Применение магнитных жидкостей в качестве технологических сред при механической обработке металлов.

ПРИМЕНЕНИЕ  МАГНИТНЫХ  ЖИДКОСТЕЙ  В  КАЧЕСТВЕ

 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  СРЕД  ПРИ  МЕХАНИЧЕСКОЙ  ОБРАБОТКЕ  МЕТАЛЛОВ.

 

 

Настоящая статья подготовлена коллективом соавторов,

работавших под его непосредственным руководством:

 

Батин С. Л., Болотов А. Н., Белоногова А. К., Броновец М. А., Ваганов А. А.,

Вахлаков А. А., Глухоедов Н. П., Дёмкин Н. Б., Евсин Н. И., Кесарев С. В., Козлов Ю. М.,  Королёв С. Б., Куприянов Е. А., Михалёв Ю. О., Морозов Н. А., Мурзаев В. В.,

Мышкин Н. К., Новиков В. В., Новикова О. О., Перминов С. М., Подгорков В. В.,

Павлычев А. П., Рыличев А. А., Русакова Н.Н., Сизов А. П., Силаев В. А., Созонтов К. К.,  Страдомский Ю. И., Трофименко М. И., Фадеев Ю. В., Фролова Т. В., Царёв Н. Г., Щелыкалов Ю. Я., Ярунин П. Г.

 

1.      Институт машиноведения имени А. А. Благонравова РАН, Российская Федерация,           г. Москва, 119991, улица Бардина, дом 4. Телефон: 135 – 45 – 60.

2.      Ивановский государственный энергетический университет, Российская Федерация,               г. Иваново, 153003, улица Рабфаковская, дом 34. E – mail: Office@polytech.ivanovo.ru

3.      Специализированное конструкторско-технологическое бюро «Полюс», Российская Федерация, г. Иваново, 153000, улица Советская, дом 32. E – mail: Polyus@com.ivanovo.ru

4.       Тверской государственный технический университет, Российская Федерация, г. Тверь, набережная Афанасия Никитина, дом 22, E – mail: Altor@tvcom.ru

5.      Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений. Москва, 111123, Шоссе Энтузиастов, дом 38.             E – mail: EOS@INKOTRADE.RU

 

Под редакцией доктора технических наук, профессора Подгоркова В. В.

 

1. ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ  О  ДЕЙСТВИИ  ВНЕШНЕЙ  СРЕДЫ

    ПРИ  МЕХАНИЧЕСКОЙ  ОБРАБОТКЕ  МЕТАЛЛОВ.

 

Эффективность процесса механической обработки металлов, интенсивность изнашивания режущего инструмента, качество обработанной поверхности и другие характеристики сопро­вождающих процесс резания явлений зависят от свойств внешней среды, в которой происхо­дит резание. Принудительное изменение свойств этой среды – один из путей управления процессом резания и изнашивания режущих инструментов, оптимизации процесса механиче­ской обработки металлов. Окружающий зону обработки воздух – активная естественная тех­нологическая среда и часть системы резания. Многочисленными исследованиями установ­лено, что кислород окружающего воздуха играет очень важную роль в процессе резания ме­таллов, а эффективность смазочных и охлаждающих жидкостей (СОЖ) зависит от количе­ства растворённого в ней кислорода.

Резание металлов в среде инертных газов и в вакууме не может нормально проходить из-за сильного трения и схватывания обрабатываемого материала с инструментом. Так, точение коррозионно-стойкой стали 12Х18Р10Е в среде аргона, из-за сильного трения и схватывания сопровождается значительными колебаниями проекций силы резания; абсолютная величина их среднего значения вдвое больше, чем при резании в среде кислорода или воздуха. Обра­зующаяся при этом стружка состояла из крупных сильно деформированных элементов сре­занного слоя металла.

Кроме естественной воздушной среды, при механической обработке используют и искус­ственные технологические среды, которые могут быть твёрдыми, жидкими и газообразными. Роль твёрдых смазочных материалов при резании могут выполнять различные слоистые вещества, такие как графит и дисульфид молибдена или мягкие пластичные металлы, кото­рые в виде высокодисперсных порошков вводят в качестве наполнителя в различные пла­стичные смазочные материалы (ПСМ). В качестве газовых сред применяют азот, кислород и диоксид углерода.

Наиболее часто в качестве внешней среды, благотворно влияющей на процесс резания и изнашивания режущего инструмента, используют различные СОЖ. По составу и виду ос­новы их подразделяют на три группы: масляные жидкости, водные эмульсии минеральных масел и синтетические жидкости. Масляные СОЖ представляют собой минеральные масла с противоизносными, противозадирными, антикоррозионными и другими присадками. Актив­ными (режущими) присадками служат масла и жиры растительного и животного происхож­дения и вещества, содержащие фосфор, хлор, серу. Общий объём присадок в масляных СОЖ может составлять 5 – 40%. Водные эмульсии минеральных масел готовят из воды и эмульсолов. Доля эмульсола в воде обычно 1 – 10%. В состав эмульсолов входят минеральное масло, эмульгаторы, ингибиторы коррозии, антибактерицидные, противоизнос­ные, противопенные и другие присадки. Доля присадок в эмульсоле 20 – 30%, остальное – минеральное масло. При смешивании эмульсола с водой образуется непрозрачная эмульсия молочно-белого цвета. В машиностроении в настоящее время используют минеральные масла И-Л-А-22, И-Г-А-32 и масляные СОЖ типа МР, ОСМ и другие. Для приготовления эмульсий используют эмульсолы ЭТ-2, «Укринол», Т, ОТ и другие. Синтетические СОЖ представляют собой водные растворы водорастворимых полимеров, ПАВ и ингибиторов коррозии. В промышленных объёмах производят жидкости Аквол-10 и Аквол-11 (на основе соответственно полигликолей и ПАВ), применяемые в ивде 2 – 10% водных растворов.

Технологическая среда оказывает смазочное, моющее и охлаждающее действия. Значение каждого из этих действий зависит от свойств материалов детали и инструмента и вида опе­рации механической обработки. Моющее действие СОЖ заключается в образовании на мел­ких частицах стружки, нароста или продуктов изнашивания инструмента адсорбционных плёнок, которые обеспечивают отделение этих частиц от твёрдой поверхности инструмента или заготовки. В результате частицы легко уносятся струёй СОЖ и снижается вероятность абразивного изнашивания режущего инструмента. Смазочное действие СОЖ проявляется в образовании на поверхностях контакта обрабатываемой детали и инструмента тончайших, различных по своей природе, плёнок, уменьшающих силы трения и интенсивность изнаши­вания поверхностей трения. Уменьшению сил трения под действием смазочной среды спо­собствуют образование граничных фаз, пластифицирующее действие СОЖ на поверхност­ные слои контактирующих материалов и механическое разделение поверхностей трения. Ох­лаждающее действие СОЖ проявляется двояко и заключается не только в конвективном от­ведении от рабочих поверхностей инструмента образовавшейся и выделившейся теплоты, но и в устранении или ослаблении причин выделения теплоты благодаря смазочному действию и уменьшению сил трения.

В зависимости от условий резания интенсивность изнашивания режущего инструмента более сильно определяется либо смазочным, либо охлаждающим действиями СОЖ. В по­следнее время большинство исследователей полагают, что смазочное действие СОЖ явля­ется определяющим во всём возможном диапазоне скоростей и температур резания.

Проявление указанных действий СОЖ и других смазочных материалов и благотворное влияние на их процесс резания и изнашивания режущего инструмента возможны лишь при условии проникновения жидкости на поверхности контакта. При малой скорости резания зона контакта между обрабатываемым материалом и инструментом не сплошная, вся зона испещрена мельчайшими порами (капиллярами) размером от долей до нескольких десятков микрометров. Образующаяся стружка также пронизана капиллярами по всей толщине. По этим капиллярам СОЖ поступает в зону трения инструмента с обрабатываемым материалом. Периодическое торможение и схватывание отдельных объёмов обрабатываемого металла на поверхности инструмента приводит к образованию вакуумных полостей, способствующих проникновению жидкости. Так как процесс резания всегда сопровождается колебаниями системы станок – приспособление – инструмент – деталь, а колебания заготовки (низкочас­тотные) и инструмента (высокочастотные) не совпадают по фазе и амплитуде, контакти­рующие поверхности периодически открываются для проникновения СОЖ. Хотя механизм проникновения СОЖ в зоне резания окончательно не изучен, бесспорным и установленным является факт, что СОЖ проникает на поверхности контакта и существенно влияет на про­цесс резания, интенсивность изнашивания режущего инструмента и качество обработки по­верхности.

Поскольку температура в зоне резания практически всегда выше температуры кипения воды, технологическая жидкая среда попадает на поверхности контакта не в обычном со­стоянии, а в виде паров и отдельных частиц – молекул, радикалов или ионов входящих в со­став жидкости веществ.

Эффективность действия технологической жидкости зависит не только от её химического состава, но и от метода подачи в зону резания. Наиболее часто СОЖ попадают в зону реза­ния в виде свободно падающей струи. Кроме того, в некоторых случаях используют высоконапорное струйное охлаждение, при котором СОЖ подают под давлением 2 – 3 МПа на заднюю поверхность режущей части инструмента тонкой струёй через сопло диаметром 0,3 – 0,5 мм. Сравнительно часто используют метод охлаждения и смазывания зоны резания распылёнными жидкостями; при этом в зону резания подаётся струя воздушно-жидкостной смеси, полученной в специальном распылительном устройстве.

