Методы испытаний смазочных материалов в процессах металлообработки

Трение в узлах деталей машин и трение в процессах металлообработки являются разновидностями контактного взаимо­действия соприкасающихся под нагрузкой твердых тел.    

Процесс трения при металлообработке отличаются от трения деталей машин в основном двумя особенностями. Во-первых, при металлообработке изделие подвергается значительной пластической деформации, в то время как при смазке деталей машин оба трущихся компонента остаются в области упругой деформации. Во-вторых, условия смазки в процессах металлообработки более сложны, чем условия смазки деталей машин, так как контактные условия зависят от геометрии инструмента и очага деформации. Кроме этого, контактные давления в процессах металлообработки в десятки раз больше. Эти отличия и определяют и различные методологические подходы к определению триботехнических характеристик смазочных материалов и их выбору.  

  Физико-химические свойства конкретного смазочного материала при различных схемах взаимодействия инструмента и заготовки по-разному влияет на выходные параметры технологического процесса (стойкость инструмента, шероховатость обработанной поверхности, энергосиловые параметры и т.п.). Исследования показывают, что зависимости силы трения, износа инструмента, возникновения задирообразования от режимов и вида обработки при использовании различных смазочных сред могут существенно отличаться как количественно, так и качественно [5].

Для определения качества смазочных материалов используются различные методы испытаний, которые подразделяются на лабораторные, стендовые и эксплуатационные.

Лабораторные испытания сводятся к получению необходимой информации о натурном объекте с помощью изучения более простого объекта — модели. Это осуществимо при условии обеспечения единой физической природы явлений, происходящих в изучаемом объекте и в использованной исследователем модели. Обеспечение этого возможно за счет воспроизведения на модели адекватных условий механики контакта, тепловых условий, физических и химических свойств, взаимодействующих тел и окружающей среды, имеющих место в натурном объекте.

Важно корректно выбрать оценочные показатели для выявления уровня трибологических свойств в контакте «инструмент-деталь». Это могут быть:

1) эмпирические оценочные показатели;

2) аналитические показатели;

3) показатели, полученные с помощью методов теории подобия и физического моделирования [18,19,21].

Использование существующих данных по коэффициентам трения для различных смазочных материалов при проектировании технологических процессов и при математическом моделировании приводит к существенной погрешности определения напряженно-деформированного состояния (НДС) заготовки и инструмента. Практически все предложенные модели контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой заготовкой, так или иначе, упи­раются в недостаточность экспериментальных данных и противоречивый характер получаемых теоретических результатов, связанные с исключи­тельной сложностью описываемого процесса [5,6]. 

В настоящее время, для более точного определения параметров трения в процессах металлообработки применяют экспериментально-теоретический метод [17,20].

Для реализации этого метода сначала моделируют технологический процесс, например деформирования заготовки с помощью программного комплекса (ANSYS, DEFORМ, LS - Dyna, и т.п.). По результатам математического моделирования строят зависимость силы деформирования от заданных значений коэффициента трения F = f (f) (см. рис. 5.1). Физическое моделирование проводят для этого же процесса. Из результатов эксперимента определяют силу деформирования, соответствующую реальному состоянию поверхностей инструмента и заготовки и используемого смазочного материала. Затем по полученной в результате моделирования диаграмме F = f (f) определяют коэффициент трения, соответствующий экспериментально полученному значению силы F. На рис.5.1 в качестве примера представлены зависимости силы деформирования от коэффициента трения для относительной степени деформации 40% при прямом холодном выдавливании для смазочного материала с содержанием 40% дисульфида молибдена [17].

             

Рис. 5.1. Расчетная зависимость силы деформирования от коэффициента трения и экспериментально определенное значение силы деформирования при прямом холодном выдавливании: степень относительной деформации 40%, скорость деформирования 8,3x10^-4 м/с,  смазочный материал И-40А с дисульфидом молибдена.

