При обработке металлов резанием или пластическим деформированием происходит выделение большого количества теплоты. В результате нагревания рабочего инструмента и поверхности заготовки ухудшается качество обработки, повышается износ дорогостоящего инструмента и оснастки, изменяется структура поверхностных слоев металла заготовки. Это, в свою очередь приводит к снижению рабочих свойств и качеству конечных изделий.
Для предотвращения перечисленных проявлений и повышения качества обработки поверхности заготовки применяют специальные охлаждающие технические средства — СОТС.
По агрегатному состоянию СОТС делятся на газообразные, жидкие, твердые.
Наибольшее распространение получили жидкие СОТС — смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ).
Смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ)
– специальная субстанция, используемая при работе станков по обработке металла. Каждый технологический процесс токарного или фрезерного станка сопровождается трением, которое может привести к деформации обрабатываемой детали, поломке дорогостоящего станка или его части, изменению механических свойств металла.
Основное предназначение СОЖ для металлообработки — разделение поверхностей, подвергающихся трению, и снижение температуры инструмента. Эта жидкость образует смазочную пленку на рабочих поверхностях, которая снижает силу трения и силу, необходимую для резания. Введение в состав продукта особых присадок упрощают процесс резания – молекулы жидкости быстро проникают в микротрещины на поверхности металла и как бы вбивают клин между его частицами.
Состав СОЖ (СОТС)
Состав рецептуры большинства СОЖ для металлообработки примерно одинаков. В продуктах разных производителей и названий меняется лишь концентрация того или иного вещества или присадка, нужная конкретному процессу или металлу.
Эффективная СОЖ для станков включает в себя:
- смазки из натуральных или синтетических масел,
- присадки, обладающие различными эксплуатационными свойствами,
- вещества, препятствующие расслоению смазочно-охлаждающих жидкостей на фракции,
- антикоррозионные и износоснижающие компоненты,
- добавки, снижающие пенообразование и агрессивность по отношению к обрабатываемым металлам.
Есть довольно большое количество материалов о СОЖ (Смазочно-охлаждающие жидкости), однако, нам хотелось бы кратко свести все критические, на наш взгляд, характеристики, которые позволяют сделать оценку качества смазочно — охлаждающих жидкостей (СОЖ) и осветить опыт в исследовании составов, методов оценки качества существующих СОЖ
Данный материал предназначен для интересующихся в изготовлении водных эмульсий минеральных масел и парафинов, мы хотим поделиться своим опытом без избитых вопросов про изготовление СОЖ из мыла, «Фейри» и других средств личной гигиены. Можем твердо сказать — «кухонные рецепты» мы не используем и вам не советуем. Тем кто советует использовать «Тосол» (этиленгликоль) в качестве СОЖ — рекомендуем так же проходить мимо.
Начнем с того, что из себя представляют классические водяные СОЖ.
СОЖ применяется при обработке металлов резанием и давлением для уменьшения сил трения в зоне обработки и охлаждения детали и инструмента. Поскольку лучшими смазывающими свойствами обладают минеральные масла, то наиболее логичным представляется смазывать ими, но у них плохая теплопередача и как следствие никакие охлаждающие свойства. Хорошо проводит тепло вода но смазывающие свойства у нее слабые. В результате желания совместить эти два полезных продукта и появились эмульсии типа «масло в воде» и «вода в масле». Из их названий понятно чего где больше.
Применяют их исходя из приоритетности смазки или охлаждения для данного вида обработки. Для обработки резанием (лезвийной и абразивной) наиболее интересна эмульсия типа «масло в воде» поэтому она наиболее распространена. В эмульсиях масло находится в воде в виде мелких капелек, благодаря чему она имеет вид молока. Чем мельче капельки масла, тем белоснежнее эмульсия. Беда в том, что капли масла благодаря силам поверхностного натяжения стремятся при соприкосновении собраться в одну большую каплю и эмульсия через короткое время расслаивается на воду и масло. Для того, чтобы это не происходило, применяют поверхностно активные вещества (ПАВ), которые уменьшают силы поверхностного натяжения.