По механизму воздействия на процесс резания МЖ, видимо, аналогичны СОЖ, но в отли­чие от последних МЖ можно подавать в зону резания с помощью магнитного поля. Под его влиянием усиливается моющее действие благодаря улучшению смачиваемости, интенсифи­цируется смазочное действие, так как улучшаются условия проникновения МЖ на поверхно­сти контакта. МЖ оказывают более сильное охлаждающее действие, так как по теплоёмкости и теплопроводности превосходят основу.

МЖ можно использовать, когда обычные СОЖ и способы их подачи неприменимы, на­пример при использовании механизированного ручного инструмента, при работе на большой высоте, в замкнутом изолированном пространстве и других особых условиях. В связи с этим применение МЖ при резании металлов можно и следует рассматривать как новый способ подачи технологической среды в зону резания с помощью направленного магнитного поля.

Исключительную значимость приобретает использование МЖ с развитием космических исследований и космической технологии. Несомненно, в ближайшем будущем возникнет не­обходимость выполнения таких простейших операций механической обработки, как сверле­ние, развёртывание или калибрование отверстий и нарезание в них резьбы, в условиях высо­кого вакуума и невесомости при монтажных и ремонтно-восстановительных работах на ор­битальных станциях. В этих условиях следует ожидать трудностей, связанных с возможно­стью холодного сваривания (как при вакуумной сварке) инструмента с обрабатываемым ма­териалом. Дело в том, что по мере удаления от поверхности земли давление окружающей среды – атмосферного воздуха – резко падает. Так, на высоте 20 км оно составляет около 5,9 . 103 Па, а на высоте 200 км – лишь 3,8 . 10 – 4 Па. Орбитальные космические станции нахо­дятся на орбитах, удалённых от поверхности земли на 350 – 400 км, где давление окружаю­щей среды ещё меньше. Из-за недостатка кислорода, необходимого для образования на ра­бочих поверхностях инструмента защитных оксидных плёнок, происходит адгезионное схва­тывание поверхностей трения и образование мостиков холодного сваривания. Применение обычных СОЖ невозможно из-за сложности их направленной подачи и сбора, их вскипания и испарения.

Обычные СОЖ на водной основе при столь низких давлениях (в вакууме) использовать нельзя, так как при давлении порядка 600Па и меньше вода и жидкости на её основе могут находиться только в состоянии твёрдого тела (льда) или перегретого пара. МЖ в вакууме не кипятят и работают как обычные СОЖ в обычных условиях. Они обеспечивают нормальные условия резания и сбор образующейся стружки с помощью магнитного поля (А. С. № 1496987 СССР, МКИ4 В 23 Q 11/02) независимо от магнитных свойств обрабатываемого ма­териала, что особенно важно при отсутствии сил тяготения.

Рисунок 1. Намагниченное сверло со стружкой немагнитного титанового сплава ВТ1 – 0, удерживаемого с помощью МЖ.

 

В процессе выполнения исследований по сверлению отверстий в тита­новых и алюминиевых сплавах замечен интересный факт воздействия магнитного поля не немагнитную стружку, смазанную МЖ. Последняя притягивалась к намагниченному сверлу и увлекала за собой немагнитную стружку. Силы сцепления между стружкой и жидкостью были достаточны для удержания на сверле сравнительно большого количества стружки (ри­сунок 1). Это явление открывает новые возможности использования МЖ.

МЖ можно применять, например, в качестве технологических сред для сбора немагнитных материалов. Таким материалом может быть не только стружка немагнитных металлов, но и другие немагнитные предметы типа отходов производства, мусора и другое. Можно собирать такие высоко­дисперсные материалы, как шлам и абразивная пыль, образующиеся при абразивной обработке металлов. Распылением МЖ в потоке запылённого воздуха капли МЖ смачивают частицы немагнитной абразивной пыли и делают их магнито­управляемыми, подверженными влиянию магнитного поля, через которое проходит поток запылённого воздуха. В магнитном поле воздух очищается, так как смоченные МЖ частицы пыли под действием МДС неравномерного магнитного поля притягиваются к полюсам маг­нитов и оседают на них.

 

Таблица 1. Свойства дисперсных магнитных материалов.

 

 

Дисперсный материал

Размер зерна, мм

Плотность, г/см 3

Насыпная плотность, г / см 3

Удельная поверхность, см 2 / г

Абразивная пыль

0,1 – 0,8

3,5

1,63

108

Порошок алюминия

0,02 – 0,03

2,6

1,25

1550

Порошок меди

0,02 – 0,03

8,9

2,16

1330

Графит

0,05 – 0,10

2,2

0,29

8950

Стекло шаровидное

0,80 – 0,95

2,6

1,45

29

 

Для оценки возможности сбора с помощью МЖ различных по свойствам дисперсных ма­териалов проведена серия опытов. Собираемые материалы (таблица 1) довольно сильно от­личаются по свойствам. На навеску собираемого материала расположенного на ровной пло­ской поверхности чашки аналитических весов достаточно толстым слоем, наносили дозиро­ванное (по массе) количество жидкости. Затем с помощью магнита смоченный МЖ дисперс­ный материала отделяли от оставшейся массы материала. При этом в оставшейся массе со­бираемого материала не обнаружены смоченные МЖ частицы или следы самой МЖ. Резуль­таты выполненных экспериментов (таблица 2) показывают, что с увеличением массы, нане­сённой на порошок МЖ, возрастает и масса собранного дисперсионного материала. Однако эффективность процесса (отношение масс собранного материала и МЖ), зависящая от свойств собираемого материала и размера его зерён, снижается. Условная толщина плёнки МЖ на частицах собираемого материала, рассчитанная как отношение объёма МЖ к удель­ной поверхности, зависит от размера зёрен и их удельной поверхности. Так, толщина этой плёнки (слоя) резко возрастает при сборе шаровидных частиц стекла. Толщина плёнки на частицах порошка с сильно развитой удельной поверхностью составляет всего несколько до­лей микрометра.

 

Таблица 2. Результаты экспериментов по сбору

 немагнитных дисперсных материалов с помощью МЖ

 

Дисперсный материал

Масса, г

Отношение масс материала и МЖ

Расчётная толщина слоя МЖ на поверхности частиц, мкм

МЖ

Собранного материала

Абразивная пыль

0,1

0,5

1,0

1,45

4,60

7,21

14,5

9,2

7,2

4,53

7,00

8,96

Порошок алюминия

0,1

0,5

1,0

0,35

1,60

3,25

3,5

3,2

3,3

1,28

1,40

1,43

Порошок меди

0,1

0,5

1,0

0,45

1,70

2,95

4,5

3,4

3,0

1,16

1,55

1,78

Графит

0,1

0,5

1,0

0,30

0,52

0,83

3,0

1,4

0,8

0,26

0,73

0,92

Стекло шаровидное

0,2

0,5

1,0

0,60

1,05

1,85

3,0

2,0

1,9

80,9

115,0

131,0

 

 
2. ФИЗИКО – ХИМИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА  МАГНИТНЫХ  МАСЕЛ

 

Магнитные смазочные масла находят всё более широкое применение в различных узлах трения, и особенно, работающих в режиме гидродинамической смазки. Наиболее важными свойствами магнитного масла (ММ) являются, несомненно, антифрикционные и противоиз­носные, однако для их реализации необходимо, чтобы масло удовлетворяло определённым физико-химическим характеристикам, от которых не в меньшей степени зависят условия их эксплуатации и конструкция трибосопряжения. Целью проведённых нами исследований яви­лось изучение таких наиболее важных для смазывания свойств ММ как коллоидная стабиль­ность, испаряемость, коррозионная активность, термоокислительная стабильность и вяз­кость.

Коллоидная стабильность ММ исследовалась в гравитационном и магнитном полях. Влияние жидкости-носителя на устойчивость в гравитационном поле изучалось с помощью экспресс-метода на центрифуге. Для исследования был выбран следующий ряд жидкостей-носителей (дисперсионных сред): керосин, диоктилсебацинат (ДОС), дибутилсебацинат (ДБС), диокил фталат, трикрезилфосфат, бутилацетат. Данные жидкости имеют различную химическую структуру, вязкость и диэлектрическую проницаемость.

Установлено, что фактором, определяющим коллоидную стабильность ММ, является со­отношение полярности, выраженное через диэлектрическую проницаемость (ДП) ПАВ-ста­билизатора и дисперсионной среды. Предлагается полуэмпирический критерий устойчиво­сти магнитного коллоида:

 

 

 

где E0 – ДП ПАВ-стабилизатора, d - поправка, учитывающая вклад по­лярных групп адсорбирующихся на поверхности магнетита, Ei – ДП компонента жидкости носителя, Vi – объёмная доля компонента жидко­сти-носителя, i – количество компонентов. При этом область максималь­ной коллоидной устойчивости ММ находится в пределах U = 0,6 ¸ 1,1. Особое значение данный критерий имеет при составлении смазочных композиций, поскольку позволяет по ДП компонентов определять со­ставы, не ухудшающие коллоидные свойства ММ.

