Технічні науки / 3. галузеве машинобудування

Гордєєв А.І., Каразей В.Д., Мігаль В.Г.

Хмельницький національний університет

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ОДНОЧАСНОЇ ДІЇ КАВІТАЦІЇ ТА МІНЕРАЛУ ШУНГІТ НА ВЛАСТИВОСТІ МАСТИЛЬНО-ОХОЛОДЖУЮЧОЇ РІДИНИ

У процесі оброблення важкооброблюємих сталей виникає необхідність застосовувати мастильно-охолоджуючі технологічні засоби для поліпшення умов різання та зменшення зношування інструменту.

До мастильно-охолоджуючих засобів відносять:

- мастильно-охолоджуючі речовини та середовища (МОС); рідини (МОР), гази, пасти, тверді наповнювачі, які забезпечують дію на процес різання;

- системи підводу МОС, які найбільш ефективно впливають на процес обробки;

- системи підготовки (в тому числі очищування та відновлення технологічних властивостей) МОС.

Мастильно-охолоджуючі рідини поділяються на мінеральні мастила із різними присадками (антифрикційні, протизадирні, змочуючи, антикорозійні, бактерицидні), водні емульсії, які отримані розчиненням базового мастила, емульгатора, антифрикційних та інших присадок, напівсинтетичні та синтетичні МОР, які не містять мастил.

Обмежене використання мають водні розчини солей, а також керосин, суміші керосину із мастилом, суміші мінеральних мастил з олеїновою кислотою та ін. Тверді мастильно-охолоджуючі речовини використовуються у вигляді добавок до газових (частинки графіту, дисульфіду молібдену) у вигляді мазей, які наносяться на поверхню інструмента, а також у вигляді плівкових покрить (наприклад, нікель-фосфорні покриття інструмента із швидкорізальних сталей) та порошків.

Одним із відомих методів підвищення роботоздатності МОР на водній основі є вплив магнітного поля на рідину.

Автори [1] пропускали 5% водну емульсію Емульсолу ЕТ-2 крізь магнітне поле 2200 Е, а потім подавали її в зону різання свердла діаметром 12 мм, виготовленого зі сталі Р6М5. Швидкість обробки 25 м/хв., подача 0,2 мм/об, подача емульсії виконувалась зі швидкістю від 4 до 5 літрів за хвилину. Довготривалі дослідження показали, що стійкість свердел зростала від 30 до 40%, а зношування стає більш рівномірним по довжині різальної кромки. Це пов’язано зі зміною змочуваної здібності мастильно-охолоджуючої рідини.

Автори [2] встановили, що магнітна обробка водної емульсії при шліфуванні кругами з надтвердих матеріалів дозволяє знизити питомі витрати алмазів при не змінній шорсткості та інтенсивності знімання матеріалу. При круглому зовнішньому шліфуванні значно підвищується стійкість абразиву. Значно стабілізуються властивості емульсії.

Були проведені дослідження по омагнічуванню водної синтетичної емульсії марки «Емульсол» на протязі від 15 до 20 хвилин на магнітному пристрої. Після омагнічування водної емульсії провели ряд досліджень процесу різання з метою встановлення величини зношування свердел з Р6М5 діаметром 16 мм при обробленні сталі 38ХМЮА з охолодженням омагніченою емульсією та неомагніченою емульсією. Режими різання для отримання більш швидкого зносу були вибрані наступні: швидкість 35 м/хв, подача 0,25 мм/об. Результати дослідів показали зменшення величини зношування фаски свердел по задній поверхні на 0,1 мм на протязі від 5 до 20 хвилин роботи свердла.

Дослідження показали, що водна емульсія після омагнічування зменшує свою в’язкість, підвищується проникливість у пори металу та поліпшуються умови змащування поверхонь, а це все веде до підвищення стійкості свердел від 25 до 30%.

Попередні дослідження [3] кавітаційного впливу при обробленні води показали наступні зміни властивостей рідини: підвищення процесу змочування, подрібнення кластерної будови води, розрив водневих зв’язків у молекулах, підвищення окислювального відновлювального потенціалу (ОВП).

