в нее раскаленной стружки и ее контакта с нагретыми элементами технологической системы. В результате действия перечисленных факторов изменяется соотношение фаз СОЖ, образуются продукты ее разложения, активизируется коррозия поверхностей заготовки, приспособления и оборудования, имеют место отклонения от санитарно-гигиенических норм и правил. Все это приводит к преждевременному разрушению и истощению СОЖ, резкому сокращению срока ее службы и усложнению проблемы разложения и утилизации отработанной жидкости.

Понятно, что при традиционной технологии применения современных СОЖ, когда жидкость одного определенного состава должна обеспечить с достаточно высокой эффекгивностыо весь комплекс функциональных действий, выполнить противоречивые требования, предъявляемые к СОЖ, весьма сложно, особенно учитывая соотношение объемов СОЖ, проходящей через зону шлифования и залитой в систему ее применения.

Рассматривая последствия применения СОТС (СОЖ) с позиций экологической безопасности операций механической обработки, можно заключить, что свойства химической и поверхностной активности необходимы СОТС лишь пока оно находится непосредственно в зоне резания. Вне этой зоны СОТС должно иметь

лишь хорошие моющие, охлаждающие и антикоррозионные свойства и быть стойким к микробиопоражению.

Возможны два принципиально различных направления повышения технологической эффективности СОТС при условии обеспечения экологической безопасности операций механической обработки. Первое направление предполагает временное обратимое изменение свойств СОТС в нужном направлении и в нужный момент времени внешними энергетическими воздействиями (энергетическая (физическая) активация). Следует отметить, что механизмы энергетической активации СОТС очень сложны, теория многих ее видов находится лишь в начальной стадии разработки.

Сущность второго подхода состоит в рациональном использовании относительно небольшого объема химически-активных присадок и ПАВ при их изоляции от взаимодействия с элементами технологической системы и системы применения СОТС до момента проникновения в зону контакта инструмента и заготовки, где в экстремальных условиях термомеханического воздействия присадки и ПАВ должны целенаправленно влиять на ход контактных процессов. Реализовать этот подход можно двумя путями: 1) мик-рокапсуляция присадок [1]: микродозы химически-активных присадок и ПАВ заключают в малопроницаемую эластичную оболочку, которая позволяет выделиться содержимому лишь в случае проникновения капсулы в контактную зону, где действуют высокие давления и температуры; 2) химически-активные присадки и ПАВ вводят в малоактивную среду, изолирующую их от контакта с элементами технологической системы вне зоны обработки и позволяющую им вступать в активное химическое взаимодействие с поверхностями обрабатываемой заготовки и инструмента лишь в момент прохождения среды через зону обработки. В качестве малоактивной среды можно использовать твердые смазочные композиции (ТСК) и пластичные смазки (ПС), размещенные в конструктивных элементах инструмента, нанесенные на его рабочую поверхность или на обрабатываемую поверхность заготовки контактным методом или распылением.

Применение ТСК или ПС, содержащих химически-активные присадки и ПАВ, позволяет реализовать на операциях механической обработки концепцию применения "СОТС разового действия" (СОТС РД), суть которой заключается в сокращении расхода дорогостоящих компонентов СОТС путем их направленно! подачи непосредственно в зону обработки в минимально-дос-

таточном количестве. При этом основная часть объема СОТС РД безвозвратно используется в зоне обработки, а некоторая его часть уносится со стружкой. Характерные для дозированной подачи "безотходность" и "одноразовое" применение позволяют существенно снизить расходы на регенерацию и утилизацию СОТС, повысить экологическую безопасность операций механической обработки и производства в целом.

Специфика операций абразивной обработки по сравнению с операциями лезвийной обработки накладывает определенные ограничения на возможность реализации этой концепции при шлифовании. Из четырех основных функциональных действий - смазочного, демпфирующего, моющего и охлаждающего - СОТС РД могут на шлифовальных операциях проявить смазочное и демпфирующее действия и в значительно меньшей степени охлаждающее. Охлаждающее действие, заключающееся в отводе тепла, образующегося в процессе шлифования от обрабатываемой заготовки и круга, и моющее действие, направленное на удаление с рабочей поверхности круга, заготовки и деталей технологической оснастки и оборудования отходов шлифования, могут быть обеспечены лишь путем подачи в рабочую зону станка достаточного количества СОТС, находящегося в жидком агрегатном состоянии, например водной СОЖ. С позиций реализации рассматриваемой концепции водная СОЖ должна иметь хорошие моющие и охлаждающие свойства, содержать ингибиторы коррозии, не содержать химически-активных присадок и ПАВ, обладать хорошей устойчивостью к микробиопоражению, в минимальной степени реагировать на загрязнение посторонними маслами. Применение СОТС РД на операциях абразивной обработки внесет определенные коррективы в технологический процесс (ТП) применения СОЖ [5]. Из ТП будут исключены операции энергетической обработки СОЖ перед подачей ее в зону шлифования, переработки отработанного эмульсола, стабилизации компонентного состава СОЖ. Существенно упростится технология приготовления водной СОЖ (операция 1 на рис. 2) и подготовки ее к очистке (операция 9). Поскольку будет использоваться водная СОЖ простейшего состава, отличающаяся высокой стабильностью и биостойкостью, существенно сократятся затраты на бактериологическую обработку (операция 3), диагностирование состояния СОЖ (операция 13), и особенно на обезвреживание.