 

Другим важным фактором, влияющим на коллоидную стабильность, является длина мо­лекул ПАВ-стабилизатора. Установлено, что скорость седиментации в неоднородном маг­нитном поле (исследования проводились на приборе УКМ) зависит от вязкости дисперсион­ной среды и длины молекул ПАВ стабилизатора. При этом достоинством ММ на основе ди­эфиров является то, что даже в сильных полях не происходит расслоения фаз и выделения чистой дисперсионной среды.

Необходимым условием при работе подшипников является сохранение текучести ММ и отсутствие осадка магнетита в зоне трения. В результате проведённых исследований сделан вывод о том, что градиент магнитного поля в зоне трения для ММ на основе диэфиров не должен превышать 16,6 . 10 4 кА / м2 при молекулярном весе  ПАВ около 300 и 33 . 10 4        кА / м2 при молекулярном весе ПАВ около 1000.

На динамику перераспределения магнитных частиц оказывает влияние присутствие час­тиц с неполной сольватной оболочкой. Предварительная сепарация ММ в магнитном поле значительно снижает скорость седиментации. Поэтому для подшипников, работающих в ре­жиме граничной смазки желательно использовать ММ после сепарации.

Долговечность работы узла трения в значительной степени зависит также от испаряемости и термоокислительной стабильности магнитного масла. Известно, что металлы и их оксиды могут оказывать каталитическое воздействие на окисление и деструкцию молекул смазоч­ного материала. В случае магнитных масел доля твёрдой фазы (оксида железа), а также удельной поверхности, вследствие высокой дисперсности частиц, весьма существенна и ока­зывает влияние на процессы окисления и испарения при термомеханических воздействиях в зоне трения. Предварительные испытания выпускаемых промышленностью магнитных жид­костей на машинах трения и в реальных узлах показали, что в режиме граничной смазки ре­сурс работы их невелик и не превышает 100 часов.

Для исследования выбраны масла на основе диэфиров. Испаряемость и окисляемость ма­сел изучали в статических (по изменению массы образца при термостатировании) и динами­ческих (на дериватографе) условиях. В статике, кроме измерения потерь массы исследуемого образца фиксировали изменения намагниченности насыщения и  вязкости. Показано, что скорости испарения и соответственно процессы, протекающие под воздействием темпера­туры и кислорода воздуха в жидкости-носителе (ДОС) и магнитном масле (ММ) без анти­окислительной присадки существенно отличаются. В ММ интенсивно поглощается кисло­род, масса образца постоянна или даже несколько увеличивается на начальном этапе, при этом преобладают реакции окисления и полимеризации с образованием низколетучих высо­комолекулярных продуктов. Об этом свидетельствуют также нарастание вязкости. В ДОС протекают как полимеризационные процессы, при этом увеличивается вязкость жидкости-носителя, так и реакция деструкции с образованием летучих продуктов.

Привведении в смазочные композиции антиокислительной присадки (ДОС + 5% ДФА, ММ + 5% ДФА) более характерными являются реакции деструкции с образованием летучих продуктов, так как реакции полимеризации блокируются ингибитором. Летучесть ММ + 5 % ДФА остаётся на том же уровне, что и ДОС + 5% ДФА. Вязкость практически не меняется. Отсюда можно сделать вывод, что магнетит оказывает каталитическое воздействие в первую очередь на процессы полимеризации и практически не влияет на реакцию деструкции жид­кости-носителя.

При увеличении температуры до 150°С общий характер процессов сохраняется, но ско­рость испарения для ММ + 5% ДФА возрастает в 5 – 6 раз. Температура в интервале 100 – 150°С не оказывает влияние на магнитные свойства масел. Результаты исследований на де­риватографе показали, что в присутствии магнетита температура начала окисления диспер­сионной среды снижается с 140 до 80°С. Введением антиокислительных присадок можно блокировать каталитическое воздействие магнетита, однако при этом понижается темпера­тура начала испарения.

Проведены исследования влияния основных факторов, определяющих реологические свойства масел в магнитном поле, а именно: концентрации дисперсной фазы, концентрации ПАВ в свободном состоянии, температуры. Полученные результаты показали, что разрабо­танные масла на основе диэфиров ММ ДОС и ММ ДБС имеют меньшую зависимость вязко­сти от температуры в интервале Т = 2 ¸ 100°С, чем известные магнитные смазочные мате­риалы на базе МЖ С1-20 (СКТБ «Полюс»).

Коррозионные свойства ММ изучались разработанным количественным методом. Уста­новлено, что коррозионная составляющая износа для ММ существенно ниже, чем у традици­онных масел с присадками. Предполагается, что обнаруженный эффект обусловлен большой интегральной поверхностью дисперсных частиц, на который адсорбируются химически ак­тивные ПАВ.

Таким образом, были установлены некоторые направления воздействия на ММ с целью изменения их свойств, для лучшего смазывания узлов трения.

 

3. СПОСОБЫ СОЗДАНИЯ  МАГНИТНОГО  ПОЛЯ  В  ЗОНЕ  РЕЗАНИЯ

 

В процессе механической обработки металлов магнитная СОЖ должна удерживаться маг­нитным полем в зоне резания и по мере расходования и уноса отходящей стружкой посту­пать на режущие кромки инструмента. Под действием неоднородного магнитного поля маг­нитная СОЖ транспортируется из зоны резерва в зону резания. Магнитное поле не только транспортирует и удерживает в зоне резания магнитную СОЖ, но и влияет на эффективность её действия – усиливает проникающую способность и содействует образованию смазочных плёнок на поверхностях контакта режущего инструмента с обрабатываемым материалом. Надо полагать, что расположение источника магнитного поля относительно зоны резания, намагниченность режущего инструмента и другие факторы, определяющие схему наложения магнитного поля, влияют на эффективность действия магнитной МЖ.

Рисунок 2. Схемы магнитной системы для создания магнитного поля  зоне резания при сверлении.

Влияние схемы создания магнитного поля в зоне резания ис­следовано при сверлении отверстий в пластинах из титанового сплава ВТ – 0 на вертикально-сверлильном станке модели 2А135 [26]. Магнитное поле создавали в зоне резания при различном расположении магнитопроводов относительно режущего инстру­мента – сверла (рисунок 2, a,б, г). Источником магнитного поля служила электромагнитная катушка 1, сердечник которой соеди­нён с магнитопроводами 2. Магнитный поток замыкался через режущий инструмент 3 и обрабатываемую пластину 4. В одном из вариантов (рисунок 2, в) сверло, помещённое в середину элек­тромагнитной катушки, служило её сердечником. Магнитную ин­дукцию поля в зоне резания регулировали, изменяя силу тока в катушке, и поддерживали на уровне 30 мТл.

Эффективность действия магнитной СОЖ оценивали по крутящему моменту при посто­янных параметрах режима сверления. Крутящий момент измеряли с помощью высокочувст­вительного тензиометрического динамометра УДМ-100. Результаты измерений показали, что создание магнитного поля в зоне резания приводит к уменьшению крутящего момента по сравнению с его значением при использовании магнитной СОЖ, но без магнитного поля. Крутящий момент при сверлении без магнитного поля составил 5,4  Н . м. Наложение маг­нитного поля приводило к уменьшению крутящего момента. Так, при использовании вариан­тов, приведённых на рисунке 2 (а, б, в, г) крутящий момент составил соответственно 4,6; 5,3; 4,7; 4,9 Н . м. Из этих данных видно, что наиболее эффективен вариант, в котором режущий инструмент служит элементом магнитной системы. Удобен и эффективен вариант, показан­ный на рисунке 2, в. Он наиболее приемлем на практике, позволяет обойтись без магнито­проводов, а при намагничивании самого инструмента и без внешнего источника магнитного поля. Этот способ использовали во всех дальнейших исследованиях действия магнитных СОЖ при резании металлов.

Рисунок 3. Сверло (а, б) и развёртка (в) с магнитной СОЖ: а – при В = 40 мТл; б – при В = 30 мТл;  в – при В = 25 мТл.

 

На намагниченном сверле магнитная СОЖ удерживается в количестве, пропорциональ­ном индукции магнитного поля в данной точке. СОЖ оседает на сверле и распределя­ется по его режущим кромкам под действием магнитного поля при лёгком соприкоснове­нии вершины сверла с поверхностью жидко­сти, находящейся в ёмкости, располагаясь в виде конусообразных выступов (рисунок 3) в местах наибольшей индукции магнитного поля по режущим кромкам сверла на его рабочей части непостоянным по толщине слоем. Больший объём СОЖ удерживается в области пере­сечения главной и вспомогательной режущей кромок и на перемычке.

Рисунок 4. Кривые распределения магнтной индукции В поля по длине l режущих кромок намагниченного сверла при различной МДС F: 1 – при F = 1,5 кА; 2 – при F = 1,0 кА; 3 – при F = 0,5 кА; 4 – при F = 0 (остаточная намагниченность).

