CC BY
10
УДК 621.91
А. А. Николотов, Н. Е. Курносов
ПРИМЕНЕНИЕ АЭРОЗОЛЬНЫХ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПЕРЕМЕННОГО СОСТАВА ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ВОССТАНОВЛЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Аннотация. Рассматриваются вопросы совершенствования процессов механической обработки деталей, восстановленных методом наплавки. Предлагается использовать для повышения качества обработанной поверхности аэрозольные смазочно-охлаждающие технологические средства переменного состава.
Ключевые слова: резание, охлаждение, смазка, аэрозоль, СОТС, MQL-технология, распыление, наплавка, ремонт, восстановление, транспортные машины.
В процессе работы детали транспортных машин подвергаются различным видам износа, при этом происходит изменение их размеров и формы. Детали, достигшие предельного уровня износа, не позволяют осуществлять безопасную и экономически оправданную эксплуатацию машин. Для восстановления работоспособности отдельных узлов и машины в целом производят замену изношенных деталей на новые, однако иногда замена экономически нецелесообразна. В данных случаях осуществляется восстановление изношенных деталей. Для восстановления размеров и формы деталей применяют нанесение ремонтных покрытий, таких как наплавка, напыление, гальваническое осаждение и др., с последующей механической обработкой для обеспечения требуемых размеров. Широкое распространение в настоящее время получил способ восстановления наплавкой, суть которого сводится к наплавлению на изношенную поверхность ремонтного слоя металла [1]. Процесс наплавления осуществляется с использованием электрической дуги под слоем флюса или в среде защитных газов. После формирования ремонтного наплавленного слоя восстанавливаемую поверхность необходимо обработать для получения требуемого размера и шероховатости поверхности. При проектировании технологии обработки следует учитывать то обстоятельство, что наплавленный металл по своему сечению имеет неоднородные физико-механические свойства, химический состав и микроструктуру. Механические свойства наплавленного металла значительно превосходят таковые у нормализованной стали, что приводит к иным уровням скоростей резания [2]. Высокая твердость и прочность поверхностного слоя после наплавки приводит к возникновению высоких сил резания и температуры при обработке, что при отсутствии эффективного теплоотвода приводит к разупрочнению поверхностных слоев [3]. Кроме снижения эксплуатационных свойств поверхностных слоев детали неоднородные физико-механические свойства наплавленного слоя вызывают ускоренный износ и поломку режущего инструмента и крайне негативно влияют на шероховатость обработанной поверхности.
Для обеспечения высокого качества поверхности деталей при различных видах обработки в зону резания подаются смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС), состав которых делают максимально универсальным, чтобы обеспечить уровень
© Николотов А. А. , Курносов Н. Е., 2020.
качества при различных видах и режимах обработки. Это связано с тем, что современное технологическое оборудование способно обрабатывать сложные детали «с одного уста-нова», при этом могут выполняться токарная, фрезерная обработка, резьбонарезание, сверление отверстий и многие другие, на одном рабочем месте осуществляется как черновая, так и окончательная обработка. Если при обработке деталей из нормализованной стали такой подход позволяет получать требуемое качество, то обработка наплавленного металла требует максимального использования всех возможностей СОТС, так как слой наплавленного металла неоднороден по своей структуре и, как правило, имеет более высокие физико-механические характеристики [4]. Для повышения эффективности использования СОТС их состав должен соответствовать выполняемой операции (режиму обработки), что при существующей практике использования СОТС труднореализуемо.
В тяжелых условиях обработки наплавленного материала высокую значимость приобретают такие функциональные свойства СОТС, как смазка и охлаждение. При этом высокие охлаждающие свойства критически важны при черновой обработке, а смазочные - при получистовой или окончательной обработке. Смазочные свойства реализуются за счет использования масел (минеральных, растительных, синтетических), жиров и других соединений, охлаждающие свойства реализуются через конвективный теплообмен с более холодной средой (в большинстве случаев водой) и охлаждение за счет испарения части СОТС. Для повышения эффективности функциональных и эксплуатационных свойств СОТС в их состав добавляют большой перечень различных веществ (присадки с хлором, фосфором, йодом, различные органические соединения и др.), также в их состав входят антибактериальные и антигрибковые присадки, эмульгаторы, препятствующие расслоению эмульсий, и антипенные компоненты для предотвращения избыточной аэрации смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) и др. Большое количество различных присадок, сложность составов ведет к увеличению стоимости СОЖ.