Метою даної роботи є розроблення кавітаційної технології підвищення змащувальних властивостей мастильно-охолоджуючих рідин на водній основі з мінералом – шунгіт та обладнання для її здійснення із дослідженням зміни їх основних показників за часом.

На останній час знаходять широке застосування водні МОР із поверхнево-активними речовинами (ПАР). Запропоновано, перед змішуванням ПАР з водною основою, виконувати кавітаційне оброблення води із вмістом мінерала – шунгіт. Мінерал шунгіт в основному складається з вуглецю, значна частина якого дуже нагадує молекули сферичної форми – фулерени. Фулерени – особлива форма вуглецю, що спочатку була відкрита в наукових лабораторіях при спробі моделювати процеси, що відбуваються у космосі, а пізніше виявлена у земній корі. Донедавна вважалося, що вуглець має тільки три форми існування – алмаз, графіт і карбон. Ці речовини відрізняються своєю будівлею. Кожен атом вуглецю у структурі алмаза розташований у центрі тетраедра, вершинами якого слугують чотири найближчих атоми. Така структура визначає властивості алмаза, як самої твердої речовини, відомої на Землі.

Атоми вуглецю в кристалічній структурі графіту формують шестикутні кільця, що утворять, у свою чергу, міцну і стабільну сітку, схожу на бджолині стільники. Сітки розташовуються одна над іншім шаром, що слабко зв'язані між собою. Така структура визначає специфічні властивості графіту низьку твердість і здатність легко розшаровується на дрібні лусочки. На противагу алмазу, графіту і карбону, фулерен є новою формою вуглецю.

Унікальність фулерену в тім, що молекула С₆₀ містить фрагменти з п'ятикратною симетрією (пентагони), що заборонені нібито природою для неорганічних з'єднань. Молекула фулерену є органічною молекулою, а кристал, утворений такими молекулами (фулерит) – це молекулярний кристал, що є сполучною ланкою між органічною і неорганічною речовиною. Завдяки своїй сітчасто-кулястій будівлі фулерени виявилися наповнювачами для ідеального процесу змащення. Вони катаються, немов кульки розміром з молекулу між поверхнями тертя.

Для проведення досліджень одночасного впливу гідрокавітації та мінералу – шунгіт на воду було створено експериментальне обладнання – вібраційний кавітатор поршневого типу (рис. 1, рис. 2)

Рис. 1 – Загальний вигляд вібраційного кавітатора поршневого типу	Рис. 2 – Конструктивна схема вібраційного кавітатора поршневого типу

Працює устаткування наступним чином: попередньо закладаються камінці шунгіту (розмірами від до 12 мм) у ємкість 18 між поршнем 13 та дном 19, потім через відкритий кран та отвір 20 заливають в циліндр 18 воду 21 Після вмикання електродвигуна 5 ексцентрик 9 починає обертатися і приводить у зворотно-поступальний рух шток 11 та поршень 13. Крізь отвори 14, з гострими крайками, багаторазово проходить вода 21. Для того, щоб вода 21 не розбризкувалась, на штокові 11 встановлено гумовий відбійник 17. При проходженні води 21 через отвори 14 з гострими крайками у поршні 13, завдяки певному співвідношенню діаметра D_п поршня 13 до діаметра d_о отвору 14 (D_п/d_о = 12), підібраним, відповідно: амплітуді A та частоті f коливання поршня, у отворах 14 періодично утворюється кавітаційні порожнини, тобто, виникає гідрокавітація, яка енергетично впливає на структуру води 21. При ході поршня вверх створюється пониження тиску у ємкості і виникають кавітаційні пухирці та струмені з отворів, які вибивають частинки мінералу, що потім знаходяться у підвішеному стані до одної доби. Кавітаційні пухирці, які при ході поршня вниз, сплескуються і створюють вище зазначені ефекти: розрив та послаблення зв'язків між молекулами, підвищення змочування. В експериментальних випробуваннях досліджувалась зміна параметрів води, а саме: зміна рН з часом оброблення, зміна окислювального відновлювального потенціалу з часом оброблення та вміст загальної мінералізації показник – TDS. Результати досліджень приведені на рис. 3.

