Улучшение процессов обработки металлов с помощью правильно подобранных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) заданного состава является важной задачей.

Анализ марок смазочно-охлаждающих жидкостей, эксплуатируемых на предприятиях ведущих обработку металла, показал, что большую долю составляют жидкости импортного производства. Сложилось трудное положение по обеспечению качественными СОЖ. На некоторых предприятиях используются устаревшие жидкости, имеющие неудовлетворительные технологические и санитарно – гигиенические свойства. В связи с экономическим кризисом произошло подорожание импортных СОЖ. Поэтому, необходима разработка новых, отечественных СОЖ, обладающих повышенными эксплуатационными свойствами.

Разрабатывая новые составы СОЖ необходимо учитывать ряд факторов: технологические операции, характеристики обрабатываемого и инструментального материалов, находить оптимальное соотношение цены и качества.

Применение эффективных СОЖ при обработке металлов позволяет увеличить стойкость режущего инструмента, улучшить качество обрабатываемых материалов и санитарно – гигиенические условия труда.

Эффективным методом борьбы с коррозией обрабатываемых металлов и коммуникаций станков, а также с биопоражением используемых СОЖ является применение в их составе эмульсолов, обладающих антикоррозионным и бактерицидным действием.

Широко применяются различные эмульсолы, содержащие в своём составе различные антикоррозионные и бактерицидные добавки, например роль ингибитора коррозии выполняет нитрит натрия, тринатрийфосфат, а бактерицида – гексахлорофен [1,2].

Главными недостатками эмульсолов и водорастворимых СОЖ, полученных на их основе, является высокая стоимость, токсичность и недостаточная эффективность использующихся при их приготовлении антикоррозионных и бактерицидных добавок.

Цель разработки – улучшение антикоррозионных и бактерицидных свойств эмульсола и полученных на их основе водных СОЖ.

Поставленная задача достигается тем, что эмульсол, содержащий олеиновую кислоту, триэтаноламин, базовую основу трансформаторное масло или масло трансформаторное, при следующем соотношении компонентов, % масс: олеиновая кислота -12,0 – 14,0; триэтаноламин 6,0 – 8,0; базовая основа трансформаторного масла или масло трансформаторное – остальное, дополнительно содержит тетраборат этилендиаммония в количестве 6,5 – 9,0 % масс. соответственно, в расчёте на 100 %, масс. вышеуказанного состава.

Олеиновая кислота и триэтаноламин, а также продукт их взаимодействия (олеат триэтаноламмония) являются эмульгаторами. Масло трансформаторное или базовая основа масла трансформаторного является смазывающим компонентом.

Тетраборат этилендиаммония является бактерицидной и антикоррозионной добавкой.

Состав эмульсола готовится по технологии следующим образом:

В контактор-смеситель вводят базовую основу трансформаторного масла (половина от общего количества всего масла), затем при постоянном перемешивании в масло добавляют рассчитанное количество олеиновой кислоты. Смесь перемешивают в течение одного часа при температуре не выше 25^оС.

В полученную смесь постепенно, небольшими порциями добавляют рассчитанное количество триэтаноламина и тетрабората этилендиаммония. Перемешивание длится в течение 2…3 часов при аналогичной температуре.

Затем водят оставшееся количество базовой основы трансформаторного масла, после чего полученную смесь перемешивают в течении одного часа.

Синтез тетрабората этилендиаммония проводится при комнатной температуре. Готовят насыщенный раствор борной кислоты. Для этого в 400 мл дистиллированной воды растворяют 136 г Н₃ВО₃. Затем маленькими порциями при интенсивном перемешивании добавляют 40 мл этилендиамина. Этилендиамин берётся в избытке, поскольку образование нового соединения происходит в щелочной среде при рН 10. Борная кислота реагирует полностью с образованием соединения тетрабората этилендиаммония С₂Н₁₄В₄N₂О₉ (реакция экзотермическая).

Кристаллизация соединения проводится при комнатной температуре изотермическим испарением.

Выпавшую твёрдую фазу отфильтровывают через воронку Бюхнера при остаточном давлении промывают несколькими порциями дистиллированной воды, высушивают при комнатной температуре, до постоянного веса. В итоге получают 70 г продукта.

