CC BY
54
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
УДК 621.9
Влияние активированных полимерсодержащих СОТС при обработке металлов резанием
Д. С. Репин, В. Н. Латышев, А. Г. Наумов
Одним из важных направлений повышения работоспособности режущих инструментов и совершенствования процессов обработки металлов резанием является широкое применение смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). Интенсификация процессов механической обработки металлов и внедрение высокопроизводительного оборудования, автоматизированных процессов приводят к тому, что обработка металлов резанием зачастую становится затруднительной без применения эффективных СОТС. В связи с разнообразием требований, предъявляемых к указанным СОТС, в них вводят компоненты различного функционального действия. По мнению многих авторов [1, 2], применение в качестве присадок высокомолекулярных соединений способствует улучшению смазочных свойств СОТС. Данный вид присадок эффективен благодаря глубокому и многостороннему воздействию на физико-химические и механические процессы и явления, происходящие в зоне резания [3].
Установлено, что процесс образования химически активных компонентов смазочой среды (атомов, ионов, реакционных элементов — свободных радикалов, ион-радикалов) можно интенсифицировать различными внешними энергетическими воздействиями на технологическое средство. Компоненты СОТС, подвергнутые предварительной активации, получают дополнительную энергию и переходят в мета-стабильное состояние. Указанное состояние характеризуется ослаблением или частичным нарушением внутримолекулярных связей, то есть стимулируется деструкция СОТС с образованием активных атомов, радикалов и групп [4]. Именно эти активные элементы образуют в зоне контакта пленки, которые, в свою очередь, экранируют адгезионное взаимодействие поверхностей инструмента и обрабатываемого материала [5].
Высокая эффективность и универсальность действия полимерных СОТС обусловлена наличием в их составе растворенных или диспергированных присадок высокомолекулярных соединений. Данные присадки проходят
стадии преобразований — процесс термоме-ханодеструкции и возможное образование новых химических соединений в контактной зоне резца и стружки. Аналогичный результат имеет место и в процессе физической активации.
Известно, что в ходе химических превращений полимера образуются соединения высокой химической активности. Данные соединения, хотя и не дают сразу конечных продуктов, но участвуют в различных процессах переходного характера не только в полимерной системе, но и на ювенильных металлических поверхностях. Все это в конечном итоге приводит к образованию и накоплению в зоне обработки различных химически активных продуктов. Отметим, что, согласно [6], на процесс образования радикалов влияет присутствие ионизирующего излучения или присутствие заряженных частиц в компонентах СОТС. При соответствующих условиях (температуре, каталитическом действии ювениль-ных поверхностей металлов) наличие ионизирующего излучения может быть мощным генератором свободных радикалов. Так, в качестве усиления смазочного химического действия полимерсодержащих СОТС можно при-менить физический метод активации, а именно активацию коронным разрядом. В данной работе для изучения влияния коронного разряда на действие СОТС с присадками полимеров на процесс обработки металлов резанием были взяты полиэтиленгликоль и поливиниловый спирт (см. таблицу).
В качестве смазочно-охлаждающей технологической среды (базового СОТС) использовался 5 %-й раствор «Эфтол» (ТУ 0258-13705744685-00). Эффективность воздействия активированных СОТС с присадками полимеров на процессы лезвийной обработки изучалась при точении стали 45 упорнопроходны-ми резцами из быстрорежущей стали Р6М5. Были проведены исследования по определению стойкостных показателей режущих инструментов при введении в зону резания активированных и неактивированных СОТС,
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
Физико-химические свойства используемых полимеров [7]
Характеристика Полиэтиленгликоль Поливиниловый спирт
Химическая формула Молекулярная масса Плотность, г/см3 Температура деструкции, °С НО—(—СЫ2СН2О—)п—Ы 1000 1,12-1,21 245 [—СН2СН(ОН)—]п 8000 1,25 230
содержащих присадки высокомолекулярных соединений. При проведении экспериментов через равные промежутки времени измерялся износ по задней поверхности. За критерий износа была принята величина фаски износа по задней поверхности, равная 0,6 мм. Как показывают результаты исследований (рис. 1), активированные СОТС, имеющие в своем составе указанные присадки, более эффективны, чем неактивированные.