Рис. 3 – Зміна показників TDS, pH, ORP з часом

Показник загальної мінералізації – TDS за період кавітаційного оброблення 10 хвилин зростає, а надалі незначно знижується. Це говорить про насичення рідини фулеренами та після 20 хвилин оброблення проходить утворення нерозчинних у воді карбонатів СаСО₃, МgСО_3, оксикарбонатів Мg₂(OН)₂ CO₃ і гідроокисів Fе (OН)₂, які з часом випадають в осад і тому зменшується загальна концентрація вмісту розчинених солей.

Зростання показника рН за період оброблення говорить про розрив водневих зв’язків у молекулах, але з часом він стабілізується на рівні 8,2 рН. Зниження показника ORP від 300 до 180 одиниць говорить про підвищення окислювального відновлювального потенціалу рідини, який з часом знижується до 205 одиниць. Отримані результати зміни показників за часом дають можливість стверджувати, що кавітаційний вплив та мінерал шунгіт змінюють структуру рідини та підвищують змащувальні властивості мастильно-охолоджуючих рідин на водній основі.

Підтвердженням цього є проведені дослідження вигляду утворених кристалічних структур осаду при випарюванні краплі рідини при нормальних умовах. Їх вигляд залежить від отриманих енергетичних умов кристалізації.

Краплі води, взятої з крана і після оброблення кавітацією з шунгітом, наносились на скло та висушувались при кімнатній температурі. Потім за допомогою мікроскопа МБС-10 проводилось фотографування їх окремих дільниць. На рис. 4 показано фотографії дільниць кристалічного осаду води необробленої. Вигляд кристалів осаду говорить про кластерну структуру води з високим поверхневим натягом, що знижує її змочувальну здатність.

Рис. 4 – Фото різних дільниць осаду краплі води з крана не обробленої

На рис. 5 показано фотографії дільниць кристалічного осаду води обробленої кавітацією з шунгітом. Вигляд кристалів осаду говорить про структурованість води з низьким поверхневим натягом, що збільшує її змочувальну здатність.

Розрив водневих зв’язків призводить до утворення мономолекул води, які легко проникають у тріщини металу та поліпшуються умови змащування поверхонь. Молекули шунгіту сферичної форми – фулерени є додатковим фактором зменшення сил тертя між поверхнею різального інструменту та поверхнею заготовки.

Сукупність цих факторів призводить до зміни властивостей МОР в сторону підвищення її ефективності та роботоздатності. Виходячи з проведених досліджень зміни властивостей (рис.3), рекомендується застосовувати попереднє оброблення води кавітацією з шунгітом перед змішуванням з ПАР та використанням МОР у процесі різання металів відразу після змішування на протязі п’яти - восьми годин.

Рис. 5 – Фото різних дільниць осаду краплі води з крана обробленої гідрокавітацією з мінералом шунгітом

Висновки

1. У результаті проведених досліджень встановлено зміну властивостей води, за допомогою гідрокавітації та мінералу шунгіт, для приготування МОР. У результаті проведених досліджень отримано структуризацію води, зменшення поверхневого натягу за рахунок розриву водневих зв’язків, що підвищує роботоздатність МОР.

2. Запропоновано конструкцію вібраційного обладнання підготовки води для МОР.

Література

1. Худобин Л.В. Применение омагниченных водних емульсий при алмазном шлифовании / Л.В. Худобин, А.Л. Глузман, В.Ф. Гурьянихин // – Синтетические алмазы. – 1972, №3. – С. 47-49.

2. Серебряников А.С. Омагничивание водных емульсий в процессах сверления – Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем / А.С. Серебряников, В.П. Ковтун, В.И. Шеян // Сб. III всесоюзного совещания. Новочеркасск: Изд. Новочеркасского политехнического института. – 1975. – 265 с.

3. Сілін Р.І. Науково – технічні основи розроблення вібромашин для впливу на властивості води / Р.І. Сілін, А.І. Гордєєв // Вібрації в техніці та технологіях. – 2009. – № 4(56) – С. 141 – 148.