Анализ характеристик магнитного сверла показал, что магнитная индукция максимальна в точках пересечения ре­жущих кромок инструмента, то есть на вершине сверла – в точках пересечения главной режущей кромки со вспомога­тельной, а также главной и вспомогательной задних поверх­ностей с поверхностью стружечной канавки сверла. В этих точках магнитная индукция примерно одинакова и состав­ляет 40 – 45 мТл при магнитодвижущей силе (МДС) 1,5 кА. С увеличением МДС магнитная индукция на вершинах и в других точках режущих кромок возрастает (рисунок 4). В середине главной режущей кромки она меньше, чем по краям и у вершины. По длине вспомогательной режущей кромки магнитная индукция уменьшается по мере удаления от вершины.

Математическая аппроксимация полученных результатов показывает, что зависимость магнитной индукции (мТл) на ленточке от сверла МДС F (кА) и расстояния l (мм) от вершины можно выразить уравнением вида:     

B = B0 + C F 0,46 e – 0,3l

где В0 – остаточная магнитная индукция, мТл; С – постоянная.

Такое распределение магнитной индукции и соответствующего объёма магнитной СОЖ по элементам режущей части сверла следует признать благоприятным, поскольку именно эти участки наиболее нагружены и наиболее интенсивно изнашиваются при работе сверла. Из изложенного следует, что изменением силы F можно менять магнитную индукцию. Однако результаты специальных опытов показали, что эффективность действия магнитной СОЖ слабо зависит от магнитной индукции удерживающего её поля. В связи с этим в дальнейшем индукцию устанавливали минимально необходимой для удержания СОЖ на рабочих по­верхностях инструментов.

 

Рисунок 5. Варианты создания магнитного поля на режущей части инструмента.

Для намагничивания режущего инструмента можно устанавливать постоянные магниты на зажимной или режу­щей частях, причём магниты должны быть защищены от внешнего воздействия. Корпус 2 (рисунок 5) изготовляют из немагнитного материала (например, из стали 12Х18Н10Т). Постоянные магниты 3 располагают в полостях корпуса 2 или в специальном контейнере 12 (также из немагнитного мате­риала). Магнитный поток от полюса постоянного магнита подводится к режущей части 6 по магнитопроводам, выпол­ненным в виде стальных стержней 4 или каналов, которые плотно заполнены магнитным железным порошком 5. Естест­венно, что каналы сложной формы лучше заполнять желез­ным порошком, а их выходные части плотно закрывать ко­роткими стальными стержнями (пробками) 4 для исключения вытягивания магнитного по­рошка из каналов при смене магнитов или режущих пластин.

Постоянные магниты можно устанавливать непосредственно на режущих пластинах инст­румента при лёгких режимах, когда магниты не подвергаются воздействию высокой темпе­ратуры, при которой они теряют свои магнитные свойства. В остальных случаях постоянные магниты следует располагать в местах, достаточно удалённых от зоны резания и защищённых от действия высоких температур. Замыкание магнитного потока не обязательно, но желательно для более рационального использования энергии постоянных магнитов. Магнитный поток может замыкаться по режущей части 6 и стружколому 7 через магнитную СОЖ 1 или по режущей части 6 и специальному подпружиненному стальному стрежню 8 через тело обрабатываемой детали 9 из магнитного материала. Осевой инстру­мент 10 можно закреплять в резьбовом отверстии контейнера 12 с конусным хвостовиком 13 и припаивать твёрдым припоем к цилиндрическому хвостовику 11.

Рисунок 6. Осевой режущий инструмент (развёртка) с замыканием магнитного потока через режущую часть (а) или дополнительные магнитопроводы (б) для подачи магнитной СОЖ в зоне резания.

Оригинальная конструкция инструмента (А. С. № 1484471 СССР, МКИ4 B 23 B 51/06), показанного на ри­сунке 6, обеспечивает циркуляцию магнитной СОЖ в зоне резания под действием термомагнитной конвекции. Режу­щий инструмент (например, развёртка) имеет корпус 1 из немагнитного материала, магнитную режущую часть 2, расположенную под углом к прямым лезвиям 3, постоян­ные магниты 4 и зажимную часть в виде посадочного от­верстия д. Пространство между режущими кромками обра­зует канал г для магнитной СОЖ 5. Выполняющие роль магнитопроводов режущие кромки 2 и 3 расположены так, что расстояние между ними уменьшается по мере приближения к главным режущим кром­кам 6. Режущие кромки попарно соединены между собой постоянными магнитами и обра­зуют замкнутые магнитные контуры.

В процессе работы магнитная СОЖ, попавшая на рабочие кромки 2 и 3, перемещается по каналу г  в зону в наибольшей напряжённости магнитного поля под действием МДС, направленной в область максимальной напряжённости поля, и попадает в зону резания – на режущие кромки. Под действием высокой температуры в зоне резания магнитные свойства СОЖ ухудшаются, вследствие чего она выносится стружкой из зоны резания. Охлаждённая за пределами зоны резания СОЖ восстанавливает свои магнитные свойства и снова втягива­ется в зону резания под действием градиента напряжённости магнитного поля.

Таким образом, подводом в зону резания магнитной СОЖ и удерживанием её на режущем лезвии при любом пространственном положении инструмента в условиях глубокого вакуума и других тяжёлых условиях увеличивают срок службы режущего инструмента, уменьшают параметры шероховатости и повышают качество обработанной поверхности.

В рассмотренном инструменте можно устанавливать дополнительные магнитопроводы 7 в виде стержней из магнитного материала (стали). Эти стержни образуют замкнутый магнитный контур с магнитами 8 и режущей частью 9. На рисунке 6 конструкиця инструмента показана упрощённо. В действительности инструменты могут иметь большее число режущих лезвий или магнитопроводов, образующих попарно замкнутые магнитные контуры.

 

 

Рисунок 7.Схемы намагничивания сверла (а) и метчика  (б)

импульсным воздействием сильного магнитного поля.

 

Инструменты из магнитотвёрдых материалов типа углеродистой и быстрорежущей зака­лённых сталей можно намагничивать импульсным воздействием на них сильного магнитного поля. Зажимную часть этих инструментов желательно изготовлять из немагнитного мате­риала. При этом для намагничивания следует использовать специальную оснастку, обеспе­чивающую создание магнитного потока (рисунок 7) между полюсами через режущую маг­нитную часть 2 инструмента и магнитопроводящие элементы 1 и 3, минуя немагнитную за­жимную часть 4. Элементы 1 и 3 изготавливают из мягкой стали для исключения поломки рабочих частей и режущих кромок инструмента.

Результаты измерения магнитной индукции в отдельных точках поверхности по всей длине намагниченных инструментов показали, что индукция максимальна на концах магнит­ных частей инструмента и составляет 20 – 35 мТл в зависимости от конструкции инстру­мента и свойств материала, из которого он изготовлен.

В таблице 3 приведены результаты измерений магнитной индукции в разных точках по длине осевых инструментов (сверла диаметром 9,8 мм и длиной 125 мм, развёртки диамет­ром 10 мм и длиной 130 мм и метчика М12Х1,5м длиной 90 мм, изготовленных из быстро­режущей стали Р18). Измерения выполнены в десяти точках по длине инструмента; в точке, расположенной на торце по оси режущей части, в точке на пересечении режущих кромок и далее через равные промежутки до конца зажимной линии. Магнитная индукция поля благо­приятно распределяется по длине режущих инструментов. Индукция максимальная на кон­цах инструментов; на режущей части она достаточна для удержания магнитной СОЖ во время работы. Уменьшение магнитной индукции до нуля в середине части инструмента способствует тому, что СОЖ не стягивается МДС в середину инструмента, а остаётся на его режущей части. Для всех инструментов магнитная индукция максимальная в точках на вы­ступающих элементах: на вершинах режущих лезвий сверла и развёртки, в точках пересече­ния их главной и вспомогательной режущих кромок и на первых режущих зубьях метчика.

 

 

Инструмент

Магнитная индукция, мТл, в точке

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Сверло

34

26

19

6

2

0

1

6

13

35

Развёртка

21

25

15

8

1

1

5

7

10

22

Метчик

18

21

10

7

0

0

2

5

10

15

 

Таблица 3. Распределение магнитной индукции

по длине намагниченных режущих инструментов.

 

Все рассмотренные способы наложения магнитного поля на режущие инструменты при­годны для удержания магнитной СОЖ в зоне резания, но в каждом конкретном случае меха­нической обработки следует выбирать наиболее удобный и достаточно эффективный.

 

4. ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНЫХ СОЖ ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ 

 

В процессе резания при механической обработке металлов и других конструкционных ма­териалов магнитные жидкости должны выполнять те же функции, что и обычные СОЖ, и обеспечивать уменьшение сил резания и параметров шероховатости обработанной поверхно­сти, повышение стойкости режущего инструмента. В проведённых исследованиях эффектив­ность действия магнитных СОЖ при резании металлов оценивали по влиянию их на силу ре­зания, высоту микронеровностей, изнашивание режущего инструмента; одновременно оце­нивали усадку и пластическую деформацию срезаемого слоя.

Динамометрические испытания для проверки действия магнитных СОЖ на силу резания проводили при сверлении и рассверливании  отверстий и нарезании в них резьбы метчиками. Указанные операции выполняли на вертикальном сверлильном станке (модель 2А135). Во всех опытах использовали инструменты из быстрорежущей стали Р6М5, намагниченные им­пульсным воздействием на них сильного магнитного поля. Намагничивание инструмента обеспечивало удержание на них в процессе работы магнитных СОЖ, нанесённых на инстру­мент в дозированном количестве перед началом резания. Свойства магнитных СОЖ указаны в таблице 4.

