Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Глубокое сверление 11
1.1 Общие сведения о глубоком сверлении 11
1.1.1 Определение понятий глубокого сверления и глубокого растачивания 13
1.1.2 Разновидности глубокого сверления 14
1.1.3 Инструменты для сверления глубоких отверстий 24
1.1.4 Способы подвода СОЖ в зону резания 30
1.2 Тепловые явления при резании металлов 32
Краткие выводы по главе 1 39
Глава 2. Масляная СОЖ для глубокого сверления 40
2.1 Общие сведения о масляной СОЖ 40
2.1.1 Характеристики и экологические свойства масляных СОЖ 45
2.2 Индустриальные масла 50
2.3 Способы минимизации воздействия СОЖ и индустриальных масел на окружающую среду и человека 53
2.4 Полициклические арены 54
2.5 Фенолы 58
2.6 Хлорбензолы, хлорпарафины, бромбифенилы 61
2.7 Трибоэкология 64
Краткие выводы по главе 2 65
Глава 3. Экспериментальное исследование молекулярного состава СОЖ и индустриальных масел 66
3.1 Хромато-масс-спектрометрический метод анализа 66
3.2 Особо опасные химические вещества
3.3 Вредные химические вещества 69
3.3.1 Азотсодержащие органические компоненты индустриальных масел 69
3.3.2 Кислородсодержащие органические компоненты индустриальных масел 76
3.3.3 Углеводороды индустриальных масел 81
3.4 Исследование зависимости молекулярного состава СОЖ от температуры 86
3.5 Алгоритм оценки молекулярного состава СОЖ для регулирования температурного интервала 92
3.6 Качество смазочно-охлаждающих жидкостей и индустриальных масел как составная часть химмотологии 94
Краткие выводы по главе 3 96
Глава 4. Автоматизация и принципиальная схема циркулирования СОЖ на масляной основе при глубоком сверлении 97
4.1 Общие сведения об автоматизации 97
4.2 Автоматизация обеспечения показателей экологичности и безопасности технологий формообразования в машиностроении 100
4.3 Принципиальная схема циркулирующей СОЖ на масляной основе при глубоком сверлении 104
Краткие выводы по главе 4 108
Глава 5. Автоматизация регулирования молекулярного состава циркулирующей СОЖ с целью повышения экологичности и безопасности процесса глубокого сверления 109
5.1 Автоматизированная система регулирования молекулярным составом циркулирующей масляной СОЖ 109
Краткие выводы по главе 5 118
Заключение 119
Список литературы 120
- Определение понятий глубокого сверления и глубокого растачивания
- Способы минимизации воздействия СОЖ и индустриальных масел на окружающую среду и человека
- Азотсодержащие органические компоненты индустриальных масел
- Принципиальная схема циркулирующей СОЖ на масляной основе при глубоком сверлении
Определение понятий глубокого сверления и глубокого растачивания
В частности, при резании особенностями процесса являются высокие удельные нагрузки и температуры в точках контакта инструмента с деталью [2, 12, 53, 58, 59]. Возможно локальное сваривание инструмента с деталью. Предъявляются следующие требования к СОТС: 1) отличные охлаждающие свойства; 2) высокая противозадирная и противоизносная эффективность; 3) способность уменьшить граничное трение в зоне контакта [19].
Глубокое сверление - это типичная технологическая операция с применением системы циркулирующей СОЖ на масляной основе. Для выполнения этой операции требуется создание специальной оснастки, специального оборудования и инструмента. Вследствие значительного развития машиностроения, организации новых отраслей, производящих машины и оборудование различного технологического назначения, номенклатура деталей для сверления глубоких отверстий быстро расширяется. В настоящий момент на предприятиях всех основных отраслей промышленности детали обрабатываются путем применения методов глубоких отверстий ( гильзы, электрогенераторы, втулки и оси экскаваторов, плунжеры прессов и цилиндры, трубы буровых установок, валы и роторы турбин, бандажи прокатных станов и оси, гребные винты и др.) [39, 74].
