2.5. исследование процесса эмульгирования и влияние полученной смазочно-охлаждающей жидкости на качество обработанной поверхности
2.5.1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СУЩЕСТВУЮЩИХ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ
В последнее десятилетие значительно возрос интерес к смазочно-охлаждающим жидкостям (СОЖ) для обработки металлов резанием. Это объясняется разработкой и внедрением в промышленности новых металлов и сплавов, которые
обладают повышенной механической прочностью, устойчивостью к агрессивным средам, к высоким и низким температурам. Обработка этих материалов оказалась весьма затруднительной, несмотря на появление новых высококачественных инструментальных материалов. Улучшение инструментов и технологии резания позволяет обрабатывать высокопрочные материалы с приемлемой, хотя и весьма низкой производительностью, но получить при этом высокий класс чистоты обработанной поверхности и класс точности изготовления деталей без применения смазочно-охлаждающей жидкости почти не удается.
При удачном выборе СОЖ можно, кроме того, повысить скорость резания и уменьшить износ режущего инструмента.
До недавнего времени очевидное внимание специалистов было сосредоточено на разработке новых составов СОЖ. Сейчас, когда производство и номенклатура СОЖ резко возросла, стал актуальным вопрос об улучшении качества существующих смазочно-охлаждающих жидкостей.
Смазочно-охлаждающие жидкости классифицируют по их химической структуре [26]:
1) водные СОЖ, которые разделяются на:
а) электролиты;
б) водные растворы полимеров;
в) водные растворы ПАВ;
2) эмульсионные жидкости;
3) углеводородные составы.
В настоящее время в машиностроении применяют эмульсии типа "масло в воде". Концентрат эмульсии, разбавляемый водой, называют эмульсолом. Они включают в себя эмульгаторы, активные присадки, ингибиторы коррозии, бактерицидные присадки и другие компоненты.
Эмульсии типа "масло в воде" сочетают в себе два ценных качества: большую способность воды к охлаждению и высокую смазывающую способность в ней ПАВ, они менее коррозионны, чем водные.
Углеводородные СОЖ обладают, как правило, высокими смазывающими свойствами, но плохо охлаждают инструмент,
и их применяют только в тех случаях, когда требуются повышенные противозадирные и противоизносные свойства, но при условии, что процесс не сопровождается большим тепловыделением.
Наиболее подходящим во всех отношениях (стоимость, технологические свойства) являются эмульсии типа "масло в воде".
2.5.2. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЭМУЛЬСИЙ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Технология приготовления эмульсии "масло в воде" включает две основные стадии:
1) подготовка воды;
2) диспергирование эмульсолов.
Подготовка воды заключается в ее умягчении, обеззараживании и нагревании до определенной температуры.
Для приготовления СОЖ используют различные методы: смешение с использованием турбинных и пропеллерных мешалок, а также с помощью пара или сжатого воздуха, использованием гомогенизаторов, смешение в коллоидных
мельницах, ультразвуковое диспергирование с применением магнитострикционных вибраторов и роторных аппаратов.
В таблице 1 приведены размеры частиц эмульсий в зависимости от методов перемешивания [40].
Из рассмотренных способов приготовления СОЖ наиболее перспективным является способ с наложением колебаний звукового поля [40].
Таблица 1
Тип аппарата
Для эмульсий с концентрацией \%
1
5
10
Средние размеры частиц, мкм
Пропеллерная мешалка
1
3…8
2…5
Турбинная мешалка
2…9
2…4
2…4
Коллоидная мельница
6…3
4…7
3…5
Гомогенизатор
1…3
1…3
1…3
При приготовлении СОЖ важен выбор ультразвуковой аппаратуры и оценка ее по всем параметрам.
Применение пьезоэлектрических или магнитострикционных вибраторов невыгодно из-за сложности и дороговизны аппаратуры и относительно низкой удельной производительности.
Гидродинамические вибраторы, типа свитка Польмана, обладают относительно небольшой производительностью (до
800 л/ч).