Концентрация компонентов в эмульсоле обоснована экспериментально-теоретическими исследованиями. Содержание тетрабората этилендиаммония менее 6,5 мас.% не приводит к достижению задачи изобретения, а именно улучшения антикоррозионных и бактерицидных свойств. Более 9,0 мас.% приводит к нерациональному расходу компонентов и, как следствие, к удорожанию эмульсола.

По результатам исследований (табл. 1) установлено, что лучшими с точки зрения, решения задачи изобретения, являются составы №5 – №9. В таблице приведены приготовленные и испытанные составы эмульсолов.

Таблица 1

Составы исследуемых эмульсолов

Бактерицидные свойства предложенного эмульсола исследовали по методике, изложенной в справочнике [3]. Опыты проводили следующим образом. В одну пробирку помещают 9 мл бывшей в употреблении СОЖ, представляющую собой 5 % масс. водную эмульсию из эмульсола, содержащий триэтаноламин. Во вторую пробирку помещяют 9 мл, бывшей в употреблении СОЖ, представляющую собой 5% масс. водную эмульсию из эмульсола, содержащий тетраборат этилендиамония. Затем в обе пробирки добавляют по 1,0 мл индикатора – 0,5% масс. водного раствора 2,3,5-трифенилтетразолия хлористого (ТТХ). Содержимое пробирок тщательно перемешивают. Пробирки помещают в термостат и выдерживают при температуре 30+5^оС в течение времени, необходимого для появления характерной окраски в испытуемых СОЖ (1 – 5 суток). Оценивают визуально наличие и интенсивность окраски СОЖ и определяют балл микробиологического поражения эмульсии. В результате испытаний было выяснено, что по истечении испытательного срока СОЖ, приготовленная из эмульсола прототипа, имеет предельный балл биопоражения по V-бальной шкале от 0 до IV, что говорит о непригодности СОЖ к дальнейшей эксплуатации. СОЖ приготовленная из эмульсола с содержанием тетрабората этилендиамония, имеет 0 балл, т.е. данная СОЖ длительное время пригодна для эксплуатации.

Антикоррозионные свойства предложенного эмульсола оценивали по методике, изложенной в справочнике [3] следующим образом. На бумажный фильтр диаметром 50 мм, помещённый в чашку Петри, с помощью шпателя равномерно наносят 2+0,1 г чугунной стружки. В мерную пипетку отбирают 2 мл свежей СОЖ, представляющую собой водную 5 % масс. эмульсию из эмульсола, и равномерно смачивают стружку на фильтре. Чашку Петри закрывают крышкой и выдерживают 2 часа при комнатной температуре, исключая попадание прямых солнечных лучей. Затем фильтр вынимают из чашки Петри, удаляют стружку, а фильтр просушивают при комнатной температуре. После этого по характеру и количеству пятен на фильтре или по их отсутствию оценивают балл коррозии. Испытания проводят параллельно в двух чашках Петри. Балл коррозии оценивают у СОЖ, приготовленных в первом случае из эмульсола прототипа, во втором – с содержанием тетрабората этилендиамония. В результате проведённых испытаний установлено, что СОЖ, приготовленная из прототипа, имеет III балл коррозии (по V-бальной шкале от 0 до IV баллов), что соответствует умеренной степени коррозии. СОЖ, содержащая в составе тетраборат этилендиамония, имеет балл равный 0, что соответствует отсутствию коррозии.

С целью определения технологической эффективности СОЖ на процесс обработки металла, были проведены экспресс-испытания на специальном испытательном стенде, реализующем действительные условия контакта инструмента с заготовкой при обработке.

Стенд для экспресс-испытаний СОЖ при лезвийной обработке обеспечивает возможность оценки свойств СОЖ по критерию, учитывающему производительность процесса (при сверлении или рассверливании по крутящему моменту и силе резания), качество обработанных деталей (при развертывании по параметрам шероховатости), а также одновременно производительность процесса и качество обработанных деталей (при резьбонарезании – по крутящему моменту и точности среднего диаметра резьбы).