 

Широко известны стандартные приборы, установки и стенды для определения свойств смазочных материалов, применяемых в узлах трения деталей машин [21,22]. К сожалению, на сегодняшний день, используя эти стандартные и известные методы испытаний определить весь комплекс необходимых физико-химических, триботехнических и эксплуатационных свойств смазочных материалов, предназначенных для процессов металлообработки, не предоставляется возможным. Тем не менее, с какой-то долей достоверности по результатам испытаний, полученных с помощью стандартных методов на машинах моделирующих узлы деталей машин, можно прогнозировать противозадирные и противоизносные свойства инструментальной оснастки.

Следовательно, выбор смазочных материалов для конкретного технологического процесса уже на стадии лабораторных испытаний необходимо проводить путем физического моделирования самого процесса и условий трения в нем. И только совместная оценка физикo-химических свойств с триботехническими показателями могут дать более полную прогнозную информацию об эксплуатационных характеристиках смазочного материала с точки зрения использования последнего в том или ином процессе металлообработки [23].

При разработке новой композиции смазочного материала для процессов металлообработки комплекс методов испытаний в лабораторных условиях необходимо выбирать с учетом современных требований, которые на сегодняшний день выдвигают промышленные предприятия. Эти требования условно можно разделить на две основные группы [23,24].

1.Функциональные требования:

- снижение сил трения на контактной поверхности;

- предотвращение схватывания и налипания металла на инструмент;

- уменьшение износа инструмента;

- обеспечение чистоты и оптимальной шероховатости поверхности изделий;

- охлаждение инструмента;

- снижение теплопередачи между деформируемым металлом и инструментом;

- обеспечение равномерного распределения деформации по объему деформируемого тела

2. Требования технического, экономического и санитарно-гигиенического характера:

- стабильность состава и трибологических свойств в процессе эксплуатации;

- удобство подачи на инструмент и заготовку;

- простота приготовления и возможность регенерации;

- простота удаления с поверхности изделий;

- отсутствие вредного воздействия на металл и оборудование;

- нетоксичность, отсутствие неприятного запаха;

- отсутствие отрицательного воздействия на окружающую среду и человека;

- малая стоимость и недефицитность (для смазок массового потребления).

На рисунке 5.2 показана схема процесса разработки и внедрения смазочных материалов для операций металлообработки, которая, по мнению авторов, наиболее полно отражает все стадии процесса рождения новых смазочных материалов и технологических сред для процессов металлообработки и их внедрения в производство.

    

Рис.5.2. Процесс разработки и внедрения смазочных материалов для операций термообработки.

 

Лабораторные испытания смазочных материалов позволяют оценивать физико-химические и стандартные триботехнические показатели смазочных материалов. Триботехнические показатели смазочных материалов оценивают на четырехшариковой машине трения ЧМТ-1, универсальной машине трения УМТ-2168, машине Тимкена и др., которые позволяют определять уровень противозадирных, противоизносных и антифрикционных смазочного материала при контакте трущихся пар по линии, точке и поверхности.

Испытательные стенды позволяют при необходимости изменять режимы обработки заготовок (скорость, температуру, давление), и определять энергосиловые параметры, локальные температуры на контактных поверхностях, качество обработанной поверхности и износ инструмента в зависимости от режимов обработки, геометрии и материалов инструмента и заготовки, наличия специальных покрытий и используемого смазочного материала или смазочно-охлаждающей жидкости.

Возможность в одной лаборатории осуществлять триботехнические испытания смазочных материалов с помощью стендов моделирующих типовые процессы металлообработки позволяет сократить время и материальные затраты на промышленные испытания смазочных материалов и с большой вероятностью прогнозировать эффективность смазочных материалов при эксплуатационных испытаниях.

  В таблицах 5.1 и 5.2 приведен комплекс методов трибологических и физико-химических испытаний применяемых для процессов металлообработки, который позволяет исследовать и определять основные функциональные требования смазочных материалов, применяемых в типовых процессах пластического деформирования, лезвийной обработки и при производстве и эксплуатации стальных канатов.

  Лабораторный комплекс создан в НИИ «Триботехники и смазки» УГАТУ совместно со специалистами Технопарка ХТЦ УАИ-РОСОЙЛ. С помощью такого комплекса методов испытаний смазочных материалов можно оперативно, с достаточной для практики точности, определять необходимые физико-химические, триботехнические и эксплуатационные характеристики смазочных материалов для разных условий трения между заготовкой и инструментом и прогнозировать поведение смазочного материала в условиях различных производственных процессах металлообработки.  

