Материаловед

Анализ известных исследований показывает, что влияние смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) на процесс резания металлов заключается в снижении пластической деформации обрабатываемого материала, уменьшении сил и мощности резания, повышении качества обработанной поверхности (изменении микро- и макрогеометрических, а также физико-механических характеристик), уменьшении износа режущего инструмента, повышении его стойкости и, как следствие, в увеличении производительности обработки.

Смазывающе-охлаждающая технологическая среда должна соответствовать санитарно-гигиеническим нормам (нетоксичности, антикоррозийности, стабильности, бактерицидности и гигиеничности). При этом обычно жесткие требования предъявляются к эксплуатационным характеристикам СОТС: она не должна разрушать окраску оборудования, эмульгировать смазочные и гидравлические масла, вызывать заедание трущихся деталей станка, разрушать изоляцию электропроводки, интенсивно испаряться. Кроме того, СОТС должна быть пожаро- и взрывобезопасна.

Использование СОТС с отклонениями от указанных выше требований, связанных со спецификой производства, предполагает разработку специальных мероприятий по защите обслуживающего персонала и оборудования от вредных действий СОТС.

Современные представления о механизме действия СОТС, способствующих интенсификации процесса резания металлов, базируются на работах П. А. Ребиндера, объяснившего эффект адсорбционного понижения прочности металлов в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Исследованиями П. А. Ребиндера [99] доказано, что влияние СОТС обусловлено ее адсорбционным воздействием непосредственно на ювенильную поверхность деформируемого металла. Действие адсорбции состоит прежде всего в том, что ПАВ, понижая поверхностную энергию металла, способствует зарождению пластических сдвигов и развитию дефектов при значительно меньших напряжениях. Этому воздействию подвергаются прежде всего дефекты структуры реального твердого тела, непрерывно развивающиеся в процессе упругой и пластической деформации с образованием новых дефектов.

По данным П. А. Ребиндера, поверхностные дефекты представляют собой микроскопические и субмикроскопиче­ские трещины и щели клиновидного сечения, в которых свободная поверхностная энергия возрастает от нуля (в наиболее узкой части щели) до максимального нормального значения на поверхности тела. Наличие микротрещин в поверхностном слое приводит к снижению прочностных характеристик изделия, существенно отличающихся от теоретических значений. Положительная роль микротрещин заключается в том, что проникшая в них ПАВ способствует снижению усилий деформации.

Установлено, что адсорбция молекул ПАВ на поверхности изделия осуществляется в виде мономолекулярного слоя. Движущей силой втягивания адсорбционных слоев в микротрещины является вызываемое их проникновением понижение поверхностной энергии или двумерное давление, представляющее собой разность между удельной свободной энергией поверхности в вакууме и удельной свободной энергией поверхности, покрытой адсорбционным слоем со степенью насыщения. Процессу непрерывного разрыхления деформируемой поверхности способствует не только проникающее действие адсорбирующихся веществ, но и торможение самопроизвольного смыкания трещин, т. е. расклинивающее действие.

Установлено, что при контакте двух металлов (например, зерна магнитно-абразивного материала и изделия), резко отличающихся твердостью, адсорбционно-пластифицнрованный слой сосредоточивается в более мягком металле. Следовательно, применение СОТС с активными компонентами позволяет управлять граничными условиями, направляя сдвиговые деформации в тонком слое адсорбционно-пластифицированного металла. В данном случае при отделении стружки пластическая деформация не распространяется в глубь металла, а локализуется в тонком поверхностном слое. Металл охрупчивается, а затраты энергии на пластическое деформирование резко сокращаются.

Поверхностно-активные вещества адсорбируются и достигают концентрации насыщения первоначально на верши­нах микронеровностей. В результате этого процесс разрушения микровыступов протекает наиболее интенсивно. Эффективность ПАВ снижается при переходе от шероховатой поверхности с развитым микрорельефом к более выглаженной.