Активность действия магнитных СОЖ оценивали по крутящему моменту, который изме­ряли с помощью специального динамометрического стола и системы (модели Э – 209) изме­рения моментов с записью аналоговой величины измеряемого момента на ленту самопишу­щего потенциометра.

В первой серии опытов исследована зависимость крутящего момента от диаметра сверла и параметров режима резания при рассверливании отверстий в образцах из сплавов: алюми­ниевого АЛ3, цинкового ЦАМ10-5, титанового ВТ1 – 0 и коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т. Для уменьшения числа опытов исследования проводили с использованием ме­тодов математического планирования эксперимента и математической статистики. Опыты выполняли согласно матрице полного факторного эксперимента типа 23 с обработкой полу­ченных результатов на ЭВМ. Значимость коэффициентов уравнения регресии оценивали по критерию Стьюдента, адекватность полученных уравнений проверяли по критерию Фишера при 5%-ногм уровне значимости. В качестве технологических внешних сред использовали магнитные СОЖ на основе минерального приборного масла и кремнийорганической жидко­сти (таблица 4, № 2 и 3). В результате получены зависимости крутящего момента от диа­метра сверла и параметров режима резания:

МКР = CM D q t x s y v z                   (2)

где МКР – крутящий момент, Н . м; СМ – коэффициент, численно равный удельному крутя­щему моменту; D – диаметр сверла, мм; q, x, y, z – показатель степени; t – глубина резания, мм; s – подача, мм / об; v – скорость резания, м / мин.

 

Таблица 4. Свойства магнитных технологических СОЖ

 

№

Основа СОЖ

Объёмная доля магнетита, %

Плотность,

г/ см3

Намагниченность насыщения,

кА / м

Наименование

Марка

1

Масло

минераль­ное индустриаль­ное

 

И-Г-А-32

 

10,1

 

1,32

 

38,6

2

Масло минеральное индустриальное

 

И-Л-А-10

 

15,0

 

1,46

 

52,4

3

Масло трансмиссионное

ТАД-17и

7,0

1,10

17,6

4

Жидкость силиконовая

ПЭС-5

7,3

1,29

26,3

5

Жидкость силиконовая

ПЭС-5

7,8

1,32

28,1

6

Жидкость силиконовая

ПЭС-5

6,0

1,31

33,5

7

Жидкость силиконовая

ПЭС-1

12,0

1,43

42,0

8

Жидкость силиконовая

ПЭС-В-2

11,0

1,43

42,0

9

Жидкость силиконовая

ПЭС-4

14,0

1,53

48,0

10

Вода дистиллированная

– 

6,0

1,21

21,3

11

Керосин

–

13,5

1,42

49,0

 

Значения удельного крутящего момента СМ  и показателей q, x, y, z даны в таблице 5, где приведены и показатели механических свойств обрабатываемых материалов. Анализ данных этой таблицы показывает, что удельный крутящий момент возрастает с повышением предела прочности обрабатываемого материала; при этом влияние глубины резания и подачи прояв­ляется слабее, а влияние скорости резания и подачи проявляется слабее, а влияние скорости резания несколько усиливается, но в целом во всех случаях остаётся незначительным. Наи­больший крутящий момент (18 – 19 Н . м) выявлен при рассверливании отверстий в сплаве АЛ3 при тех же параметрах режима резания. Проведённое для сравнения рассверливание от­верстий без смазочного материала показало, что во всех случаях крутящий момент на 10 – 15 % превышал значения, полученные при использовании магнитной СОЖ в зависимости от марки и свойств обрабатываемого материала.

 

Таблица 5. Механические свойства обрабатываемых материалов

и значения коэффициентов и показателей степени в уравнении (2).

 

Материал

sВ, МПа

НВ, МПа

CМ

q

x

y

z

АЛЗ

120

645

0,34

1,2

0,9

0,9

 – 0,05

ЦАМ 10-5

300

981

0,41

1,1

0,8

0,9

– 0,04

ВТ1 – 0

450

1765

0,92

1,0

0,7

0,8

– 0,10

12Х18Н10Т

550

1569

2,40

1,0

0,6

0,7

– 0,20

 

Исследовано влияние магнитных СОЖ на крутящий момент при сверлении отверстий в сплошном материале и нарезании резьбы метчиками в образцах из титанового сплава       ВТ1 – 0. Исследование проведено методом прямого однофакторного эксперимента. Диаметр свёрл изменяли в диапазоне 4,0 – 10,5 мм, подачу – 0,1 – 0,4 мм / об, скорость резания – 1,5 – 14,6 м / мин. В указанных диапазонах изменения параметров режима резания крутящий мо­мент:

МКР = 0,65 D 1,87 s  0,86  v – 0,26 K                   (3)

где К – коэффициент (К = 1,0 при резании без смазочного материала,

К = 0,8 – 0,85 при резании с магнитной СОЖ).

Применение магнитных СОЖ на основе минерального масла или кремнийорганической жидкости дало одинаковые результаты. Эффективность действия таких СОЖ, примерно одинаковая во всех опытах, обеспечивала уменьшение крутящего момента на 15 – 20 % по сравнению с данными для резания без смазочного материала. Подобные эксперименты по сверлению отверстий в алюминиевом сплаве Д1, выполненные также по рациональному плану с обработкой полученных данных на ЭВМ, дали аналогичные результаты. Зависи­мость крутящего момента от параметров режима резания имеет вид:

МКР = 0,65 D 1,76 s  0,83  v – 0,05 K                    (4)

где удельный крутящий момент при сверлении без смазочного материала СМ = 0,34, при сверлении с магнитной СОЖ СМ = 0,29.

Как видно, и в этом случае магнитная СОЖ обеспечивает уменьшение крутящего момента на 15 %, то есть достаточно эффективно влияет на процесс резания [27].

Рисунок 8. Зависимость крутящего момента МКР от подачи S  при сверлении титанового сплава ВТ1 – 0  свёрлами с покры­тием нитридом титана: 1 – без СОЖ; 2 – с минеральным маслом И-Г-А-32; 3 – с СОЖ на основе минерального масла    И-Г-А-32.

Интересные данные получены при сверлении отверстий в де­тали из сплава ВТ 1 – 0 свёрлами из быстрорежущей стали Р6М5К5 с покрытием их режущей части нитридом титана. Сверление проводили без смазочного материала с индустриаль­ным маслом И-Г-А-32 с магнитной СОЖ на основе этого масла. В аналогичных условиях резания с одинаковыми параметрами режима крутящий момент при работе свёрлами с покрытием значительно больше, чем при использовании свёрл без покры­тия. Это можно объяснить, видимо, лишь большим химическим сродством материала покрытия к обрабатываемому материалу. Указанное обстоятельство было использовано для повышения чувствительности системы резания к действию внешней среды. Действительно, при подаче в зону резания смазочной жидкости крутящий момент уменьшается в 1,5 – 2,0 раза по сравнению со значением при резании без смазочного материала (рисунок 8). Магнитная СОЖ больше снижает крутящий момент по сравнению с маслом И-Г-А-32, на основе которого она приготовлена. Следует обратить вни­мание на то, что с увеличением подачи это различие возрастает. При малой подаче (s = 0,1 мм / об), которой соответствует толщина среза 0,043 мм, крутящие моменты одинаковы при сверлении с МЖ и с её немагнитной основой (маслом И-Г-А-32). Эти данные хорошо согла­суются с результатами испытания узлов трения и смазочных свойств СОЖ. По сравнению с основой (маслом) магнитная МОЖ имеет более высокую несущую способность, выдержи­вает большие напряжения и более термостойка.

При нарезании резьбы М12х1,5 в титановом сплаве ВТ1 – 0 метчиками мс намагниченной рабочей частью (BMAX = 20 – 25 мТл) применение магнитных СОЖ обеспечивало уменьше­ние крутящего момента (по сравнению со значением при резании без СОЖ) на 25 – 30 % при скорости резания 1,5 м / мин, на 10 – 12 % при скорости 6 м / мин. При использовании маг­нитных СОЖ витки нарезанной резьбы всегда имели чистую поверхность и правильную геометрическую форму. Сопоставлены эффективности действия разных жидкостей: мине­рального масла И-Г-А-32; минерального масла с магнитным наполнителем; минерального масла с удвоенной долей магнитного наполнителя; кремнийорганической жидкости; крем­нийорганической жидкости с магнитным наполнителем; кремнийорганической жидкости с удвоенной долей магнитного наполнителя; кремнийорганической жидкости с магнитным на­полнителем и активными присадками.