Точность испытательного метода можно оценить по воспроизводимости и повторяемости результатов испытаний. Повторяемость результатов испытаний распространяется на одного наблюдателя и на одну испытательную установку, на которой проводились испытания. Воспроизводимость результатов испытаний крайне важна для соответствия стандартом испытаний и требованиям нормативного документа на смазочный материал. Для соответствия результатов лабораторных и стендовых испытаний с результатами эксплуатационных испытаний смазочных материалов необходимо привести условия испытаний в соответствие с конкретными нагрузками, скоростями скольжения, температурой, материалами заготовки и инструмента, используемые в реальной эксплуатации смазочного материала.

Только с учетом всех этих условий можно сделать правильный выбор методик и оценить с их помощью эффективность смазочного материала для конкретного технологического процесса металлообработки.

В результате такого подхода разработаны и внедрены смазочные материалы серии «Росойл» (более 150 наименований) для самых разнообразных процессов металлообработки и узлов деталей машин, в том числе и композиции для защиты металлоизделий от коррозии, канатные смазки, закалочные среды и другие технологические жидкости.

Применение разработанных с помощью предложенного комплекса испытаний смазочных материалов в производственных условиях позволило повысить ресурс работы дорогостоящей инструментальной оснастки, улучшить условия труда, сократить время и материальные затраты на промышленные испытания смазочных материалов, снизить себестоимость и повысить качество получаемых изделий [25,26].

 

  

Таблица 5.1.      Методы триботехнических испытаний

Метод	Схема испытаний			Определяемые показатели
Обработка давлением
Определение силы трения при волочении через роликовую волоку.  Оценка противозадирных свойств смазочных материалов в процессе волочения через роликовую волоку				Сила трения. Сила деформирования. Нормальная сила на инструмент. Напряжение трения. Коэффициент трения.
Метод оценки эффективности смазочных материалов в процессах холодного и горячего объемного выдавливания.				Сила деформирования Р1. Сила выталкивания Р2. Напряжения трения τ1-4. Коэффициент трения между инструментом и заготовкой. Качество поверхности заготовки после деформирования
Метод оценки эффективности смазочных материалов для процессов волочения				Сила волочения Р. Качество поверхности после деформирования.
Определение коэффициента трения при осадке кольцевых образцов				Коэффициент трения. Шероховатость поверхности.
Метод оценки эффективности смазочных материалов для процессов листовой штамповки				Глубина вытяжки. Давление вытяжки. Напряжение трения. Коэффициент трения.
Методы оценки эффективности смазочных материалов в процессе формообразования пластическим деформированием и нарезанием внутренних и наружных резьб.				Крутящий момент М. Температура в контактной зоне. Качество резьбы. Шероховатость поверхности.
Лезвийная обработка
Методы оценки эффективности смазочных материалов для процессов лезвийной обработки				Сила резания. Температура в зоне обработки. Износ инструмента. Расчет оптимального режима резания. Качество получаемой поверхности после обработки
Метод оценки эффективности смазочных материалов для процессов сверления внутренних отверстий.				Крутящий момент. Температура в контактной зоне. Качество получаемой поверхности после обработки.
Метод оценки эффективности смазочных материалов для операций абразивной обработки (шлифования)				Сила шлифования Износ. Шероховатость поверхности.
Метод оценки эффективности смазочных материалов для процессов хонингования внутренних цилиндрических полостей.				Съем металла. Шероховатость поверхности. Засаливание инструмента.
Методы триботехнических испытаний для определения противозадирных, противоизносных и антифрикционных свойств смазочных материалов при контакте трущихся пар по линии, точке и поверхности
Смазывающие свойства на четырехшариковой машине трения ЧМТ-1 по ГОСТ 9490-75. Метод определения силы трения.			Нагрузка сваривания. Нагрузка критическая. Индекс задира. Показатель износа. Сила трения.
Метод оценки эффективности смазочных материалов на трибометрической машине по схемам: “обойма-ролик”, “обойма-брусок”, “абразивный круг-ролик” и “абразивный круг-брусок”.			Износ образца. Шероховатость поверхности. Температурный режим смазывания.
Определение температурной стойкости смазочных материалов на четырехшариковой машине трения ЧМТ-1			Зависимость коэффициента трения от температуры.
Методы оценки эффективности смазочных материалов на трение и износ на универсальной машине трения 2168 УМТ: -при вращении: диск-палец, кольцо-кольцо (фрикционная стойкость), вал-втулка, диск-колодка (тормоз) -при качательном движении: диск-колодка, вал-втулка, вал-трубки (виброизнос) -при возвратно-поступательном движении: стержень-малец (линейный контакт).			Момент трения. Износ образца. Шероховатость поверхности.
Определение охлаждающей способности технологических сред и СОЖ
Определение охлаждающей способности технологических сред ISO 9950.				Максимальная скорость охлаждения Температура при максимальной скорости охлаждения Скорость охлаждения при 300 °С Время охлаждения до 600, 400, 200 °С Графические зависимости: температура-время”, “температура-скорость”

