СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩАЯ ЖИДКОСТЬ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2009 года по МПК C10M173/00 C10M129/56 C10M129/08 C10N40/22 

Изобретение относится к области металлообработки и может быть использовано в машиностроения для смазки и охлаждения режущего инструмента при обработке металлов резанием.

Существующие смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) без присадок состоят из эмульсола и воды. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием: Справочник / Под ред. С.Г.Энтелиса, Э.М.Берлинера. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1995, - с.251; 2. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Справочник. / Под ред. Школьникова В.М. - М.: Химия, 1989, с.356). Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием позволяют снизить интенсивность износа и повысить работоспособность режущих инструментов за счет образования смазочных пленок на поверхности режущего инструмента и обрабатываемого материала, однако эффективность их недостаточна высока.

В качестве прототипа принята смазочно-охлаждающая жидкость [а.с. 1227657 А1 Россия С10М 173/00], мас.%: эмульсол на основе нефтяных масел, триэтаноламина 0,3-5,0; трихлоруксусная кислота 0,2-5,0; вода - остальное. Указанную СОЖ рекомендовано использовать путем подачи в зону резания методом полива при точении стали 45 с такими режимами резания: глубина резания 4 мм, подача 0,8 мм, скорость резания 200 м/мин. Однако при использовании высокопроизводительного оборудования (обрабатывающих центров) в новых производственных условиях данная охлаждающая жидкость не обеспечивает получение заданной шероховатости при увеличении скорости резания. При увеличении скорости резания повышение температуры может привести к испарению уксусной кислоты, что, в свою очередь, приведет к коррозии деталей и оборудования, а также к ухудшению санитарно-гигиенических условий труда и возможному заболеванию верхних дыхательных путей.

Техническая задача, решаемая изобретением, - снижение шероховатости обработанной поверхности, увеличение производительности обработки резанием за счет увеличения скорости обработки металлов без снижения качества, увеличение термостабильности за счет исключения из состава легколетучих веществ, а следовательно, улучшения санитарно-гигиенических условий труда.

Поставленная задача решается применением смазочно-охлаждающей жидкости для механической обработки металлов, содержащей эмульсол на основе нефтяных масел (Укринол-1М), воду и присадку. Смазочно-охлаждающая жидкость отличается от известной тем, что в качестве присадки используется натриевое мыло жирных кислот растительного масла и этиленгликоль - 1-3. Данная композиция содержит эмульсол на основе нефтяных масел (Укринол-1М) - 3,0-10,0; натриевое мыло жирных кислот растительного масла - 0,3-2,5; этиленгликоль 1-3; вода - остальное.

Предлагаемая СОЖ имеет низкую вязкость, довольно высокую плотность за счет введения в состав СОЖ натриевых мыл жирных кислот растительных масел и этиленгликоля, хорошие низкотемпературные свойства, т.к. температура замерзания -40°С, не содержит отравляющих веществ при термическом воздействии во время обработки металлов резанием, не вызывает коррозии деталей и оборудования. Жидкость устойчива к микробиологическому поражению и не вызывает заболеваний кожных покровов и верхних дыхательных путей. Используя метод охлаждения и смазывания зоны резания распыленной жидкостью, которая, попадая на поверхность контакта не в обычном состоянии, а в виде паров и отдельных частиц - молекул, радикалов, входящих в состав СОЖ, усиливает моющее действие благодаря улучшению смачиваемости твердой поверхности за счет действия ПАВ (натриевых мыл жирных кислот), а также интенсифицирование смазочного действия. Применение предлагаемой СОЖ обеспечивает шероховатость поверхности соответствующему 7-9 классу чистоты и стойкость инструмента на достаточно высоком уровне.

Фиг.1 - графическое изображение матрицы проведения эксперимента.

Фиг.2 - объемный график зависимости шероховатости поверхности от состава смазочно-охлаждающей жидкости.

Фиг.3 - линии торов зависимости шероховатости обрабатываемой поверхности от состава смазочно-охлаждающей жидкости.