Операция нарезания резьбы удобна для сравнительной оценки смазочного действия маг­нитных СОЖ. Каждый зуб режущей части метчика срезает очень тонкую стружку, толщина среза 0,04 – 0,05 мм. Такое резание приближается по виду к условиям тяжёлого режима тре­ния по ювенильной поверхности. Калибрующая часть метчика находится в условиях упру­гого последействия обработанной поверхности витков резьбы. Таким образом, создаются ус­ловия, при которых смазочные свойства и смазочное действие технологической среды про­является наиболее ярко. Эти опыты пятикратно повторяли. Результаты показали, что введе­ние магнитного наполнителя обеспечивает уменьшение крутящего момента по сравнению с его значением, полученным при испытаниях основы СОЖ. При удвоенной доле магнитного наполнителя эффективность действия магнитной СОЖ усиливается. Добавление специальных режущих присадок в магнитную СОЖ значительно повышает эффективность её действия и уменьшает крутящий момент на 20 и 10 – 15 % по сранению со значениями при использовании соотвественно базовой жидкости и магнитной СОЖ на её основе. Результаты исследований показывают, что магнитные СОЖ обладают достаточно высокими смазочными (режущими) свойствами, а воздействие их на процесс резания усиливается с улучшением их магнитных свойств.

Влияние магнитных СОЖ на параметры шероховатости обработанной поверхности иссле­довали при развёртывании отверстий в титановом сплаве ВТ1 – 0, меди М2 и алюминиевом сплаве Д1. При этом использовали развёртки из быстрорежущей стали Р6АМ5.  В процессе развёртывания измеряли крутящий момент, а после обработки отверстий определяли пара­метры шероховатости поверхности на профилометре-профилографе (модель 201).

В этих опытах не выявлены заметные преимущества магнитных СОЖ по сравнению с их основой. Параметры шероховатости обработанных поверхностей после развёртывания от­верстий с использованием минеральных масел и магнитных СОЖ на их основе были одина­ковые. При использовании в качестве СОЖ кремнийорганической жидкости ПЭС-5 высота микронеровностей обработанной поверхности была на 20 – 30 % больше, чем при резании с минеральными маслами, а применение магнитной СОЖ (смотрите таблицу 4, № 5 и 6) на той же основе (ПЭС – 5) обеспечивало получение таких же параметров шероховатости поверхности, как и во всех остальных случаях при работе с минеральным маслом или маг­нитной СОЖ на его основе.

Попытка выявить влияние напряжённости магнитного поля на крутящий момент и пара­метры шероховатости обработанной поверхности при  развёртывании отверстий в меди М2 и в алюминиевом сплаве Д1 не позволила сделать определённых выводов по этому вопросу. Хотя показатели степени в уравнениях зависимости крутящего момента и высоты неровно­стей профиля поверхности магнитной индукции В (мТл) при  развёртывании меди М2 отри­цательны, однако абсолютная величина их мала:

МКР = С М  В – 0,01                                                     (5)

R Z = C R B – 0,2                                                        (6)

где CR – константа, характеризующая условия резания.

При развёртывании алюминиевого сплава Д1 показатели степени положительны; это сви­детельствует о том, что увеличение индукции наложенного на инструмент магнитного поля приводит к росту крутящего момента и высоты неровностей профиля поверхности после об­работки:

МКР = С М В  0,09                                                     (7)

R Z = C R B 0,14                                                         (8)

Полученные при обработке разных материалов данные не могут быть одинаковыми. Так как при обработке меди на режущей части не образуется нарост, полученные при её обра­ботке данные следует признать более достоверными, но для окончательного выяснения влияния напряжённости магнитного поля на эффективность действия магнитной СОЖ при резании и микрогеометрию обработанной поверхности требуется провести специальные ис­следования.

Исследовано влияние технологической МЖ на износ режущего инструмента. Исследова­ние проводили при сверлении отверстий в коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т свёрлами из быстрорежущей стали Р6АМ5. Резание проводили без смазочного материала, с минераль­ным маслом И-Г-А-32 и с технологической СОЖ на основе минерального трансмиссионного масла с противоизносными присадками (смотрите таблицу 4, № 32) в сплошном образце без выхода сверла. В процессе резания через равные промежутки времени измеряли износ сверла по главным задним поверхностям и ленточке.

 

 

Рисунок 9. Зависимость износа hS по задней поверхности от времени резания t при сверле­нии отверстий в коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т: 1 – без СОЖ; 2 – с минеральным маслом И-Г-А-32; 3 – с магнитной СОЖ на основе минерального масла Т-17и. 

Зависимость износа свёрл по главной задней поверхности от времени резания приведена на рисунке 9. При сверлении без СОЖ сверло проработало до полного разрушения лишь 6 минут; сверление с минеральным маслом было прекращено через 24 минуты из-за большого износа и характерных вибраций и скрипа, всегда предшествующих поломке сверла вследст­вие его адгезионного схватывания с обрабатываемым материалом. При  сверлении с магнит­ной СОЖ сверло проработало более 40 минут, едва достигнув нормативного износа лишь по одной режущей кромке. Если периоды стойкости свёрл определить для каждого случая по нормативному критерию затупления hЗ. Н. = 0,6 мм, то соотношение периодов составит         1 :  5,3  : 11,4, то есть при сверлении с магнитной СОЖ стойкость сверла повышается в 11,4 раза по сравнению со стойкостью при сверлении без СОЖ и в 2,2 раза по сравнению со стойко­стью при сверлении в минеральном масле.

Анализ вида изношенных поверхностей позволяет предположить, что в условиях прове­дения эксперимента на принятом режиме резания преобладает адгезионное изнашивание ре­жущей части сверла. В отличие от минерального масла магнитная СОЖ, вероятно, создаёт на трущихся и изнашиваемых поверхностях сверла надёжно удерживаемый магнитным полем тонкий смазочный слой, который экранирует силы молекулярного взаимодействия и сущест­венно снижает интенсивность адгезионного изнашивания режущего инструмента. Отсутст­вие глубоких царапин, рисок и других слоёв абразивного воздействия на работавшем с маг­нитной СОЖ сверле показывает, что её смазочные свойства достаточны для уменьшения ин­тенсивности даже абразивно-механического изнашивания инструмента при резании метал­лов.

Хорошие результаты от использования магнитных СОЖ в качестве технологической среды получены при фрезеровании узких пазов в титановом сплаве ВТ1 – 0. Фрезерование производили на универсальном инструментальном станке дисковыми фрезами из быстроре­жущей стали Р6АМ5 диаметром 75 мм и толщиной 2 мм. Пазы фрезеровали за один проход на глубину 2,5 мм, без смазочного материала, с водной эмульсией и с магнитной СОЖ на ос­нове кремнийорганической жидкости ПЭС-4 (смотрите таблицу 4, № 9).

Для внезонного смазывания зубьев фрезы использовали специальный смазочный узел, по­добный применяемому в червячном редукторе. Отличие состояло лишь в том, что полюсные наконечники были выполнены в виде гладких дисков из магнитной резины, зажатых между стальными шайбами. Магнитный поток от источника магнитного поля замыкался через маг­нитопроводы и расположенные на них диски. Магнитная СОЖ удерживалась на дисках и между ними, во впадинах между зубьями фрезы, обеспечивая таким образом смазывание их рабочих поверхностей. Поскольку фреза намагничивалась полем полюсных наконечников, между которыми она размещалась, СОЖ надёжно удерживалась на фрезе и не разбрасывалась при её вращении. Полюсные наконечники получали вращение от контакта резиновых дисков с фрезой. В связи с тем, что стружка титанового сплава вследствие своей значительной вязкости и высоко адгезионной способности в контакте с быстрорежущей ста­лью забивала впадины между зубьями фрезы и самостоятельно не удалялась из них, необхо­димо было очищать впадины между зубьями фрезы от стружки. Для этого резиновые диски располагали против впадин между зубьями и смещали один относительно другого по окруж­ности. Соприкасаясь с забившейся между зубьями стружкой, резиновые диски выталкивали её и обеспечивали очистку впадин между зубьями; в результате резко повышалась стойкость фрезы и уменьшалась шероховатость обработанной поверхности пазов.

При фрезеровании без СОЖ впадины между зубьями фрезы полностью забивались струж­кой после обработки паза длиной лишь 100 – 120 мм. Фреза сильно разогревалась; на её ра­бочих поверхностях появлялась оксидная плёнка бурого цвета. Износ зубьев катастрофиче­ски интенсифицировался. Использование эмульсии улучшало условия работы фрезы, но не исключало забивания впадин стружкой. Износ зубьев фрез по из задней поверхности при ра­боте без СОЖ – 0,5 мм, с водной СОЖ – 0,1 мм, с магнитной СОЖ – 0,02 мм. При этом и длина профрезерованных пазов была различная. С учётом этой длины относительный износ зубьев фрез при работе без СОЖ, с водной и магнитной СОЖ составил соответственно     2,23 . 10 – 3; 3,08 . 10 – 4 и 3,04 . 10 – 5.        

Высокая эффективность применения МЖ объясняется не только её смазочными свойствами или влиянием магнитного поля, но и лучшей очисткой впадин между зубьями фрезы от стружки под действием резиновых дисков полюсных наконечников. При очистке впадин фрез от стружки вручную замечено, что после работы фрез с МЖ стружку из впадин удалить значительно легче, чем осле работы с эмульсией или без неё. Это свидетельствует о том, что МЖ обеспечивает лучшее смазывание контактных поверхностей инструмента и ос­лабляет адгезионное взаимодействие его с обрабатываемым материалом.