Критерии технологической эффективности СОЖ при лезвийной обработке:

• крутящий момент М_кр, амплитуду его колебаний и составляющие силы резания Р_х, Р_у и Р_г определяли с использованием динамометра, усилителя, осциллографа, и ЭВМ;
• износ режущего инструмента по задней поверхности , м, вычисляли по формуле:

, (1)

где – средняя толщина изношенного слоя, измеренная по нормали к поверхности трения задней поверхности инструмента с помощью микроскопа, м; α - задний угол;

• износ по передней поверхности I_у, м, вычисляли по формуле

, (2)

где – средняя толщина изношенного слоя, измеренная по нормали к поверхности трения передней поверхности инструмента с помощью микроскопа, м; γ – передний угол,

• период стойкости режущего инструмента Т, с, вычисляли по формуле

, (3)

где - допустимый износ по задней поверхности, м; v - скорость резания, м/с; 1_а - интенсивность изнашивания режущего инструмента по задней поверхности; α - задний угол,°.

Число параллельных экспериментов п вычисляли по формуле

, (4)

где s² – выборочная дисперсия распределения измеряемого критерия;

u_β = 1,96; ε - ошибка выборочного среднего измеряемого критерия, определенная по формуле

, (5)

где а – относительная ошибка среднего измеряемого критерия. Рекомендуется принимать а = 0,15 (при более точных измерениях а = 0,25); - выборочное среднее измеряемого критерия. Значения s² и вычисляли по результатам предварительных (или предыдущих) испытаний СОЖ:

, (6)

где х_i, – значение критерия в i-м эксперименте; т - число экспериментов при предварительных ТИ:

. (7)

Обработка результатов испытаний. Для каждого измеряемого критерия вычисляли:

• выборочное среднее измеряемого критерия ,
• выборочное стандартное отклонение критерия s;
• коэффициент вариации k, определяемый по формуле

(8)

• относительное максимальное отклонение, определяемое по формуле

. (9)

Доверительную вероятность выбирали с учетом уровня точности измерительной техники и технологической системы, используемых при испытании СОЖ. При этом уровень значимости q вычисляли по формуле

q = 1-β, (10)

где β - доверительная вероятность.

Если уровень точности измерительной техники не известен, то рекомендуется принимать β = 0,95. Допускается принимать β = 0,9, если по результатам оценки обнаружится необходимость большего числа испытаний.

Оценку стабильности влияния свойств СОЖ на эффективность процесса механической обработки осуществляли по критерию Фишера F, вычисляемому по формуле

(11)

где , - выборочные дисперсии сравниваемых СОЖ (в числитель подставляют большую из дисперсий).

Процесс механической обработки более стабилен при применении СОЖ, для которой значение s² минимально. Выбирают СОЖ с меньшим значением s² при прочих равных условиях. Если вычисленное значение F меньше нормированного значения F_H, то различие дисперсий считают несущественным.

Параметры f₁ и f₂ определяли по зависимостям:

f₁=n₁-1; f₂-n₂-2. (12)

По всем оцениваемым критериям на каждом этапе испытаний в протоколы заносили значение относительного коэффициента φ, для каждой группы обрабатываемости материалов заготовок, вычисляемое по формуле

, (13)

где К_э(б), К_И – значения i-го критерия технологической эффективности (например, периода стойкости инструмента, составляющей силы резания, параметра шероховатости и др.) соответственно для эталонной или базовой и испытуемой СОЖ.

Заключение о технологической эффективности принимали на основе логического сопоставления различных критериев эффективности СОЖ с использованием показателей, определяющих производительность и себестоимость операций механической обработки заготовок.

По результатам проведённых анализов установлено, что предлагаемый состав эмульсии, способен решить поставленные задачи по улучшению антибактериальных и антикоррозионных свойств.

Литература:

1. Бердичевский Е.Г. Смазочно-охлаждающие средства для обработки металлов. Справочник.– М.: Машиностроение,1984. –224с.
2. Школьников В.М., Кузнецов Н.А. Масла, вырабатываемые предприятиями Миннефтехимпрома СССР. Каталог – справочник.– М.: ЦНИИТЭ нефт.хим, 1986. –431с.
3. Энтелис С.Г. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием. Справочник. –М.: Машиностроение, 1995. –496с.