 

 

Таблица 5.2. Методы испытаний физико-химических и защитных свойств смазочных материалов

Наименование показателя	Метод испытаний
Вязкость кинематическая	ГОСТ 33
Вязкость условная	ГОСТ 8420
Защитная способность при воздействии соляного тумана	ГОСТ 9.054
Защитная способность при постоянном погружении в электролит	ГОСТ 9.054
Защитная способность при воздействии бромистоводородной кислоты	ГОСТ 9.054
Защитная способность при воздействии сернистого ангидрида	ТУ 38.1011289-90
Зольность	ГОСТ 1461
Индекс вязкости	ГОСТ 25371
Кислотное число	ГОСТ 5985
Кислотное число	ГОСТ 11362
Коксуемость	ГОСТ 19932
Коррозионная агрессивность эмульсии	ГОСТ 6243, п.2.1
Коррозионная агрессивность эмульсии	ГОСТ 6243, п.2.2
Коррозионное воздействие на металлы	ГОСТ 2917
Массовая доля серы	ГОСТ Р 51497
Наличие водорастворимых кислот, рН	ГОСТ 6307
Плотность при 20°С	ГОСТ 3900
рН эмульсии	ГОСТ 6243
Содержание воды	ГОСТ 2477
Содержание механических примесей	ГОСТ 6370
Температура застывания	ГОСТ 20287
Температура вспышки в открытом тигле	ГОСТ 4333
Температура каплепадения	ГОСТ 6793
Число омыления	ГОСТ 17362
Адгезионная способность (сброс на центрифуге) при факторе разделения 4500	ГОСТ 20458, п.3.6
Коллоидная стабильность	ГОСТ 7142
Коррозионное воздействие на металлы	ГОСТ 9.080
Наличие водорастворимых кислот, рН	ГОСТ 6307
Низкотемпературные свойства при минус 50°С	ГОСТ 20458, п.3.5
Пенетрация -без перемешивания -с перемешиванием	ГОСТ 5346
Содержание механических примесей, нерастворимых в соляной кислоте	ГОСТ 6479
Содержание свободных кислот и щелочей	ГОСТ 6707
Стабильность против окисления	ГОСТ 5734
Температура каплепадения	ГОСТ 6793

 

 

                          Контрольные вопросы

1. Дайте определение трибологии.

2. В каком году трибология стала самостоятельной наукой?

3. Что такое задир?

4. Назовите 5 видов фрикционного взаимодействия.

5. Что такое граничная смазка?

6. В чем основное отличие гидродинамической смазки от граничной?

7. Что подразумевается под триботехническими показателями изделий?

8.  Назовите входные, внутренние и выходные факторы сложного трибологигического процесса.

9. Какие показатели определяются при методе оценки эффективности смазочных материалов в процессах холодного и горячего объемного выдавливания?

10. Какие показатели определяются при методе оценки эффективности смазочных материалов в процессе формообразования пластическим деформированием и нарезанием внутренних и наружных резьб?

11. Как определяется коэффициент трения с помощью экспериментально-теоретического метода?

12. Какими задачами занимается триботехника как прикладной раздел три­бологии?