Экспериментальное исследование смазки минимального количества (MQL)

Экспериментальное исследование смазки минимального количества (MQL)



Смазка минимальным количеством (MQL) - это метод нанесения тонкодисперсного распыленного тумана металлообрабатывающей жидкости (MWF), а не ее потока.

Статья описывает оценку эффективности нового MWF на основе кокосового масла при токарной обработке стали 08Х18Н10 (сталь коррозионно-стойкая жаропрочная). Новый состав MWF на основе кокосового масла показал лучшее поглощение тепла при обработке стали 08Х18Н10. Получены оптимальные настройки параметров для токарной обработки стали 08Х18Н10 с MWF на основе кокосового масла в условиях MQL. Дальнейший износ боковой поверхности был исследован путем наблюдения изображений. Токарная обработка стали 08Х18Н10 при наличии нового MWF показала улучшение износа боковых поверхностей инструмента по сравнению со стандартным MWF на основе минерального масла.


1. Введение

Охлаждение во время обработки играет важную роль для обеспечения эффективной и результативной обработки. Трение между инструментом и сколом приводит к повышению температуры. Повышение температуры в зоне резания приводит к деформации, износу и поломке режущего инструмента. Небольшое снижение температуры резки значительно увеличит срок службы режущего инструмента. Жидкость для металлообработки (MWF) – это жидкость, которая используется во время обработки с целью отвода тепла, смазки, защиты от коррозии и вымывания стружки из зоны резания. Утилизация большинства смазочно-охлаждающих жидкостей на основе минерального масла создает такие экологические проблемы как загрязнение почвы и загрязнение воды. Однако MWF на основе растительного масла показали лучшую биоразлагаемость по сравнению с MWF на основе минерального масла. Дальнейшее загрязнение окружающей среды вызвано химическим отчуждением смазочно-охлаждающих жидкостей при высоких температурах резания. Известно, что есть вред для здоровья операторов, которые подвергаются воздействию MWF.

При сравнении со стандартными MWF, MWF на основе растительного масла показали превосходные свойства и характеристики. Чтобы удалить тепло из зоны резания, MWF должен достигнуть поверхности раздела инструмента и заготовки. При подаче MWF в виде струи поверхность инструмента с трудом контактирует с деталью. Смазка минимальным количеством (MQL) позволяет подавать MWF в виде мелкого тумана. В MQL благодаря принудительной конвекции, создаваемой из сжатого воздуха и мелких капель MWF, тепло отводится более эффективно. Следовательно, это снижает потребление MWF, стоимость обработки, негативное влияние на окружающую среду, а также на операторов оборудования. Дальнейший эффективный процесс отвода тепла приводит к увеличению требуемых характеристик механической обработки.

Различные типы MWF на основе растительного масла по методике MQL использовались для получения превосходных характеристик обработки различных материалов, таких как мягкие, твердые металлы и сплавы. Исследовательская группа разработала новую смазку на основе белого кокосового масла. Разработанная MWF на основе кокосового масла уже была испытана и обнаружено, что она имеет лучшие характеристики по сравнению с MWF на основе минерального масла в основном в условиях паводкового охлаждения. Конечная цель этого исследования состояла в том, чтобы идентифицировать эффективность нового MWF на основе кокосового масла по методике MQL при прямолинейной обработке. В качестве материалов заготовки была использована сталь 08Х18Н10 и мягкая сталь. Исследовано поведение нового разработанного масла MWF в условиях охлаждения MQL с точки зрения инструмента: температура, шероховатость поверхности и боковой износ. Сравнивали с наиболее часто используемым стандартным минеральным маслом на основе MWF. Кроме того, были определены оптимальные параметры резания для получения самой низкой температуры края инструмента и наилучших условий окружающей среды при обработке стали 08Х18Н10 с присутствием MWF на основе кокосового масла под MQL.

Таблица 1. Материалы эксперимента.

 MWF

1)MWF Эмульсия TOOLWAY ST (5%) + вода (95%) - 0,177 мл / с, 0,608 мл / с, 0,757 мл / с.

2) Белое масло кокоса (6.93%) + Полисорбат 80 (E433;Tween 80) (3.83%) + Полиглицерил полирицинолеат (E 476) (4.39%) + Вода (84.87%)) – 0.186 м/с, 0.714 мл/с, 0.8 мл/c

 Заготовки

Сталь 08Х18Н10 (Ø37мм - 600 мм)

Сталь 20 Л (Ø37мм - 600 мм)

 Инструмент    

Пластины из Твердого сплава T9325

Анализатор температуры - ИК-термометр

Шероховатость поверхности - ручной тестер шероховатости TR200

Износ инструмента - сканирующая электронная микроскопия (SEM)

Скорость подачи 0,05 мм / об

Скорость шпинделя - 0,1 мс -1, 32 мс -1, 96 мс-1

Глубина резания 1,0 мм

Давление сжатого воздуха - 2 бар, 2,5 бар, 3 бар



2. Методы

В изготовленной экспериментальной установке MQL атмосферный воздух находился под давлением компрессора около 7,5 бар. Затем сжатый воздух подавался в смесительную камеру. Различные условия давления сжатого воздуха могут быть достигнуты с помощью регуляторов потока воздуха и манометров, которые были прикреплены к линии передачи. Поток MWF достигался всасывающим действием смесительной камеры. Внутри смесительной камеры смешивали сжатый воздух и MWF. Затем воздух / MWF направлялся в зону резания через внешнее сопло. С выбранными параметрами резки, показанными в таблице 1, эксперименты по токарной обработке были проведены с MQL. Три значения шероховатости поверхности измеряли с помощью тестера шероховатости поверхности TR200 и усредняли. Инфракрасный термометр использовался для измерения температуры во время поворота и усреднения. Все эксперименты по механической обработке были выполнены на токарном станке модели 16 к20. Подробная информация об оборудовании, инструментальных материалах и материалах деталей, MWF и параметрах резания, использованных для экспериментов, обобщена в таблице 1.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Шероховатость поверхности