Экспериментальные исследования осуществляли на многофункциональном модуле типа «MAZAK». СОЖ подавали под давлением 2-3 МПа через сопло диаметром 0,2-0,5 мм. В качестве обрабатываемого материала использовали, стали 40Х13М и 45. Применяли резцы со сменными многогранными пластинками из твердого сплава Т14К8, Т14К8Al₂O₃, CoroMill-290. Режимы резания в диапазоне: скорости резания 250 м/мин для всех заготовок; подача 0,32 мм/об, глубина резания 2,7 мм.

Для проведения сравнительных испытаний были приготовлены опытные составы СОЖ, которые представлены в таблице 4.

Составы СОЖ готовят смешиванием компонентов в дистиллированной воде до однородного состояния.

Полученный раствор проверяют на pH, который не должен превышать 10.

Осуществлены испытания по оценке стабильности жидкости - отсутствие отстаивания, отсутствие выделения масла в течение 48 часов.

Для получения оптимального состава смазочно-охлаждающей жидкости нами применялся метод планирования эксперимента, в частности метод симплексных решеток.

При изучении свойств смеси, зависящих только от соотношений компонентов, факторное пространство представляет собой правильный (q-1)-мерный симплекс.

Для систем выполняется соотношение

где х_i≥0 - концентрация компонента; q - количество компонентов.

При q=3 правильный симплекс - равносторонний треугольник. Каждая точка треугольника отвечает одному отдельному составу тройной системы, и наоборот, каждый состав представляется одной определенной точкой. Вершины треугольника соответствуют чистым веществам, стороны - двойным системам.

При планировании эксперимента для решения задач на диаграммах состав-свойство предполагается, что изучаемое свойство является непрерывной функцией аргументов и может быть с достаточной точностью представлено полиномом. Использование методов планирования эксперимента позволяет значительно сократить объем эксперимента при изучении многокомпонентных систем, отпадает необходимость в пространственном представлении сложных поверхностей, так как свойства можно определять из уравнений. При этом сохраняется возможность графической интерпретации результатов.

В настоящее время наибольшее применение получили симплекс-решетчатые планы Шеффе, с помощью которых и была построена матрица планирования экспериментов в данной работе (для полинома третьего порядка). Эти планы обеспечивают равномерный разброс экспериментальных точек по (q-1)-мерному симплексу (Фиг.1):

Выбор сочетания компонентного состава СОЖ, обоснование количества дозировок компонентов, проводили с использованием математического планирования эксперимента по ортогональным латинским прямоугольникам на симплексе.

Варьированию по трем уровням подвергали основные компоненты состава СОЖ: Эмульсол на основе нефтяных масел (Укринол-1М); натриевое мыло жирных кислот растительного масла и этиленгликоль.

Уровни варьирования основных факторов эксперимента приведены в таблице 1.

Таблица 1
Уровни варьирования компонентовОбозначениеИсследуемые факторыУровни факторов01/32/31Z₁, %Эмульсол на основе нефтяных масел (Укринол- 1М)3,05,37,710,0Z₂, %Натриевое мыло жирных кислот растительного масла0,31,01,72,5Z₃, %Этиленгликоль1,01,72,33,0

План эксперимента на основе матрицы трехфакторного эксперимента на трех уровнях включает 11 опытов. Матрица эксперимента представлена в таблице 2.

Таблица 2
Матрица проведения эксперимента и результаты функций отклика№ опытаМатрица планирования в кодированных значенияхМатрица планирования в натуральных значениях, %Функция откликаX₁Х₂Х₃Z₁Z₂Z₃R_a, мкм10003,00,31,01,98210010,00,31,01,4830103,02,51,01,3240013,00,33,01,6451/32/305,31,01,00,8261/302/35,31,02,31,5072/31/307,71,71,00,7182/301/37,71,71,71,59901/32/33,00,32,31,241002/31/33,00,31,70,89111/31/31/35,31,01,70,32

Шероховатость поверхности:

R_a, мкм=1,4771·Х₁+1,3086·Х₂+1,6543·Х₃-2,8254·Х₁·Х₂-0,0932·Х₁·Х₃-1,8739·Х₂·Х₃-16,9425·X₁·X₂·X₃

Графическое решение полученной функции представлено на Фиг.2 и Фиг.3. Оптимальные значения состава предлагаемой СОЖ представлены в таблице 3.

