смазочно-охлаждающая жидкость для механической обработки металлов

Формула изобретения

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-1М	3,0-10,0
натриевое мыло жирных кислот растительного масла	0,3-2,5
этиленгликоль	1,0-3,0
вода	остальное

Описание изобретения к патенту

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, Т14К8Al ₂O₃, 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 компонентов
Обозначение	Исследуемые факторы	Уровни факторов
		0	1/3	2/3	1
Z1, %	Эмульсол на основе нефтяных масел (Укринол- 1М)	3,0	5,3	7,7	10,0
Z2, %	Натриевое мыло жирных кислот растительного масла	0,3	1,0	1,7	2,5
Z 3, %	Этиленгликоль	1,0	1,7	2,3	3,0

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
№ опыта	Матрица планирования в кодированных значениях			Матрица планирования в натуральных значениях, %			Функция отклика
	X 1	Х2	Х3	Z 1	Z2	Z3	R a, мкм
1	0	0	0	3,0	0,3	1,0	1,98
2	1	0	0	10,0	0,3	1,0	1,48
3	0	1	0	3,0	2,5	1,0	1,32
4	0	0	1	3,0	0,3	3,0	1,64
5	1/3	2/3	0	5,3	1,0	1,0	0,82
6	1/3	0	2/3	5,3	1,0	2,3	1,50
7	2/3	1/3	0	7,7	1,7	1,0	0,71
8	2/3	0	1/3	7,7	1,7	1,7	1,59
9	0	1/3	2/3	3,0	0,3	2,3	1,24
10	0	2/3	1/3	3,0	0,3	1,7	0,89
11	1/3	1/3	1/3	5,3	1,0	1,7	0,32

Шероховатость поверхности:

R_a, мкм=1,4771·Х₁ +1,3086·Х₂+1,6543·Х ₃-2,8254·Х₁·Х ₂-0,0932·Х₁·Х ₃-1,8739·Х₂·Х ₃-16,9425·X₁·X ₂·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 факторов
Уровни	Функция отклика шероховатость поверхности, Ra, мкм	Факторы в кодированных значениях			Факторы в натуральных значениях
		X1	Х 2	Х3	Z1, %	Z 2, %	Z3, %
max	0,45	0,30	0,50	0,30	5,1	1,40	1,6
min	0,30	0,20	0,30	0,20	4,4	0,96	1,4

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 поверхности
Составы СОЖ	Компоненты, мас.%				Шероховатость обработанной поверхности Ra , мкм
	Эмульсол Укринол-1М	Натриевое мыло	Этиленгликоль	Вода
1	3,0	0,3	1,0	95,7	0,32
2	6,0	1,0	1,8	91,2	0,32
3	7,7	1,7	2,3	88,3	0,32
4	10,0	2,5	3,0	84,5	0,32
Прототип
	Эмульсол Укринол	Трихлоруксусная кислота	Триэтаноламин	Вода
1	2,0	0,1	0,2	97,7	3,2

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, Т14К8Аl₂O ₃, 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 поверхности
Сталь	Состав СОЖ	Материал инструмента	Результаты при исследовании предлагаемой СОЖ		Результаты при исследовании известной СОЖ
			V, м/мин	Ra, мкм	V, м/мин	Ra, мкм
40X	1	CoroMill-290	150	0,32
	2		200	0,32
	4		250	0,32
	1				150	3,2
45	1	Т14К8	150	1,25
	2		200	0,63
	4		250	0,63
	1				150	3,2
45	1	Т14К8Аl 2O3	150	0,63
	2		200	0,63
	4		250	0,32
	1				150	2,5

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.