15_Gordeev.doc Вплив кавітаційної дії на властивості мастильно - охолоджуючої рідини Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 104 Гордєєв А.І., Сілін Р.І., Ткачук В.П. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail:EL-swordo@mail.ru ВПЛИВ КАВІТАЦІЙНОЇ ДІЇ НА ВЛАСТИВОСТІ МАСТИЛЬНО - ОХОЛОДЖУЮЧОЇ РІДИНИ УДК 620.193.16 Запропоновано кавітаційну технологію підвищення змащувальних властивостей мастильно - охолоджуючих рідин на водній основі з мінералом - шунгіт та обладнання для її здійснення. Проведено дослідження зміни іх основних показників за часом. Ключові слова: мастильно - охолоджуючі рідини, вібраційне обладнання, кавітація. Вступ 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 (МОР) поділяються на мінеральні мастила із різними присад- ками ( антифрикційні, протизадирні, змочуючи, антикорозійні, бактерицидні ), водні емульсії, які отри- мані 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 масти- лом, суміші мінеральних мастил з олеїновою кислотою та ін. Тверді мастильно - охолоджуючі речовини використовуються у вигляді добавок до газових (частинки графіту, дисульфіту молібдену) у вигляді ма- зей, 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 4 - 5 літрів за хвилину. Довготри- валі дослідження показали, що стійкість свердел зростала від 30 до 40 %, а зношування стає більш рівно- мірним по довжині ріжучої кромки. Це пов’язано зі зміною змочуваної здібності мастильно- охолоджуючої рідини. Автори [2] встановили, що магнітна обробка водної емульсії при шліфуванні кругами з надтвер- дих матеріалів дозволяє знизити питомі витрати алмазів при не змінній шорсткості та інтенсивності зні- мання матеріалу. При круглому зовнішньому шліфуванні значно підвищується стійкість абразиву. Знач- но 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 обробці сталі 38ХМЮА з охолодженням омагніченою емульсією та неомагніченою емульсі- єю. Режими різання для отримання більш швидкого зносу були вибрані наступні: швидкість 35 м/хв, по- дача 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, підви- щується 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 змочування, подрібнення кластерної будови води, розрив водневих зв’язків у молекулах, підвищення окислювального відновлювального потенціалу (ОВП). mailto:EL-swordo@mail.ru Вплив кавітаційної дії на властивості мастильно - охолоджуючої рідини Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 105 Постановка проблеми 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. Виклад матеріалів досліджень На останній час знаходять широке застосування водні МОР із поверхнево - активними речови- нами (ПАР). Запропоновано, перед змішуванням ПАР з водною основою, виконувати кавітаційне оброб- лення води із вмістом мінерала - шунгіт. Мінерал шунгіт в основному складається з вуглецю, значна частина якого дуже нагадує молеку- ли сферичної форми – фулерени. Фулерени – особлива форма вуглецю, що спочатку була відкрита в нау- кових 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 в структурі алмаза розташований у центрі тетраедра, вершинами якого служать 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 друг над іншо- му шарами, що слабко зв'язані між собою. Така структура визначає специфічні властивості графіту низьку твердість і здатність легко роз- шаровується на дрібні лусочки. На противагу алмазові, графітові і карбону, фулерен є новою формою вуглецю. Унікальність фулерену в тім, що молекула С60 містить фрагменти з п'ятикратною симетрією (пе- нтагони), що заборонені природою для неорганічних з'єднань. Молекула фулерену є органічною молеку- лою, 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 ідеальними наповнювачами й ідеальним змащенням. 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 від- бійник 17. При проходженні води 21 через отвори 14 з гострими крайками у поршні 13, завдяки певно- му співвідношенню діаметра nD поршня 13 до діаметра od отвору 14 nD ( )12/ =on dD , підібраним, Вплив кавітаційної дії на властивості мастильно - охолоджуючої рідини Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 106 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 по- ршня вверх створюється пониження тиску у ємкості і виникають кавітаційні пухирці та струмені з отво- рів, які вибивають частинки мінералу, що потім знаходяться у підвішеному стані до одної доби. Кавіта- ційні пухирці, які при ході поршня вниз, сплескуються і створюють вище зазначені ефекти: розрив та по- слаблення зв'язків між молекулами, підвищення змочування. В експериментальних випробуваннях досліджувалась зміна параметрів води, а саме: зміна рН з часом оброблення, зміна окислюва- льного відновлювального потенціалу з часом оброблення та зміну вмісту з часом загальної мінералізації (показник – TDS). Результати до- сліджень приведені на рис. 3. Показник загальної мінералізації TDS за період кавітаційного оброблення 10 хвилин зро- стає, а надалі незначно знижується. Це говорить про насичення рідини фулеренами та після 20 хвилин оброблення проходить утворення не- розчинних у воді карбонатів СаСО3, МgСО3, ок- сикарбонатів Мg2(OН)2 CO3 і гідроокисів Fе (OН)2, які з часом випадають в осад і тому зменшується загальна концентрація