разложение операция 15 и утилизацию отработанной водной жидкости.

Что касается СОТС РД, то здесь возможны два варианта. 1) шлифовальные круги поступают на машиностроительное предприятие в готовом для использования виде, оснащенные ТСК

_________ .»-т ж ЛЛ11'1 ПЮ1ЛТ ГТ^ТР РП иг О

Я;

, Приготовление водной СОЖ Оп. 1

1

, Аккумуляция водной СОЖ Оп. 2

Бактериологическая обработка водной СОЖ Оп 3

Транспортирование водной СОЖ к станкам Оп. 4

1

♦ Механическая обработка заго-> товок с применением СОТС Оп. 5

Сбор загрязненной СОЖ со станков Оп. 8

1

Подготовка СОЖ к очистке Оп. 9

Очистка СОЖ Оп. 10

Обезвоживание шлифовального шлама Оп.11

Переработка шлифовального шлама Оп.12

Диагностика состояния водной СОЖ

Оп.13

О.

щ

|8

м =

2 о ^ £

¡¡ю

о8

о ° Я 5=

я о 8 = 5 х О Л

с. —

В о

я ю

2 1 о

¥ *

Рис. 2. Технологический процесс комплексного применения СОТС РД и водной СОЖ ("Оп" - операция)

Рис.3. Схема комплексного применения СОТС РД и водной СОЖ на операции шлифования: 1 - композиционный шлифовальный круг; 2 - ТСК с химически активными присадками и ПАВ; 3 - сопло для подачи водной СОЖ; 4 - шлифуемая заготовка

строительном предприятии. В этом случае в ТП применения СОТС придется включить операции приготовления ТСК или ПС (операция 6 на рис. 2) и оснащения ими шлифовальных кругов (операция 7).

Очевидно, что реализация концепции применения СОТС РД на операциях шлифования должна предусматривать решение следующих задач: 1) подбор или разработка технических средств транспортирования ТСК или ПС непосредственно в зону контакта круга и заготовки в минимально необходимом количестве; 2) выбор или разработка составов ТСК и ПС, которые могут быть применены в качестве СОТС РД; 3) подбор водной СОЖ, отвечающей вышерассмотренным требованиям.

Для реализации концепции применения СОТС РД могут быть использованы как известные способы транспортирования ТСК или ПС, например, контактный, импрегнирование, введение ТСК в качестве наполнителя в круг, так и сравнительно малоизученные способы, например, транспортирование ТСК или ПС посредством конструктивных элементов, выполненных в шлифо-

вальном круге и заполненных ТСК илн ПС (рис. 3). Этот способ достаточно перспективен, лишен в определенной степени недостатков, присущих известным способам транспортирования смазки. Технология шлифования так называемыми композиционными шлифовальными кругами, конструктивные элементы которых заполнены ТСК или ПС, соединяет в известной мере преимущества шлифования прерывистыми и импрегнированными кругами, кругами с наполнителями.

Реализация рассматриваемой концепции на операциях шлифования позволяет отказаться от применения химически-актив-ных СОЖ и перейти на использование малоактивных жидкостей. Появляется возможность усиления смазочного действия СОТС за счет синергизма присадок и ПАВ, вводимых в состав ТСК или ПС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Годлевский В.А. Повышение эффективности и качества обработки материалов резанием путем управления смазочным действием СОТС. Дисс*... докт. техн. наук. Иваново: Ивановский гос. ун-т, 1995. 556 с.

2. Латышев В.Н. Повышение эффективности СОЖ. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1985. 64 с.

3. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием. Справочник / Под общ. ред. С.Г.Энтелиса, Э.М.Берлинера. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1995. 496 с.

4. Технологические свойства новых СОЖ при обработке резанием/Под ред. М.И.Клушина. М.: Машиностроение, 1979. 192 с.

5. Худобин Л.В. Разработка научных основ ресурсосберегающих технологий машиностроения // Вестник Ульяновского гос. техн. университета. Юбилейный выпуск. 1997. С. 5-13.