Наиболее пригодным для приготовления СОЖ является роторный аппарат [7, 11 – 13]. За счет интенсивного перемешивания, возникновения мощной импульсной кавитации и механического диспергирования эмульсия получается тонкодисперсной, стабильной. Роторные аппараты обладают повышенной производительностью (10…20 м3/ч) по сравнению со всеми другими типами оборудования, применяемого для приготовления COЖ.
2.5.3. ВЛИЯНИЕ КАВИТАЦИИ НА КАЧЕСТВО ПОЛУЧАЕМОЙ СОЖ
Для подтверждения влияния кавитации на дисперсность эмульсии проводились эксперименты при различных стадиях развития кавитации. В исследованном роторном аппарате (рис. 2.1) кавитация возникает при давлении в камере
к
P 3,5...4,3105 Па (в зависимости от скорости вращения ротора) достигает максимума при P
2,3...2,6105 и снижается
при
Pк 1,5 105 Па. Для этих случаев были проведены эксперименты, результаты которых изображены на рис. 2.37.
Анализируя этот график, можно сделать вывод, что кавитация оказывает интенсифицирующее действие на процесс диспергирования.
Рис. 2.37. Влияние статического давления на среднеарифметический диаметр частиц эмульсола: а = 0,01; Q = 0,00315 м3/ч
Рис. 2.38. Зависимость среднеарифметического диаметра частиц эмульсола от радиального зазора:
Рк = 2,6 · 105 Па; = 200 с–1
При давлении в камере Pк
4,5 105 Па, когда кавитация отсутствует, наблюдается возрастание среднеарифметического
диаметра частиц. Величина зазора оказывает существенное влияние на интенсивность кавитации. Экспериментальные данные о влиянии величины зазора на дисперсность эмульсии приведены на рис. 2.38.
С увеличением зазора наблюдается довольно резкое увеличение среднеарифметического диаметра частиц, причем, при
= 0,17 мм проявляется тенденция к стабилизации среднеарифметического диаметра. С увеличением зазора интенсивность кавитации снижается, что и приводит к увеличению среднеарифметического диаметра частиц.
Таким образом, наши данные и данные других авторов позволяют сделать вывод о том, что при диспергировании эмульсий основное влияние на ее дисперсность, а следовательно, и на качество оказывает импульсная акустическая
кавитация.
Все приготовленные эмульсии контролировались на стабильность. Они показали хорошую устойчивость к расслаиванию. Через шесть суток после приготовления СОЖ заметных выделений масла на поверхности эмульсии не замечалось.
Таким образом, из всех проведенных экспериментов по диспергированию эмульсола для приготовления СОЖ можно сделать вывод, что кавитация оказывает существенное влияние на качество получаемой эмульсии. Причем оптимальным, с точки зрения получения более тонкодисперсной эмульсии, является режим акустической импульсной кавитации.
2.5.4. ВЛИЯНИЕ ЯВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСА НА КАЧЕСТВО ПОЛУЧАЕМОЙ СОЖ
В п. 1.3 подробно объяснен механизм движения частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде в случае возникновения в объеме стоячей волны. Этот механизм можно применить для процесса эмульгирования, считая, что э в , где э и в – плотность частиц эмульсола и воды, соответственно.
Таким образом, в системе Ж-Ж происходит движение частиц эмульсола в направлении пучности колебаний стоячей волны, что должно способствовать процессу коагуляции. Процесс коагуляции должен увеличивать размеры частиц дисперсной фазы.
Проведенные эксперименты на режимах работы роторного аппарата, соответствующих резонансному режиму и возникновению стоячей воды, не обнаружили в пределах погрешности измерений увеличения среднеарифметического диаметра частиц. Очевидно, кавитация снижает коагулирующее воздействие стоячей волны.
Можно сделать вывод о том, что резонансные явления, возникающие в рабочих зонах роторного аппарата, по крайней мере, не ухудшают эффективность процесса эмульгирования.