вмісту роз- чинених речовин. Зростання показника рН за період обро- блення говорить про розрив водневих зв’язків у молекулах, але з часом він стабілізується на рів- ні 8,2 рН. Зниження показника ORP від 300 до 180 одиниць говорить про підвищення окислю- вального відновлювального потенціалу рідини, який з часом знижується до 205 одиниць. Отри- мані результати зміни показників за часом да- ють можливість стверджувати, що кавітаційний вплив та мінерал шунгіт змінюють структуру рі- дини та підвищують змащувальні властивості мастильно - охолоджуючих рідин на водній основі. Підтвердженням цього є проведені дослідження вигляду утворених кристалічних структур осаду при випарюванні краплі рідини. Їх вигляд залежить від енергетичних умов кристалізації. Однією з основних умов кристалізації є пересичений стан розчину. Надалі в результаті фазових перетворень утворюються центри кристалізації, на яких і відбувається виділення речовини, що кристалі- зує. Таким чином, кінетика кристалізації визначається наступними умовами: пересиченням, виникненням мікрозародків (первинних аморфних часток), їхнім ростом і, нарешті, утворенням центрів кристалізації. У результаті взаємодії 2 - х молекул (іонів) виникають дрібні структурні утворення, які поєднуються із третьою молекулою (іоном) і т.д. Спочатку можуть утворюватися короткі ланцюги або плоскі мономоле- кулярні шари. У цих умовах сили відштовхування молекул (іонів) друг від друга виявляються менше сил їхнього взаємного притягання й рівнодіюча цих сил приводить до агломерації даних молекул (іонів), до утворення ними елементів кристалічної решітки, тобто до виникнення кристалічного зародка, що є еле- ментарною часткою твердої фази. Рис. 4 – Фото кристалів на різних дільницях осаду краплі води з крана не обробленої гидрокавітацією Рис. 3 – Зміна показників TDS, pH, ORP з часом Вплив кавітаційної дії на властивості мастильно - охолоджуючої рідини Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 107 Краплі води, взятої з крана і після оброблення кавітацією з шунгітом, наносились на скло та ви- сушувались при кімнатній температурі. Потім за допомогою мікроскопів МИМ-10 та МБС-10 проводи- лось фотографування їх дільниць. На рис. 4 показано фотографії дільниць кристалічного осаду води не- обробленої. Вигляд кристалів осаду говорить про кластерну структуру води із значним поверхневим натя- гом, що знижує її змочувальну здатність. На рис. 5 показано фотографії дільниць кристалічного осаду води обробленої кавітацією з шун- гітом. 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 поліпшують умови змащування поверхонь. Молекули шунгі- ту 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 ефективності її роботоздатності. Виходячи з проведених досліджень зміни власти- востей (рис. 3), рекомендується застосовувати попереднє оброблення води кавітацією з шунгітом перед змішування з ПАР та використанням МОР у процесі різання металів відразу після змішування на протязі п’яти - восьми годин. Рис. 5 – Фото кристалів різних дільниць осаду краплі води з крана обробленої гідрокавітацією з мінералом шунгітом Висновки 1. У результаті проведених досліджень встановлено зміну властивостей води за допомогою гід- рокавітації для приготування водної основи МОР. У результаті проведених досліджень отримано струк- туризацію води, зменшення поверхневого натягу за рахунок розриву водневих зв’язків, що підвищує ро- ботоздатність 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 тео- рии и практики магнитной обработки воды и водных систем / А.С. Серебряников, В.П. Ковтун, В.И. Ше- ян // 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. Поступила в редакцію 21.11.2013 Вплив кавітаційної дії на властивості мастильно - охолоджуючої рідини Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 4 108 Gordeev A.I., Silin R.I., Tkachuk V.P. Influence of cavitation action on the properties of the coolant. The analysis method to increase efficiency of lubrication-cooling fluids, namely magnetic field. The results of re- search on improving the wear resistance of cutting tools with the use of lubrication-cooling liquid treated magnetic field. Proposed cavity technology improve the lubricating properties of the cooling lubricant on water basis with the mineral - shungite and equipment for its implementation. Investigated changes in their basic parameters in time. Through analysis of crystalline precipitates drop of water shows the change of the structure of water and its properties. Key words: Metalworking fluids, vibration equipment, cavitation. References 1. Hudobin L.V., Gluzman A.L., Guryanihin V.F. Primenenie omagnichennyh vodnih emulsiy pri al- maznom shlifovanii. Sinteticheskie almazy. 1972, №3, pp. 47 - 49. 2. Serebryanikov A.S., Kovtun V.P., Sheyan V.I Omagnichivanie vodnyh emulsiy v processah sver- leniya. Voprosy teorii i praktiki magnitnoy obrabotki vody i vodnyh system. Sb. III vsesoyuznogo soveschaniya. Novocherkassk : Izd. Novocherkasskogo politehnicheskogo instituta. 1975, 265 p. 3. Silin R.I., Gordeev A.I. Naukovo-tehnichni osnovi rozroblennya vibromashin dlya vplivu na vlastivosti vodi. Vibracii v tehnici ta tehnologiyah. 2009, № 4(56), pp. 141 - 148.