Известно, что эффект адсорбционного действия ПАВ существенно зависит от вида механической операции и достигает наибольшего значения при минимальной глубине срезаемого слоя. Указанные эффекты весьма значительны при магнитно-абразивной обработке, обеспечивающей тонкое диспергирование металла и свободный доступ СОТС в зону микрорезания.

Из теории структурной приспосабливаемости металлов, разработанной В.И. Костецким [99] , известно, что при нагружении в тонких поверхностных слоях протекает пластическая деформация, ориентированная относительно направления перемещения твердых тел. В результате указанного явления поверхностный слой изменяет свои свойства и переходит в активированное состояние, а контактирование этого слоя с внешней средой путем адсорбционного, диффузионного или химического взаимодействий способствует его переходу из термодинамически неустойчивого состояния в пассивное. Описанные изменения в поверхностных слоях приводят к образованию новой фазы (вторичных структур), которая является объектом разрушения. По данным П.И. Ящерицына [121], при чистовых и особенно финишных операциях наряду с микрорезанием имеет место явление, подчиняющееся законам нормального трения. При шлифовании доля режущих зерен в процессе диспергирова­ния составляет 15—17%, а давящих и выглаживающих — 83—85%, т. е. наблюдается явление структурной приспосабливаемости.

Установлено, что, варьируя характеристиками среды, можно управлять уровнем износа трущихся тел (механической обработкой металлов).

Анализ описанных теорий показывает, что состав СОТС и концентрация в них ПАВ — наиболее важные регуляторы диспергирования металла. При этом магнитно-абразинная обработка сталей и чугуна по съему металла характеризуется концентрацией ПАВ в СОТС, а при магнитно-абразивной обработке цветных металлов имеет место явление структурной приспосабливаемости, отрицательно влияющее на процесс микрорезания.

Механизм моющего действия СОТС при обработке металлов резанием заключается в интенсивности вымывания из зоны обработки продуктов диспергирования металла и изношенных частиц абразивного инструмента. Анализ априорной информации показывает, что до настоящего времени влияние моющего действия СОТС на процесс обработки изучалось недостаточно. Это объясняется тем, что при обработке лезвийным и традиционным абразивным инструментами затруднений в удалении из зоны резания шлама не существует. Вопрос о моющем действии СОТС возник наиболее остро при магнитно-абразивной обработке изделий из ферромагнитного материала в постоянном магнитном поле.

Загрязнение поверхности и образование пленок шлама при рассматриваемом методе происходит из-за того, что намагниченная деталь удерживает на обрабатываемой поверхности продукты диспергированного металла (стружку) и частицы разрушенного порошка. Кроме того, при использовании в качестве СОТС эмульсий происходит фильтрация (расслоение) и масляная составляющая остается в зоне обработки, увеличивая вязкость пленки, цементируя частицы магнитно-абразивного порошка и шлама. Адсорбированный на межфазной поверхности раздела слой СОТС содержит ориентированные относительно этой поверхности молекулы и коллоидные частицы, а поэтому оценить моющую способность СОТС при магнитно-абразивной обработке возможно только, учитывая комплексное действие физико-химических факторов, характеризующих ее поверхностную активность, смачиваемость, пенообразование и другие параметры.

Таким образом, смазочно-охлаждающие технологические жидкости выполняют в различных процессах обработки металлов резанием разнообразные функции. При изучении явлений, связанных с воздействием СОТС на поверхностный слой металлов, были сделаны следующие выводы [54, 121]:

— СОТС в процессе резания производит смазочное, диспергирующее, моющее, охлаждающее действие;

— в процессе резания образуются физические и химические пленки, снижающие адгезию между режущим инструментом и стружкой;

— важную роль при шлифовании металлов имеет моющее действие СОТС.