Это явление хорошо иллюстрирует изображение капли эмульсии при 1600 кратном увеличении под микроскопом
Шарики масла очень мелкие (диаметр порядка 0,0002 мм) правильной геометрической формы и постоянно хаотически движутся как инфузории. Встречаясь капли иногда собираются группами, но связи между ними очень слабые и они снова отрываются друг от друга и продалжают двигаться. При оценке качества эмульсии это свойство по отношению ко времени называется стабильностью эмульсий. Полностью стабильных эмульсий не существует. Любая эмульсия когда-то расслоиться, это только вопрос времени. В нашем случае хорошая эмульсия должна сохранять стабильность в состоянии покоя как минимум в течение месяца и легко восстанавливаться при начале циркуляции.
Таким образом определился первый из показателей качества — стабильность эмульсии.
С охлаждающими свойствами при таком количестве воды вопросов не возникает, а вот смазывающие напрямую зависят от количества масла находящегося в воде. По моим практическим наблюдениям на операциях лезвийной обработки хорошо работают эмульсии с количеством масла в рабочем растворе не менее 3%, для шлифования не менее 1%. Поэтому производитель который в инструкции СОЖ рекомендует разведение 1-3% мягко говоря лукавит (при таком раскладе его концентрат должен состоять из одного масла, а минимальная доза ПАВ составляет не менее 18…27% от количества масла) и если этот концентрат развести до такой степени — мазать там будет уже нечему.
Оговоримся сразу — шлифовальные операции исключение, т.к там главенствуют охлаждающие и моющие свойства, а избыток масла даже вреден, т.к ведет к засаливанию круга. Кстати на снимке вверху капля эмульсии с концентрацией масла 8% и визуально (при наличии фантазии) можно представить сколько капелек масла попадет в зону резания при обработке.
Кроме того есть виды обработки (резьбонарезание, зубообработка и другие с большой площадью контакта задней поверхности инструмента с деталью) где требуется очень большая концентрация масла ввиду повышен- ных сил трения в зоне резания. На этих операциях обычно применяют чистые минеральные масла с модификацией сульфидами. Кто с ними работал — знает какое это счастье — все в масле начиная от станочника до помещения цеха. Могут помочь масляно-парафиновые эмульсии (с которыми сейчас и воюю), но об этом позже.
Вторым показателем качества можно считать — концентрацию масла в рабочем растворе.
Кроме этого эмульсия должна обладать умеренными моющими свойствами. Почему умеренными? Потому, что она не должна вымывать смазку из узлов трения станка и не должна пениться, но должна хорошо смывать продукты обработки и мыть детали. Это свойство обусловлено опять-же ПАВами, вернее их качественным и количественным составом.
Третий показатель -моющие свойства.
Промежуточный продукт с указанными выше свойствами (назовем его базовой эмульсией):
Визуальные признаки качества базовой эмульсии в рабочем растворе.
Это жидкость от молочно-белого до светло-кремового цвета (зависит от марки масла), без запаха или с едва уловимым запахом минерального масла (остальные компоненты запаха не имеют!). Если эмульсия серого цвета — ее почти наверняка забодяжили из отработки, если имеет запах аммиака, серы (кроме специальных сульфидсодержащих СОЖ) или другой резкий запах — это также должно насторожить — масса производителей колотят СОЖ из отходов производства.
Последствия применения такого продукта для здоровья всем понятно — станочник универсал контактирует с СОЖ дольше чем с родной женой ( 8-10 часов в день). К счастью почти все вредные компоненты, которые недобросовестные производители валят в СОЖ имеют запах и это можно выявить сразу.
Четвертый показатель качества — безопасность — возможно его правильнее поставить первым, — он самый критичный.
Следующий немаловажный показатель — коррозионная активность. Обусловлен двумя показателями:
— рН (водородный показатель характеризующий активность иона водорода или иными словами кислотность раствора)
— концентрация ингибиторов коррозии.