В процессе эксплуатации СОЖ многократно подается в зону резания, где она взаимодействует с инструментом и деталью, концентрация функциональных присадок снижается и происходит деградация СОЖ. Более интенсивно этот процесс идет при наличии в зоне резания остатков защитного флюса, используемого при наплавке. Кроме функциональной деградации СОЖ подвергается негативному воздействию микроорганизмов. Антибактериальные и антигрибковые присадки способны лишь замедлить этот процесс. Для компенсации этих процессов необходимы постоянный контроль за состоянием СОЖ и проведение восстановительных мероприятий, для которых требуется наличие подготовленного персонала и специализированного оборудования. Система циркуляции СОЖ предусматривает многократное ее использование, однако наблюдаются процессы уноса СОЖ со стружкой, разбрызгивания, испарения и т.п., что также ведет к изменению ее состава и расходу.
Отдельной проблемой является утилизация СОЖ. Во-первых, сложный состав СОЖ и наличие в них потенциально опасных веществ требуют специальных методов утилизации, что достаточно затратно. Во-вторых, наличие в стружке значительного количества остатков СОЖ затрудняет ее переработку. Для ремонтных предприятий этот вопрос стоит особенно остро, так как объемы механообработки не позволяют содержать собственные очистные сооружения, поэтому утилизация производится на сторонних предприятиях, что увеличивает издержки на механообработку. Несмотря на жесткие требования к безопасности СОЖ, они все равно являются причиной возникновения заболеваний. Это объясняется тем, что сложные составы СОЖ затрудняют прогнозирование вероятности возникновения опасных для здоровья человека соединений.
С одной стороны, заводы соглашаются на снижение эффективности СОЖ ради ее универсальности, при этом, учитывая ее высокую цену, несут издержки на поддержание
ее в работоспособном состоянии и восполнение ее убыли, а также вынуждены платить за специальные методы ее утилизации. С другой стороны, сложные СОЖ порой непредсказуемым образом влияют на здоровье персонала. Издержки на оплату больничных также ложатся на работодателей.
Одним из вариантов изменения сложившейся ситуации является использование разных (оптимальных) составов СОЖ при различных режимах обработки. Для реализации концепции «оптимального состава СОТС» на различных технологических режимах обработки недостаточно только обеспечить подачу СОТС различного состава в зону резания, но необходимо предусмотреть систему раздельного сбора и рециркуляции СОТС разных составов. Технически реализовать это сложно и достаточно дорого.
Наиболее подходящим для реализации концепции «оптимального состава СОТС» на различных технологических режимах обработки является подача минимально необходимого количества СОТС в виде струи аэрозоля. В этом случае не требуются сбор и рециркуляция СОТС, а формирование их оптимальной композиции происходит в непосредственной близости от зоны резания путем добавления или изменения количества того или иного компонента. Предложенная концепция хорошо вписывается в реалии ремонтных предприятий с их незначительными объемами механообработки и большим ассортиментом ремонтируемых деталей. При этом отпадает необходимость в использовании:
- антибактериальных и антигрибковых присадок, так как СОЖ хранится в виде концентрата, развитие микроорганизмов в котором невозможно;
- эмульгаторов, так как время от момента эмульгации до момента применения не более 2-5 с, эмульсия не успевает расслоиться;
- антипенных компонентов, так как СОЖ готовится и расходуется непрерывно.
Другим аспектом данного способа приготовления и подачи СОЖ является постоянство функциональных свойств, так как средство используется однократно. Количество подаваемых СОЖ не превышает 0,05-0,5 л/ч, что сопоставимо с количеством жидкости, уносимой со стружкой при других методах подачи.
Наиболее значимыми функциональными свойствами СОТС являются смазочные и охлаждающие. Охлаждающие свойства в данном случае реализуются за счет испарения большей части СОЖ (водная составляющая). Так как эффективность теплоотвода при испарении значительно выше, чем у конвекции, минимальные количества СОЖ позволяют обеспечить необходимый тепловой баланс зоны резания. Смазочные свойства реализуются за счет использования масел (минеральных, растительных, синтетических), жиров и других соединений. Для обеспечения необходимой степени смазки достаточно ввести в состав СОЖ 1-2 %. Для снижения уровня риска воздействия СОЖ на человека предлагается использование растительных масел. Имеющийся опыт применения растительных масел на широком спектре операций лезвийной обработки показал их высокую эффективность. В связи с тем, что количество подаваемых в зону резания СОЖ минимально, остаточное содержание СОЖ в стружке не превышает 0,3 %, что позволяет отправлять ее на переработку без дополнительной очистки и снизить издержки небольшого ремонтного предприятия на утилизацию отходов.