При резании лезвийными инструментами применение СОТС диктуется в большинстве случаев необходимостью увеличения стойкости режущего инструмента. СОТС в этом случае должна обладать хорошей теплопроводностью – для интенсификации теплоотвода из зоны резания и хорошими смазочными свойствами – для уменьшения трения на передних и задних поверхностях режущего клина.

Смазочные свойства жидкости в абразивных процессах необходимы для уменьшения тепловыделения в результате трения и пластической деформации в зоне контакта инструмента с деталью. Особую роль в абразивных процессах приобретают моющие свойства СОТС, позволяющие уменьшить или полностью предотвратить «засаливание» режущей поверхности абразивного инструмента металлом, снимаемым с детали.

Ю.М. Барон [14, 16] отмечает, что в отделочных процессах производительность съема металла в значительной степени зависит от таких свойств жидкости, как ее химическая и  поверхностная адсорбционная активность по отношению к обрабатываемому металлу. В случае химически активной жидкости съем металла увеличивается благодаря облегчению удаления образующихся на поверхности химических пленок, обладающих меньшей по сравнению с основным металлом механической прочностью. В присутствии поверхностно-активных жидкостей (например, содержащих жирные кислоты или их соли) за счет адсорбции молекул поверхностно-активных веществ на обрабатываемой поверхности поверхностная энергия последней снижается и соответственно снижается работа, потребная на диспергирование и пластическое деформирование поверхностного слоя [16]. Соответственно уменьшается и тепловыделение в зоне резания. Эффективность действия ПАВ возрастает при уменьшении глубины резания и наиболее сильно проявляется у металлов с крупнокристаллическим строением. На шероховатых поверхностях молекулы ПАВ первоначально адсорбируются и достигают концентрации насыщения на вершинах микронеровностей [14, 100]. Последнее является одной из причин первоочередного разрушения выступов микронеровностей при тонких абразивных методах обработки. По мере снижения шероховатости обрабатываемой поверхности эффективность действия ПАВ снижается.

СОТС с хорошими моющими свойствами предотвращают налипание стружки на рабочую поверхность инструмента и забивание пор инструмента шламом. Тем самым поддерживается высокая режущая способность абразивного инструмента при обработке пластичных материалов. Улучшение шероховатости поверхности, обработанной в присутствии СОТС, объясняется уменьшением интенсивности трения и образования задиров и надрывов в присутствии смазки, а также пластифицирующим действием поверхностно-активных компонентов СОТС и увеличением при этом доли пластического выглаживания обрабатываемой поверхности.

Таковы известные представления о роли СОТС в абразивных способах обработки. Многие из этих положений справедливы для способов отделки в среде свободных абразивов, в том числе для магнитно-абразивного полирования. Вместе с тем применение смазочно-охлаждающих жидкостей при МАП имеет свои особенности. Температуры, возникающие во время МАП на обрабатываемой поверхности и в приповерхностном слое, имеют небольшие значения. В связи с этим отпадает необходимость в охлаждении зоны резания из соображений сохранения как физико-механических свойств обрабатываемого материала у поверхности, так и режущих свойств порошковой массы.

Ю.М. Бароном [14] были сделаны выводы, что при МАП сталей увеличение теплопроводности среды при охлаждении водопроводной водой по сравнению с обработкой на воздухе практически не повлияло на интенсивность полирования. Зато резко проявились химические, поверхностно-активные и вязкие свойства охлаждающих сред

Состав СОТС может существенно влиять на кинематику зерен порошка в рабочих зазорах и посредством этого – на производительность процесса и стойкости порции порошка. Вязкие СОТС препятствуют перемещениям зерен и самозатачиванию абразивного компонента. Отсутствие перемешивания абразивной массы приводит к быстрому снижению интенсивности резания.

Состав СОТС изменяет условия разрушения и пластического деформирования обрабатываемой поверхности и влияет на формирование физико-механических свойств и структуры приповерхностного слоя. Правильный подбор СОТС позволяет избежать появления в процессе МАП структурно измененного слоя на поверхности цветных металлов и сплавов, который служит причиной преждевременной пассивации процесса полирования.