Параметры шероховатости поверхности обработанных пазов во всех случаях были раз­личные. После фрезерования без смазочного материала на поверхности пазов оставались на­липы, ориентированные по траектории движения зуба фрезы. Вся поверхность паза была по­крыта оксидными плёнками от бурого до синего цветов побежалости, что свидетельствует о сильном разогревании не только фрезы, но и обрабатываемой заготовки. После фрезерования с водной или магнитной СОЖ цвета побежалости на заготовках полностью отсутствовали, обработанная поверхность была значительно менее шероховатой, налипов на ней не было.

 

 

Рисунок 10. Цанговое приспособление для мгновенного прекращения резания.

 

Для оценки влияния магнитных СОЖ на пластическую деформацию срезаемого слоя в зоне стружкообразования исследованы корни стружки, полученной при свободном резании стали 40Х, коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т, алюминиевого сплава АМг6 и меди М2. Корни стружки получены при мгновенном прекращении резания с помощью приспособления (рисунок 10), корпус 1 которого закреплён в патроне токарного станка. Образец 6 из обраба­тываемого материала соединён на резьбе со втулкой 2, установленной на цанге 4 и закреп­лённой на ней винтом 5 с конусом 3. После закрепления втулки 2 винт 5 вывинчивают из ко­нуса 3 на четыре-пять оборотов. При этом конус 3 силами трения удерживается в цанге 4 и втулка 2 остаётся закреплённой на цанге и корпусе приспособления. При установившемся режиме в заданный момент включают электромагнит 8, закреплённый на пиноли задней бабки, его сердечник ударяет по винту 5; в результате конус 3 смещается, освобождает цангу 4, скрепляющую втулку 2 с образцом 6, и резание резцом 7 мгновенно прекращается. После этого корень стружки вырезали из образца и обрабатывали для получения микрошлифа в главной секущей плоскости.

 

Таблица 6. Коэффициент усадки стружки

при резании без СОЖ (числитель) и с СОЖ (знаменатель).

 

Подача,

мм / об

Обрабатываемый материал

Сталь 40Х

12Х18Н10Т

Медь М2

Сплав АМг6

0,11

4,3 ° / 5,2 °

9,1 / 8,2

12,0 / 5,9

7,1 / 4,1

0,23

1,9 ° / 2,0

6,1 / 4,3

10,5 / 4,0

2,4 ° / 3,1

0,34

3,5 / 2,5

5,0 / 4,0

9,0 / 3,8

2,1 ° / 1,6

0,43

–

4,2 / 3,7

–

2,3 / 1,7

0,52

–

–

–

2,1 / 1,9

 

По микрошлифам оценена деформация срезаемого слоя, наличие нароста, наличие на­роста, интенсивность пластической деформации (по текстуре прирезцовых слоёв стружки), усадка стружки. Кроме того, усадку стружки определяли традиционным весовым способом. Резание проведено с малой скоростью (3 м / мин) для получения устойчиво повторяющихся результатов. Данные измерения усадки стружки (таблица 6) показывают, что почти во всех случаях при резании с магнитной СОЖ усадка меньше, чем без СОЖ. Исключение составили случаи образования устойчивого нароста, при котором передний угол увеличивается, что приводит к уменьшению деформац3ии срезаемого слоя. При резании со смазочной МЖ на­рост не образуется из-за уменьшения коэффициента трения на контактных площадках перед­ней поверхности. При этом срезаемый слой подвергается большей пластической деформа­ции, поскольку передний угол режущей части не увеличивается и остаётся равным исход­ному значению (5°). В случаях, когда нарост не образуется, усадка стружки меньше при ре­зании с МЖ, что свидетельствует о её хорошем смазочном действии и существенном влия­нии на процесс резания.

 

Рисунок 11. Микрофотография корня стружки, по­лученной при резании стали 20 на воздухе без СОЖ (а) и с магнитной СОЖ (б).

На рисунке 11 приведены фотографии микро­шлифов корней стружки, полученной при свобод­ном резании стали 20 резцом из быстрорежущей стали Р18. Микрошлифы корней стружки сделаны в глав­ной секущей плоскости. Для исключения образова­ния нароста точение проводили при очень малой скорости (1,2  м / мин) и подаче 0,1 мм / об. Во всех опытах параметры режима резания были постоянны; изменяли условия охлаждения и смазывания зоны резания, меняя технологическую среду. Резание вы­полняли на воздухе без СОЖ, с магнитной СОЖ на основе керосина (смотрите таблицу 4, № 11) без соз­дания в зоне резания магнитного поля (резец не на­магничен) и с созданием магнитного поля (резец на­магничен). В последнем случае магнитная индукция поля на рабочем участке режущей кромки резца со­ставляла 30 – 35 мТл. Результаты опытов позволили оценить влияние магнитной СОЖ на процесс резания.

При резании без СОЖ срезаемый слой сильно деформирован, характер деформации слож­ный без определённого направления сдвигов элементарных объёмов срезаемого слоя. Тек­стура прирезцовых слоёв стружки свидетельствует о схватывании обрабатываемого мате­риала с материалом резца. В этой области линии текстуры расположены хаотично, под очень малым углом к прирезцовой поверхности как в направлении схода стружки (рисунок 11, a)б так и в противоположном направлении. Поверхность скалывания криволинейная, угол ска­лывания очень мал (лишь 9 – 10 ° ); стружка сходит комками.

Резание с магнитной СОЖ происходит значительно легче. Стружка имела обычный вид, комкования не наблюдалось. На микрофотографии корня стружки (рисунок 11, б) видно, что пластическая деформация срезаемого слоя происходила без образования узлов схватывания. Линии текстуры стружки расположены параллельно. Угол скалывания ( по сравнению со значением при резании без СОЖ) почти вдове больше (17 – 20 °). Характер стружки при ре­зании с МЖ одинаковый при  наличии магнитного поля и без него, усадка стружки в послед­нем случае несколько больше.

Коэффициент усадки стружки, определённый как отношение её толщины к толщине среза, вор всех трёх случаях различный. При резании без СОЖ коэффициент усадки стружки меня­ется по её длине от 5,3 до 8,0, при резании с магнитной СОЖ при наличии магнитного поля он равен 3,8, без магнитного поля – 4,0. Различие в двух последних случаях невелико, но всё-таки заметно.

Результаты осмотра корня стружки показали, что при резании без СОЖ на прирезцовой поверхности стружки и поверхности образца имеются глубокие борозды от крупных дефор­мированных частиц обрабатываемого материала и следы схватывания его с инструментом. На тех же поверхностях корня стружки при резании с магнитной СОЖ царапины значи­тельно мельче и ровнее, следы вторичной деформации в результате схватывания прирезцо­вых слоёв стружки полностью отсутствуют. Изложенное свидетельствует о позитивном влиянии магнитной СОЖ на процесс пластической деформации срезаемого слоя и уменьше­ния трения на площадках контакта инструмента с обрабатываемым материалом. Можно предположить, что магнитное поле, наложенное на зону резания и магнитную СОЖ, усили­вает её проникающую способность и улучшает смазочное действие.            

5. РЕЗАНИЕ С МАГНИТНЫМИ СОЖ В ВАКУУМЕ

 

Исследовано действие СОЖ в условиях вакуума при сверлении отверстий и нарезании резьбы. Резание проводили в вакуумной камере (смотрите рисунок 6), дополнительно осна­щённой устройствами для закрепления в ней образцов обрабатываемых материалов и режу­щего инструмента. В качестве обрабатываемых материалов использовали коррозионно-стой­кой стали 12Х18Н10Т, титанового сплава ВТ1 – 0 и алюминиевого сплава Амг6. При  свер­лении и рассверливании отверстий для имитации работы ручным механизированным инст­рументом при осевом перемещении свёрл прикладывали осевое усилие через рычажную сис­тему вакуумной камеры. При нарезании резьбы движение подачи метчиков происходило вследствие самозатягивания. Скорость резания регулировали изменением частоты вращения шпинделя машины трения.

Исследовано действие магнитных СОЖ при сверлении отверстий в стали 12Х18Н10Т и рассверливании отверстий в титановом сплаве ВТ1 – 0. При этом осевое усилие, приложен­ное к инструменту, составило 0,9 кН. Частота вращения шпинделя с инструментом была по­стоянной во всех опытах; скорость резания равна 10,8 м / мин. Резание проводили без сма­зочного материала и с магнитной СОЖ в среде атмосферного воздуха и в вакууме. СОЖ удерживалась в зоне резания магнитным полем намагниченного сверла. Сверло 10 (смотрите рисунок 5) резьбой, нарезанной на его хвостовой части, закреплено в контейнере 12 из не­магнитной коррозионно-стойкой стали; хвостовик 13 установлен в конусном отверстии шпинделя машины. К плоской торцовой поверхности зажимной хвостовой части присоеди­няли постоянные магниты 3. Изменяя число магнитов, регулировали магнитную индукцию на режущих кромках сверла, устанавливая её минимальной, но достаточной для удержания СОЖ на режущем инструменте (сверле) при  заданной частоте вращения. Несмотря на не­значительную магнитную индукцию, составляющую на режущих кромках сверла лишь 10 – 15 мТл, СОЖ надёжно удерживалась в зоне резания. В каждом опыте измеряли крутящий момент и время сверления отверстий заданной глубины. Для наиболее полной оценки эф­фективности действия СОЖ в процессе резания рассчитывали выполненную при этом ра­боту.