Поскольку скорость вращения шпинделя была увеличена с 0,1 мс -1 до 96 мс -1, средняя шероховатость поверхности как из стали 20Л , так и из 08Х18Н10 уменьшилось, как показано на рис. 1. При сравнении операции токарной обработки стали 20Л под MWF на основе минерального масла (эмульгируемое масло) с MWF на основе кокосового масла (эмульсия) в условиях MQL, последняя показала самое низкое значение шероховатости поверхности. Но если сравнивать тот же процесс обработки из 08Х18Н10, MWF на основе эмульгированого масла показал самое низкое значение шероховатости поверхности. Благодаря экспериментальным результатам было доказано, что новый MWF на основе растительного масла под MQL является лучшей техникой охлаждения для стали 20Л, чем из стали 08Х18Н10, для получения превосходного качества поверхности.

Рис. 1. Шероховатость поверхности в зависимости от скорости резания.

(а) 08Х18Н10;

ris1.jpg

(б) 20Л

ris2.jpg

3.2. Температура края инструмента

Температура края инструмента увеличивалась с увеличением скорости резания согласно рис. 2. Для стали 20 Л было получено самое низкое значение температуры при механической обработке с использованием MWF на основе эмульсии масла под MQL, и она составляла 27,9 0С. Но MWF на основе кокосового масла показал отличные характеристики, чем эмульсия. Где он показал 28,6 ° C, самая низкая температура для 08Х18Н10, в условиях MQL. Кроме того, при сравнении температуры, полученной от двух MWF, процесс токарной обработки стали 20 Л с использованием MWF на основе эмульсии может обеспечить лучшее изменение температуры в течение всего процесса. Для того же процесса сталь 08Х18Н10 MWF на основе растительного масла дает наименьшее изменение температуры. Поэтому для получения более удобной температуры на кончике инструмента для стали 08Х18Н10 подходит новая MWF на основе растительного масла под MQL, чем эмульсия. Другими словами, было экспериментально доказано, что новые MWF обладают способностью поглощать тепло из зоны резания по сравнению с эмульсией.

3.3. Износ инструмента

Износ инструмента с точки зрения бокового износа был исследован при обработке со скоростью резания 0,1 мс 1. Износ боковой поверхности при резке стали 20Л с присутствием различных металлообрабатывающих жидкостей показан на рис. 3. Изображение поверхности инструмента, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), с наличием двух типов MWF, показывает, что износ боковой поверхности инструмента получается при механической обработка стали 20Л в присутствии MWF на основе эмульсии ниже по сравнению с MWF на основе растительного масла. Диаметр капли MWF зависит от расхода жидкости, что приводит к увеличению расхода до большего диаметра капли. Из-за разницы в вязкости двух MWF существует разница в расходах жидкости. Расход MWF на основе кокосового масла был выше, чем MWF на основе эмульсии, таким образом, большие капли для первого и меньшие капли для второго. Меньшие капли в MWF на основе эмульсии обладают большей проникающей способностью, обеспечивая меньшее трение на торцевой поверхности инструмента, что снижает износ боковой поверхности для стали 20Л. Но износ инструмента по бокам, полученный при обработке сталь 08Х18Н10 с присутствием нового MWF, был меньше по сравнению с обычным MWF на основе эмульсии. Теплопроводность стали 08Х18Н10 значительно ниже по сравнению сталь 20Л. Сталь 08Х18Н10 не смогла быстро рассеять выработанное тепло в точке резания к боковой поверхности, в то время как сталь 20Л быстро рассеивала тепло к боковой поверхности. Таким образом, маленькие капли MWF на основе эмульсии быстро испаряются в окружающую среду, не поглощая много тепла. Это приводит к снижению температуры в зоне резания и, следовательно, к меньшему износу инструмента для MWF на основе кокосового масла для сталь 08Х18Н10.

Рис. 3. Боковой износ при резке стали 20Л с (а) MWF на основе эмульсии; (б) MWF на основе кокосового масла.

ris3.jpg


3.4. Оптимальные настройки параметров для токарной обработки сталь 08Х18Н10. Для получения самой низкой температуры в зоне резки и превосходных условий окружающей среды, следуя параметрам резки, показанным в таблице 2, можно использовать для нового MWF на основе кокосового масла в условиях MQL.

Таблица 2. Оптимальные настройки параметров для токарной обработки сталь 08Х18Н10.

Параметр

Значение

Скорость подачи

0,05 мм / об

Линейная скорость резания

0,1 мс -1

Глубина резания

1,0 мм

Давление сжатого воздуха

2 бар

Скорость потока MWF

0,186 мл /с


4. Вывод

Новая MWF на основе кокосового масла показала лучшее поглощение тепла и меньший износ боковой поверхности инструмента при обработке стали 08Х18Н10. Получены оптимальные настройки параметров для токарной обработки стали 08Х18Н10 с MWF на основе кокосового масла в условиях MQL. Тем не менее, показано лучшее качество поверхности на стали 20Л. Шероховатость поверхности зависит от других факторов, таких как износ инструмента (метки подачи) и заостренные кромки. Следовательно, в будущем необходимо будет более тщательно изучить шероховатость поверхности с учетом вышеупомянутых факторов.