Рекомендации по выбору СОТС для МАП, предложенные Н.Я. Скворчевским [103], представлены в табл. 1.1.

Поверхностно-активные вещества, адсорбируясь на поверхности металла, снижают его поверхностную энергию, уменьшают величину работы, необходимой на разрушение поверхностного слоя, облегчая тем самым условия микрорезания и пластического деформирования поверхности детали. Наличие в поверхностном слое, в пределах которого происходит резание, многочисленных дефектов в виде микротрещин, искажений микроструктуры и кристаллической решетки также способствует повышению эффективности действия поверхностно-активных охлаждающих жидкостей.

Таблица 1.1. Составы СОТС, рекомендуемые для магнитно-абразивного полирования разных металлов [103]

Обрабатываемый металл	Состав СОТС
Сталь углеродистая конструкционная, легированная	Состав 1 Триэтаноламин – 1%; олеиновая кислота – 0,5%; керосин – 1,5%; остальное – вода Состав 2 Аквол-10 — 1÷1,5%; остальное — вода
Чугун серый, высокопрочный, ковкий	Состав 1 Триэтаноламин – 0,25%; олеиновая кислота – 0,5%; мылонафт – 0,6 %; эмульгатор ОП-7 – 0,6%; тринатрий-фосфат – 0,35%; нитрит натрия – 0,35%; остальное — вода
Медь, бронза, латунь, алюминиевые сплавы	Состав 1 Триэтаноламин – 1%; олеиновая кислота – 0,25%; глицерин – 0,25%; остальное – вода Состав 2 Аквол-10 – 1,5÷2,5%; остальное — вода

Ю.М. Барон предполагает, что электрическая заряженность обрабатываемой поверхности, возникающая при вращении электропроводной детали между полюсами электромагнита, может способствовать более заметному проявлению адсорбционного эффекта при резании и пластическом деформировании поверхностного слоя детали [16].

Многими исследователями влияния поверхностно-активных жидкостей на процессы разрушения отмечается, что для проявления адсорбционных эффектов достаточно очень небольшого количества поверхностно-активного вещества.

Влияние химически активных добавок объясняется тем, что глубина резания соизмерима с толщиной образующихся на поверхности деталей химических пленок. В удалении этих пленок из-за их малой механической прочности принимают участие не только острые режущие кромки зерен, но и участки поверхности абразива с неблагоприятной геометрией или пониженной твердостью. Электрически заряженная поверхность детали, вращающейся в магнитном поле, и э.д.с., возникающие в электропроводных зонах ферромагнитного порошка, способствуют ионизации охлаждающей жидкости и интенсифицируют протекание химических процессов. Именно химической природой полирования объясняется факт улучшения шероховатости поверхности детали и съем металла при обработке закаленной стали порошком чистого железа.

При магнитно-абразивном полировании без охлаждающей жидкости Ю.М. Барон отмечает эффект так называемого наращивания. Проявляется это явление в виде потемнения полируемой поверхности. Наиболее вероятной причиной появления нарощенного слоя является адгезия молекул и атомов материала ферромагнитного порошка на возникающих при полировании ювенильных участках обрабатываемой поверхности и последующая их диффузия внутрь материала детали. Смазочно-охлаждающие технологические среды в зоне резания препятствуют адгезии контактирующих материалов за счет быстрого образования пленок на ювенильных участках поверхности детали [16].

Таким образом, для осуществления интенсивного съема и снижения шероховатости обрабатываемой поверхности процесс магнитно-абразивного полирования должен осуществляться при наличии в зоне резания смазочно-охлаждающих технологических сред, обладающих химической активностью к материалу детали и содержащей поверхностно-активные вещества. Конкретные рекомендации по применению СОТС для различных материалов и схем обработки требуют дальнейших исследований.