Таблица 3
Оптимальные значения функции отклика и соответствующие значения факторовУровниФункция отклика шероховатость поверхности, Ra, мкмФакторы в кодированных значенияхФакторы в натуральных значенияхX₁Х₂Х₃Z₁, %Z₂, %Z₃, %max0,450,300,500,305,11,401,6min0,300,200,300,204,40,961,4

Были одновременно исследованы образцы смазочно-охлаждающих жидкостей предлагаемой и соответствующей по составу прототипу на шероховатость обрабатываемой поверхности, результаты приведены в таблице 4.

Таблица 4
Концентрация компонентов смазочно-охлаждающих жидкостей и шероховатость обрабатываемой поверхностиСоставы СОЖКомпоненты, мас.%Шероховатость обработанной поверхности R_a, мкмЭмульсол Укринол-1МНатриевое мылоЭтиленгликольВода13,00,31,095,70,3226,01,01,891,20,3237,71,72,388,30,32410,02,53,084,50,32Прототип Эмульсол УкринолТрихлоруксусная кислотаТриэтаноламинВода 12,00,10,297,73,2

Таким образом, предлагаемый состав СОЖ позволяет снизить шероховатость обработанной поверхности в 10 раз.

Для сравнительных испытаний влияния скорости резания на шероховатость обрабатываемой поверхности были проведены исследования предлагаемой СОЖ и прототипа на многофункциональном модуле типа «MAZAK». В качестве обрабатываемого материала использовали стали 40Х и 45. Применяли резцы со сменными многогранными пластинками из твердого сплава Т14К8, Т14К8Аl₂O₃, CoroMill-290. Режимы резания в диапазоне скорости резания от 150 до 250 м/мин для всех заготовок. Результаты влияния состава СОЖ и скорости резания на шероховатость обработанной поверхности приведены в таблице 5.

Таблица 5
Влияние состава СОЖ и скорости резания на шероховатость обработанной поверхностиСтальСостав СОЖМатериал инструментаРезультаты при исследовании предлагаемой СОЖРезультаты при исследовании известной СОЖV, м/минR_a, мкмV, м/минR_a, мкм40X1CoroMill-2901500,32  22000,32  42500,32  1  1503,2451Т14К81501,25  22000,63  42500,63  1  1503,2451Т14К8Аl₂O₃1500,63  22000,63  42500,32  1  1502,5

Таким образом, предлагаемый состав СОЖ позволяет снизить шероховатость обработанной поверхности в 3,9-7,8 раза, увеличить производительность обработки резанием до 15 раз, сохранить биостойкость и стабильность на высоком уровне, улучшить санитарно-гигиенические условия труда.

Использование: в области металлообработки для смазки и охлаждения режущего инструмента при обработке металлов резанием. Сущность: жидкость содержит, мас.%: эмульсол Укринол-1М 3-10, натриевое мыло жирных кислот растительного масла 0,3-2,5, этиленгликоль 1-3, вода до 100. Технический результат - снижение шероховатости обработанной поверхности в 3,9-7,8 раз, повышение производительности обработки до 5 раз, улучшение санитарно-гигиенических условий труда. 3 ил., 5 табл.

Смазочно-охлаждающая жидкость для механической обработки металлов, содержащая эмульсол, воду и присадку, отличающаяся тем, что содержит в качестве эмульсола Укринол-1М, в качестве присадки натриевое мыло жирных кислот растительного масла и этиленгликоль при следующем соотношении компонентов, мас.%:

эмульсол Укринол-1М3,0-10,0натриевое мыло жирных кислот растительного масла0,3-2,5этиленгликоль1,0-3,0водаостальное