 

 

 

Рисунок 12. Диаграммы крутящего момента МКР, времени резания t и затраченной работы А при сверлении отверстий в образцах из стали 12Х18Н10Т (а) и титанового сплава ВТ1 – 0 (б): 1 – без СОЖ в среде атмосферного воздуха; 2 – с магнитной СОЖ в среде атмосферного воздуха; 3 – без СОЖ в вакууме; 4 – с магнитной СОЖ в вакууме.  

 

Результаты исследования (рисунок 12) показывают, что крутящий момент при  резании в вакууме всегда больше, чем при резании в среде атмосферного воздуха. Резание без СОЖ в вакууме сопровождается резкими изменениями крутящего момента. Неровная стружка с об­рывами свидетельствует о сильном схватывании в зоне резания. Время резания значительно больше, чем при резании на воздухе. В течение нескольких первых секунд (иногда десятков секунд) процесс резания стабилен; затем начинаются резкие колебания крутящего момента.

 

 

Рисунок 13. Диаграмма изменения крутящего момента МКР

при сверлении коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т в вакууме без СОЖ.

 

Переход от спокойного резания к работе рывками зафиксирован на диаграмме крутящего момента (рисунок 13). В начальный период сверления колебания момента практически от­сутствуют, затем через 10 секунд начала резания появляются большие колебания, в 3 – 4 раза превышающие первоначальные. Можно предположить, что сначала сверло работает в ва­кууме в условиях «скрытого» смазывания. На его рабочих поверхностях ещё сохраняются оксидные плёнки и адсорбционные слои, образовавшиеся во время пребывания его в атмо­сфере окружающего воздуха перед началом эксперимента. По мере работы инструмента плёнки изнашиваются и разрушаются. После их разрушения начинаются значительные коле­бания крутящего момента, причиной которых, видимо, является схватывание контактирую­щих материалов инструмента и обрабатываемого образца. Описанный процесс близок к тре­нию в вакууме с ПСМ; процесс стабилен до тех пор, пока ПСМ не стирается с дорожки тре­ния, и начинаются колебания момента трения.

Анализ приведённых на рисунке 12 диаграмм показывает, что крутящий момент при реза­нии в вакууме увеличивается на 20 – 30 %, а затрачиваемая работа – в 2 – 3 раза. Это объяс­няется следующим. Одновременно с увеличением крутящего момента возрастает время реза­ния. При сверлении с постоянным осевым усилием действительная подача зависит от сопро­тивления обрабатываемого материала и состояния режущей части. Исходя из этого, допус­тимо предположить, что время резания увеличивается по двум причинам: во-первых, из-за налипания обрабатываемого материала на рабочие поверхности режущей части инструмента и изменения вследствие этого геометрических размеров лезвия («скругления» его режущей кромки); во-вторых, из-за упрочнения поверхностных слоёв обрабатываемого материала под поверхностью резания. Поскольку на режущем инструменте после окончания резания следов сильного налипания (кроме лёгкого наслаивания) не обнаружено, можно предположить су­щественное упрочнение поверхностных слоёв обрабатываемого материала и совокупное влияние на интенсивность резания обеих причин. В отдельных случаях при сверлении в ва­кууме без смазочного материала (например, при сверлении отверстий в образцах из бронзы БрОЦС) резание постепенно прекращалось и для его продолжения приходилось увеличивать осевое усилие в 1,2 – 1,3 раза; этого не происходило при сверлении в среде атмосферного воздуха или с магнитными СОЖ в вакууме.

Применение при резании в вакууме МЖ в качестве технологической СОЖ обеспечивало нормальные условия резания, уменьшение крутящего момента, его стабилизацию и умень­шение времени резания. Затрачиваемая при этом работа уменьшалась втрое. При резании на воздухе эффективность действия магнитной СОЖ проявлялась значительно слабее. Так, при сверлении отверстий в стали 12Х18Н10Т крутящий момент уменьшился примерно на 20 %, время сверления увеличилось, а затрачиваемая при этом работа осталась практически неиз­менной. В процессе резания титанового сплава ВТ1 – 0 крутящий момент в результате при­менения магнитной СОЖ несколько увеличился, но более чем вдвое уменьшилось время ре­зания, а затраченная работа при этом сократилась в 2 – 3 раза.

При резании с магнитной СОЖ в среде атмосферного воздуха и в вакууме получены близ­кие значения крутящего момента, времени резания и затраченной работы. Это свидетельст­вует о том, что СОЖ надёжно блокирует зону резания от внешней среды, оказывает эффек­тивное смазывающее действие и обеспечивает нормальное резание независимо от свойств окружающей среды. При нарезании резьбы М12х1,5 в заготовках из сплава ВТ1 – 0 в ва­кууме с магнитными СОЖ на основе минерального масла и кремнийорганических жидкостей (смотрите таблицу 4, № 3, 4 и 8) крутящий момент во всех случаях составлял       8 – 9 Н . м. В тех же условиях резания, но без смазочного материала он был равен 12 Н . м, то есть в 1,5 раза больше, чем при работе с магнитными СОЖ.

Интересные данные получены при исследовании зависимости крутящего момента, вре­мени и работы резания от давления окружающего воздуха (вакуума) при сверлении отвер­стий в образцах из алюминиевого сплава Амг6. Обнаружено, что крутящий момент неодно­значно зависит от давления. С уменьшением давления окружающего воздуха от атмосфер­ного до 26,6 Па крутящий момент при сверлении без смазочного материала уменьшается от 1,25 до 0,3 – 0,5 Н . м. Дальнейшее уменьшение давления вызывает рост крутящего момента при резании с магнитной СОЖ и без неё. При уменьшении давления окружающего воздуха в диапазоне от атмосферного до 0,53 Па монотонно увеличивались время и работа резания. Работа резания при сверлении с магнитной СОЖ по сравнению со значением при резании в среде атмосферного воздуха увеличивалась в 3 – 4 раза, при резании же без СОЖ при давле­нии 7,9 Па возрастала в 14 – 15 раз, а при дальнейшем снижении давления часто происхо­дило схватывание обрабатываемого материала с режущим инструментом, и резание становилось невозможным.

Для создания вакуума в рабочей камере экспериментальной установки использовали вакуумный агрегат АВП-0,5 с паромасляным насосом, поэтому создавалась опасность за­грязнения объёма камеры парами масла. В связи с этим дополнительно проведена серия опы­тов по резанию в вакуумной камере, установленной на высоковакуумном агрегате, где высо­кий вакуум (1 . 10 – 3 Па) создавали с помощью пластинчато-роторного насоса после 2 часов его работы. Из-за опасения повредить агрегат разбрасываемой при сверлении стружкой вме­сто сверления в этих опытах проводили строгание образцов специальной протяжкой с двумя режущими зубьями в специальном приспособлении.

Для резания использовали образцы меди М2, алюминиевого сплава Д16, титанового сплава ВТ1 – 0 и коррозионо-стойкой стали 12Х18Н10Т. Строгание на воздухе производили без СОЖ и с магнитными СОЖ на основе минерального масла И-Г-А-32, кремнийорганиче­ских жидкостей ПЭС-1 и ПЭС-4, воды и керосина (смотрите таблицу 4, соответственно № 1, 7, 9, 10 и 11). Эффективность действия этих СОЖ на разных материалах различная. Для реазния в вакууме была ваыбрана МЖ на основе кремнийорганической жидкости ПЭС-4, как среднеэффективная для всех обрабатываемых материалов. Проведённые эксперименты пока­зали принципиально такие же результаты, как и в предыдущих исследованиях.

Сравнение полученных результатов показывает, что эффективность действия магнитной СОЖ при строгании меньше, чем при сверлении. Однако следует учесть, что путь резания при строгании лишь 10 мм. На этом пути резания без СОЖ, возможно, на рабочих поверхно­стях режущего инструмента ещё сохранялись неизношенные адсорбционные плёнки, кото­рые могли оказывать определённое смазочное действие.

В заключении можно отметить, что магнитные СОЖ расширяют арсенал средств повыше­ния эффективности машиностроительного производства. Их не следует применять там, где традиционно и достаточно эффективно используют обычные СОЖ. На тех же технологиче­ских операциях механической обработки материалов, где обычные СОЖ по какой-либо при­чине не применяют, магнитные СОЖ могут повысить стойкость режущего инструмента, ка­чество обработки поверхности, уменьшить силы резания и крутящие моменты, исключить срыв витков нарезаемой резьбы и поломку режущего инструмента при обработке деталей из титановых сплавов, коррозионно-стойких сталей и других трудно обрабатываемых материа­лов.

Области применения МЖ в машиностроении не ограничиваются описанными примерами использования их в качестве смазочных материалов и технологических сред при резании ме­таллов. На основе применения МЖ в качестве рабочего тела можно создавать новые маши­ностроительные конструкции. Например, вместо широко используемых редукционных пневмоклапанов с чувствительным элементом и регулирующим органом в виде подпружи­ненной мембраны можно использовать пневмоклапаны, в которых роль этих элементов вы­полняет МЖ (А. С. № 1564598 СССР, МКИ5 G 05 D 16 / 00), расположенная в канале пере­менного сечения и находящаяся в зоне действия регулируемого магнитного поля. Исключе­ние из конструкции механических подвижных элементов повышает надёжность редуктора.