Было установлено, что на эффективность данных СОТС влияет как знак на корониру-ющем электроде, так и используемый полимер. Максимальная износостойкость резцов наблюдалась при наличии отрицательного знака на коронирующем электроде и применении в качестве присадки поливинилового спирта. При положительном знаке на электроде износостойкость увеличивалась, но незначительно.
Немаловажным критерием для сравнительной оценки различных факторов, оказывающих непосредственное влияние на характер
процесса резания, является шероховатость обработанной поверхности. При условии сохранения постоянных геометрических параметров режущего инструмента, режимов резания, обрабатываемого материала и всех других условий проведения эксперимента по изменению шероховатости поверхности можно судить об эффективности действия того или иного СОТС. С этой целью были проведены измерения шероховатости поверхности стали 45 после точения с различными скоростями резания, выбранными согласно [8]. Наибольшее влияние СОТС проявляется в зоне сравнительно невысоких и средних скоростей резания (рис. 2). С увеличением скорости резания влияние СОТС на уменьшение шероховатости обработанной поверхности снижается, хотя и не исчезает полностью.
Экспериментальные данные, полученные в настоящей работе, свидетельствуют о том, что процессы окисления и химического взаимодействия происходят с образованием промежуточных элементов, свободных атомов
2200 2000 1800 1600
0 1400
| 1200
^
§ 1000
а
1 800 600 400 200
0
1
2
3 4
5 6
7
8
6
5
С 4 о Ё в
о
о 3
н
г &
Ё32-
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 СОТС
9 10 СОТС
Рис. 1. Стойкость упорнопроходных резцов из быстрорежущей стали Р6М5 при точении стали 45 под действием коронного разряда различного знака на по-лимерсодержащие СОТС (скорость резания V = 1,1 м/с; подача в = 0,1 мм/об; глубина резания t = 0,5 мм): 1 — всухую; 2 — «Эфтол»; 3 — «Эфтол» (+); 4 — «Эфтол» (—); 5 — «Эфтол» + поливиниловый спирт (ПВС); 6 — «Эфтол» + + полиэтиленгликоль (ПЭГ); 7 — «Эфтол» + ПВС(+); 8 — «Эфтол» + ПВС(-); 9 — «Эфтол» + ПЭГ(-); 10 — «Эфтол»+ ПЭГ(+). В скобках указан знак заряда
Рис. 2. Влияние активированного и неактивированного полимерсодержащего СОТС на шероховатость поверхности стали 45 при использовании упорнопроход-ных резцов из быстрорежущей стали Р6М5 в зависимости от скорости (в = 0,1 мм/об; t = 0,5 мм): 1 — всухую; 2 — «Эфтол»; 3 — «Эфтол»+ ПЭГ; 4 — «Эфтол» + + ПВС; 5 — «Эфтол»(—); 6 — «Эфтол»+ ПЭГ(-); 7 — «Эфтол» + + ПЭГ(-); 8 — «Эфтол»(+); 9 — «Эфтол»+ ПЭГ(+); 10 — «Эфтол» + ПВС(+); □ — 30 м/мин; Н — 45 м/мин; [3 — 60 м/мин. В скобках указан знак заряда
0
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
и радикалов. Максимальной способностью к генерации свободных атомов и радикалов обладают вещества, характеризующиеся непрочной связью между атомами в молекуле, в данном случае это полимеры, имеющие в своем строении боковые цепи. Не исключена вероятность разрушения и главной цепи полимера. Полученные положительные результаты влияния активированного СОТС с полимерными присадками на стойкость токарных резцов также можно объяснить особенностью механизма резания под действием адсорбционной полимерной пленки, образующейся при резании металлов с полимерсо-держащим СОТС, и характером деформации, проходящей в металле.