рН рабочего раствора эмульсии должен находиться в пределах 8…9 (т.е сдвинут в щелочную сторону) иначе никакие ингибиторы не помогут.
Концентрация ингибитора зависит от его вида, применяемых ПАВ и общей жесткости воды применяемой для разведения концентрата.
Как корректировать рН и о видах ингибиторов — чуть позже. Сейчас хочу просто сказать — перед заливкой в станок проведите элементарный ГОСТовский тест на коррозионную активность, дабы потом не бороться с ржавчиной на направляющих.
Тест примитивно прост и эффективен. Берете лист фильтровальной бумаги (можно просто обычной белой), насыпаете на него щепотку чугунных опилок и капаете на опилки СОЖ (обильно), курите или пьете кофе полчаса — час, потом убираете опилки и смотрите на лист бумаги. Если он девственно чист (следы разводов от СОЖ не в счет) — смело лейте в станок, если на листе рыжие точки ржавчины — в СОЖ нужно добавлять ингибитор или корректировать рН.
Следующий показатель — биостойкость (или стойкость к биопоражению). Беда в том, что этот на первый взгляд невкусный продукт, в частности масло, очень любят анаэробные бактерии, при этом выделяя сероводород и другие неинтеллигентные газы. Отчасти спасет их анаэробность (они не дружат с кислородом), поэтому когда станок постоянно в работе эта проблема остро не стоит. А вот для малых производств, где на несколько станков по одному работающему это настоящий бич. Многие производственники по этой причине даже отказались от применения СОЖ, а между тем проблема не такая уж и страшная, при соблюдении несложных правил. О правилах опять-же позже.
Таким образом, выделим 6 критериев оценки качества СОЖ:
1. Стабильность эмульсии в рабочем растворе.
2. Концентрация масла в эмульсии.
3. Моющие свойства.
4. Безопасность для работающего.
5. Коррозионная активность.
6. Биостойкость. Возможно список можно расширить, но пока остановимся на этих 6 базовых критериях оценки качества СОЖ. Как вариант, в рамках защиты природы нужно добавить биоразлагаемость, но об этом позже.
Присадки в составе СОЖ для станков
Присадки – важная составляющая СОЖ для металлообработки. Имея совсем небольшую концентрацию, они позволяют значительно улучшить качество и эффективность работы с металлом.
Присадки различного назначения выполняют несколько важных функций:
- повышают стойкость металлов к коррозии,
- противодействуют износу благодаря снижению износа рабочих поверхностей инструмента,
- не дают образовываться задирам на поверхности металлической заготовки в процессе обработки,
- предотвращают образование пены, снижающей качество СОЖ, и появление масляного тумана, который вредно действует на кожу и дыхательные органы рабочего персонала.
Особенности фрезерования
Фрезерование на токарном станке подразумевает, что острый клин инструмента вонзается в материал заготовки. Режущий инструмент снимает тончайшие слои заготовки, в результате чего появляется поверхность с новыми свойствами. Энергия, которая тратится на резание, частично уходит на отделение материала заготовки, но значительная часть ее превращается в тепло.
Когда возникают большие силовые нагрузки, перегревается и инструмент, и металлическая заготовка, а это снижает срок службы инструмента, а также снижает качество обработки на станках. Между скоростью вращения инструмента и температурой прямая зависимость: с ростом скорости детали заготовки и инструмент нагреваются сильнее. Это и стало основной причиной использования СОЖ.
Функции СОЖ для станков:
- охлаждение режущего инструмента, нагревающегося при работе, и увеличение его срока службы,
- повышение качества обработки поверхности металла,
- удаление с рабочих поверхностей пыли, грязи, металлической стружки и т. д.,
- смазывание зоны трения для повышения ресурса резцов, снижения коэффициента трения и выделения теплоты.
- повышение производительности станка за счет увеличения скорости, улучшения качества и точности обработки.