2.5.5. ВЛИЯНИЕ ПОЛУЧАЕМОЙ СОЖ НА СТОЙКОСТЬ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И КАЧЕСТВО ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Смазочно-охлаждающую жидкость для экспериментов приготовляли на установке, изображенной на рис. 2.1 и существующей промышленной установке, изображенной на рис. 2.39 (завод "Тамбовполимермаш").
Заводская установка работает следующим образом. Эмульсол в основном баке перемешивается сжатым воздухом, затем его перекачивают в мерный бак-дозатор 2 насосом 1. Затем эмульсол смешивают с водой в соотношении 2:1 и направляют в бак 4 для приготовления пасты; воду прогревают до температуры 40…60° и перемешивают сжатым воздухом до однородной консистенции. Пасту сливают в бак 5 и разбавляют водой, нагретой до 40…60 °С, при перемешивании сжатым воздухом до получения однородной эмульсии. Далее в жидкость засыпают необходимое количество нитрита натрия и кальцинированной соды, перемешивают в течение 15…20 мин, затем готовая эмульсия идет в раздаточные баки.
В качестве эмульсола применяется УКРИНОЛ-1 ТУ 38-101-197–76, из которого приготовляется 5 \% эмульсия. В
качестве ингибиторов коррозии добавляется нитрит натрия и кальцинированная сода.
Зависимость износа резца по задней вспомогательной поверхности от времени показана на рис. 2.40.
Рис. 2.39. Схема заводской установки для приготовления СОЖ:
А – эмульсол; Б – сжатый воздух; В – холодная вода;
Г – горячая вода; Д – готовая СОЖ
Рис. 2.40. Зависимость износа резца по задней поверхности от времени при обработке стали 45:
1 – заводская СОЖ;
2 – СОЖ, приготовленная в роторном аппарате, Рк = 1,5 · 105 Па, = 5 · 105, м;
3 – СОЖ, приготовленная в роторном аппарате, Рк = 2,6 · 105 Па, = 5 · 105, м
Как видно из графиков, при обработке стали 45 с применением COЖ, полученной в роторном аппарате в условиях
развитой кавитации ( Pк 2,6 105 Па, f = 4100 Гц,
5 10 5 м) стойкость резца возросла в 1,8 раза по сравнению со
стоимостью резца, работавшего с применением СОЖ, полученной на заводской установке. Эмульсия, приготовленная в
роторном аппарате в условиях слабой кавитации ( Pк 1,5 105 Па), увеличила стойкость резца в 1,5 раза. В среднем при всех режимах приготовления СОЖ с использованием роторного аппарата стойкость резцов из стали Р18 возросла на 30 \%.
Для выяснения влияния качества СОЖ на шероховатость поверхности проведены эксперименты по определению
зависимости качества поверхности при различных способах приготовления СОЖ (рис. 2.41). Кривая 1 – СОЖ, полученная на
заводской установке, кривая 2 – СОЖ, полученная в роторном аппарате ( Pк
2,6 105 Па,
5 10 5 м). Видно, что при
увеличении скорости резания качество поверхности ухудшается, затем при увеличении скорости резания V 60
качество
поверхности резко улучшается. Это объясняется тем, что до скорости резания
V 60
м/мин появляются наросты в зоне
скоростного резания. При повышении скорости эти наросты срываются со стружкой или не успевают образовываться.
Использование СОЖ позволило увеличить чистоту обрабатываемой поверхности стали 45 на один класс.
Использование РАМП для приготовления СОЖ позволило отказаться от нагрева эмульсола до 40…60 °С. Это позволяет снизить энергозатраты при изготовлении СОЖ.
V, м/мин
Рис. 2.41. Зависимость шероховатости обработанной поверхности образцов стали 45 от скорости резания при различных способах приготовления СОЖ:
1 – заводская СОЖ; 2 – СОЖ, приготовленная на роторном аппарате
охлаждающей жидкости, а также для других процессов диспергирования в системах "жидкость-жидкость".