В СОТС под действием коронного разряда указанные выше присадки разрушаются с образованием функциональных групп, например ОН, СООН и др. В свою очередь, образовавшиеся функциональные группы теряют электрон и становятся активными радикалами. Разрушение нейтральных молекул внешней среды на атомы и радикалы осуществляется в результате взаимодействия нейтральных молекул с электронами или иными энергетическими частицами. Очевидно, что энергия связи между атомами в молекуле меньше, чем энергия, образующаяся при коронном разряде. Следовательно, происходит разрушение молекулы полимера с последующим образованием активных радикалов. Кроме того, активация может способствовать образованию значительного количества гидроксильных радикалов, что в результате их взаимодействия между собой может привести к образованию, например, перекиси водорода, положительный эффект которой в процессах резания обусловлен способностью выделять активный кислород.
Согласно теории радикально-цепного механизма, образование оксидных соединений, выполняющих роль смазочных разделительных слоев, можно объяснить следующим образом. Известно, что химические реакции на поверхности твердого тела (в данном случае стружки и резца) осуществляются возбужденными частицами, ионами, свободными атомами и радикалами, а не нейтральными молекулами [5]. Обычный двухатомный газ, например кислород, является инертным в химическом отношении, и лишь термическая диссоциация, электронный удар, световое облучение или электрический разряд переводят его в атомарное состояние. Таким образом, эффективность смазочного действия кислорода зависит от его состояния в зоне резания: молекулярного, атомарного или радикального.
Как показали исследования В. Н. Латышева, в составе продуктов пиролиза органических веществ (эмульсий, масел, поверхностно-активных веществ) также содержится большое количество свободных радикалов. Высокая эффективность СОТС, содержащих окислительные вещества (перекиси, органические гидроокиси), при резании металлов указывает на то, что химическая смазка осуществляется не нейтральными молекулами, а реакционно-активными частицами — свободными атомами и радикалами, в данном случае — радикалами гидроксила и карбоксила.
Образование химических радикалов может происходить как естественным, так и принудительным путем. Общие закономерности процессов принудительного и естественного образования радикалов практически не отличаются [9].
Полученные в ходе эксперимента данные являются еще одним подтверждением теории радикально-цепного механизма смазочного действия внешних сред при резании металлов. Анализ результатов показал, что при лезвийной обработке активированные поли-мерсодержащие СОТС позволяют существенно повысить стойкость режущего инструмента, уменьшить шероховатость обработанной поверхности и, соответственно, уменьшить энергетические затраты на процесс механической обработки.
Литература
1. Подзолков А. И., Дубовик Ю. А., Бабенко Д. А.
Влияние полимерсодержащих смазывающе-охлажда-ющих технологических средств на эффективность резания металлов / / Вестник Харьковск. национальн. техн. ун-та. 2007. № 3(29). С. 184-189.
2. Сошко А. И. Механическая обработка металлов // Полимеры в технологических процессах обработки металлов. Киев: Наук. думка, 1977. С. 7-15.
3. Косаченко М. В., Раздьяконова Г. И. Роль композиционных материалов в смазочно-охлаждающих жидкостях для металлообработки // Nano news net: Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.nanonewsnet. ru /blog / empirv/rol-kompozitsionnykh-materialov-v-sma-zochno-okhlazhdayushchikh-zhidkostyakh-dlya-metallo.
4. Латышев В. Н., Наумов А. Г., Раднюк В. С. и др. Экспериментальные исследования трибологических явлений при резании материалов / / Трение и износ. 2010. Т. 31,№ 5. С. 500-510.
5. Латышев В. Н. Повышение эффективности СОЖ. М.: Машиностроение, 1985. 64 с.
6. Латышев В. Н., Наумов А. Г. Активация СОТС // Смазочно-охлаждающие технологические срества: Справочник / Под общ. ред. Л. В. Худобина. М.: Машиностроение, 2006. 543 с.