Замена СОЖ и промывка системы
Чтобы свежая СОЖ имела долгий срок службы, перед последним запуском станка в резервуар рекомендуется влить системный очиститель, например, OILCOOL XR. Он эффективно растворяет загрязнения и отложения на поверхностях. По истечении 8 – 24 часов необходимо слить всю жидкость из системы и промыть ее водой.
Системный очиститель полностью удаляет остатки старой эмульсии, поэтому после промывки с его использованием допускается заливать в станок СОЖ другой марки.
В заключение статьи, предлагаем посмотреть видеоурок о правилах технического обслуживания токарного станка:
Классификация СОЖ
К каждому технологическому процессу нужна СОЖ, свойства которой максимально будут отвечать специфике материала и характеристикам станка. Обычно в металлообрабатывающем производстве используется несколько видов СОЖ для металлообработки:
- масляная СОЖ.
Ее основа – минеральное или синтетическое масло. Для получения особых свойств жидкости в состав вводят присадки. Такие СОЖ отлично смазывают поверхности, но плохо снижают температуру, поэтому используются для мягких металлов при несложных работах.
- водосмешиваемая СОЖ
– в составе этих жидкостей могут быть спирты, эмульгаторы, масла, электролиты, присадки и т. д. Хорошо охлаждает инструменты и металлы, но обладают скромными смазывающими характеристиками,
- минеральная СОЖ
– производится из нефтяных продуктов, используется преимущественно для работы фрезерных и токарных станков для резания стали,
- синтетическая и полусинтетическая СОЖ
– эти виды смазочно-охлаждающих жидкостей изготавливаются на основе смеси водорастворимых полмиров с добавлением поверхностно-активных веществ, ингибиторов, биоцидов и т.д.
- эмульсии СОЖ
– составы с большей, по сравнению с водосмешиваемыми, концентрацией дисперсных компонентов. Такие жидкости имеют отличные смазывающие и противоизносные характеристики.
Кроме состава, СОЖ можно классифицировать и по другим критериям, например:
- по способу приготовления или составления рабочей жидкости различают эмульсолы – готовые жидкости, в составе которых есть присадки, мешающие расслоению, – и концентраты СОЖ, смешиваемые с водой перед использованием для получения эмульсий СОЖ,
- масляные СОЖ могут различаться по вязкости, температуре вспышки, кислотному числу и т.д.
Изготовление своими руками
Существуют различные виды жидкостей, особенно водянистых. Можно долго перечислять виды и составы жидкостей, но вряд ли это вместится в одну статью. В нашей статье мы продемонстрируем только один пример охладителя, на основе масла.
Эмульсию сложно приготовить, так как для создания используется большое количество компонентов.
В нашем примере будем рассматривать рецепт эмульсии на основе жидкого мыла. Кроме того, нам понадобится нерафинированное подсолнечное масло, керосин и кальцинированная сода, а также некоторые предметы бытовой химии.
Большинство перечисленных веществ имеется в каждом доме, за исключением керосина.
Рецепт
- Залить жидкое мыло в граненый стакан, смешать с подсолнечным маслом, керосином и кальцинированной водой. Желательно подготовить 3 таких стакана и вылить в 1 емкость от 10 л.
- В полученную смесь добавляем половину стопки отбеливателя и четверть стопки моющего средства для посуды, например Fairy.
- Залить раствор теплой водой. Использовать емкость объемом в 10л. Лить воду до тех пор, пока емкость не будет полностью заполнена.
- Нагреть жидкость до температуры 90 градусов. При нагревании жидкость необходимо непрерывно перемешивать.
- Выливаем полученную смесь в емкость, и смешиваем с водой. Соотношение раствора с водой должно быть равно 1:3.
Наш раствор готов, можете смело использовать его на рабочем месте.
Если же нет некоторых компонентов, то вот вам более простой раствор. Возьмите и смешайте индустриально масло, воду и поверхностно-активное вещество.