Для реализации предложенной концепции «оптимального состава СОТС» при обработке восстановленных методом наплавки деталей в условиях ремонтного предприятия предложено устройство подготовки и подачи аэрозольных СОТС переменного состава. Устройство состоит из источника сжатого воздуха, трубопроводов и емкостей с водной (вода) и масляной составляющей СОЖ (растительное масло). Для повышения качества обработки также необходимо предусмотреть третью емкость с концентрированным раствором присадок, характерных для обработки конкретной группы материалов. Работа
предлагаемого устройства осуществляется следующим образом: на основе информации о виде обработки, материале, режимах резания и других параметрах производится подбор оптимального состава СОЖ. После этого происходит пропорциональное изменение количества эжектируемых компонентов СОЖ, что ведет к изменению ее состава. Например, при черновой обработке происходит значительное тепловыделение, а параметры шероховатости обработанной поверхности не имеют решающего значения. СОЖ в этом случае должна состоять из воды с минимальным добавлением масла. При переходе к чистовой обработке тепловыделение значительно снижается и определяющим критерием становится качество обработки, для этого режима состав СОЖ меняется: количество масляного компонента увеличивается, а водного уменьшается.
Проведенный анализ научно-технической, патентной и маркетинговой информации показал, что предлагаемое устройство непрерывной подачи оптимальной композиции аэрозольных СОТС для обработки восстановленных методом наплавки деталей обладает рядом новых отличительных свойств:
- обеспечиваются эжекция в смесительную камеру компонентов СОТС, их перемешивание, эмульгирование и мелкодисперсное распыление полученного состава;
- процесс приготовления, изменения состава и подачи композиции СОТС является непрерывным в рамках одного газодинамического процесса. Для обеспечения этого процесса необходима подача воздуха с давлением до 0,5 МПа;
- минимальные габариты являются определяющим фактором для успешного использования, так как при аэрозольном методе подачи СОТС большое значение имеет расстояние от среза сопла до охлаждаемой зоны;
- есть система управления составом композиции СОТС, которая в непрерывном режиме по команде системы ЧПУ станка изменяет количественное соотношение компонентов СОТС для их наиболее эффективного использования при изменившихся режимах обработки.
Обработка восстановленных методом электродуговой наплавки под слоем флюса деталей из стали 45 показала высокую эффективность предложенного метода охлаждения и смазки. Интенсификация охлаждения и смазки зоны резания позволила сократить время обработки за счет увеличения режимов обработки при сохранении параметров шероховатости обработанной поверхности. Кроме того, использование аэрозольных СОТС переменного состава дает возможность получать на 9-11 % большие значения микротвердости чем при охлаждении поливом и на 13-16 % большие по сравнению с сухим резанием [3].
Применение устройства непрерывной подачи оптимальной композиции аэрозольных СОТС при обработке восстановленных методом наплавки деталей в условиях ремонтного предприятия перспективно, так как не только обеспечивает получение требуемого качества обработанной поверхности, но и позволяет снизить издержки на механическую отработку.
Библиографический список
1. Восстановление деталей машин (Состояние и перспективы). - Москва : Росинформагро-тех, 2010. - 376 с.
2. Восстановление деталей машин : справочник / Ф. И. Пантелеенко, В. П. Лялякин,
B. П. Иванов, В. М. Константинов ; под ред. В. П. Иванова. - Москва : Машиностроение, 2003. - 672 с.
3. Курносов, Н. Е. Повышение качества поверхностного слоя при обработке восстановленных деталей транспортных машин / Н. Е. Курносов, Ю. А. Захаров, А. А. Николотов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2019. - № 4 (52). -
C. 112-120.
4. Картамышев, А. Ю. Повышение работоспособности лезвийного инструмента при обработке деталей, восстановленных и упрочненных методами электроконтактных технологий : дис. ... канд. техн. наук: 05.02.07 / Картамышев А. Ю. - Москва, 2011. - 148 с.
Николотов Андрей Александрович, старший преподаватель, кафедра транспортных машин, Пензенский государственный университет. E-mail: [email protected]
Курносов Николай Ефимович, доктор технических наук, профессор, кафедра транспортных машин, Пензенский государственный университет. E-mail: [email protected]
Образец цитирования:
Николотов, А. А. Применение аэрозольных смазочно-охлаждающих технологических средств переменного состава при механической обработке восстановленных деталей транспортных средств / А. А. Николотов, Н. Е. Курносов // Вестник Пензенского государственного университета. - 2020. - № 3 (31). - С. 141-145.