С увеличением глубины отверстий возрастают сложности их обработки. Глубина отверстий может оцениваться отношением l/d0, где l – длина отверстия, а d0 – его диаметр. При разделении отверстий на неглубокие и глубокие используется это же отношение, и в качестве численной границы принимается l/d0=5, так как отверстия с отношением l/d0 5, обычными способами и нормальным инструментом можно эффективно обработать, а специальные инструменты и оборудование и особые способы обработки приходится использовать для обработки более глубоких отверстий. В этой связи глубокими отверстиями называются отверстия с l/d0 5. [65, 78]. Определенные глубокие отверстия в сплошном материале обрабатываются за несколько операций, делящихся на две группы. Процессы чернового растачивания и сверления, которые являются наиболее сложными, входят в первую группу. Их основным назначением является обеспечение требований для расположения оси отверстия и её прямолинейности. Чистовые и отделочные операции входят во вторую группу (хонингование, чистовое растачивание и др.), основное назначение их заключается в обеспечении точности диаметральных размеров и шероховатости и требуемой формы.
При резании температура достигает 1000 С и более[8, 9, 12, 76, 77, 94].
Методы чернового растачивания и глубокого сверления имеют ряд общих особенностей, которые в значительной степени связаны с трудностями, возникающими в процессе операций, например, вынужденное отведение стружки через отверстия с помощью потока СОЖ или другой рабочей среды; нарушения бесперебойности ее отведения приводят к нарушениям или прекращениям процессов обработки.
Улучшения методов обработки, которые обеспечивают точность, высокую производительность и экономичность, требуют увеличения диапазона их диаметров и отношений l/d0, рост номенклатуры деталей с глубокими отверстиями, повышение объема выпуска.
Непрерывное совершенствование способов и технологической оснастки для обработки глубоких отверстий сопровождается созданием большого числа инструментов, отличающихся принципом работы и конструктивными решениями.
Из-за отсутствия единой терминологии и классификации инструментов и способов обработки возникают трудности при проведении анализа применяемых инструментов и при использовании положительного опыта. Предлагаемые термины охватывают лишь наиболее характерные способы, принципы работы, виды инструментов и их элементы, оборудование и его узлы. При обработке глубоких отверстий по схемам глубокого сверления практически все является специальным, а в ряде случаев принципиально отличающимся от аналогичного в общем машиностроении [64].
Сложности обработки глубоких отверстий определяются его глубиной, которая характеризуется отношением l/d0. В частности глубина отверстия привела к появлению тех особенностей, которые должны быть рассмотрены как отличительные признаки. Главными характеристиками глубокого растачивания (сверления) следует считать не отношение l/d0, а вынужденное отведение стружки из отверстия с помощью потока СОЖ или другой рабочей среды и размещение инструмента на поверхность отверстия заготовки. Для этого поток СОЖ должен иметь необходимую кинетическую энергию, достаточную для обеспечения силового воздействия на стружки с целью устранения ее из отверстия. Поэтому глубоким растачиванием (сверлением) следует называть метод растачивания (сверления), который характеризуется присутствием вынужденного отведения стружки с помощью потока СОЖ или другой рабочей среды из отверстия и размещением инструмента на поверхность обработанного отверстия. В связи с этим для выполнения способа требуется специальное оборудование и инструмент.
Способы минимизации воздействия СОЖ и индустриальных масел на окружающую среду и человека
Выбор смазочно-охлаждающих жидкостей и технологических смазок зависит от типа оборудования и изделия [6, 73].
СОЖ не должна вызывать коррозии обрабатываемого материала, деталей станка и инструментов. СОЖ должна быть по возможности более стабильной, т.е. с течением времени и под действием различных загрязнений не подвергаться химическому и бактериологическому разложению.
При минимально необходимой скорости потока СОЖ, отвод стружки надежно обеспечивается с помощью кинетической энергии потока, которая будет достаточна для движения стружки вдоль отводных каналов. Минимально необходимый расход СОЖ определяется минимально необходимой скоростью СОЖ и выбранной площадью поперечного сечения отводного канала для СОЖ и стружки. В свою очередь расход СОЖ и ее вязкость можно определить (при выбранной их протяженности, форме каналов и площади) давлением СОЖ и мощностью, которая затрачивается на прокачку СОЖ по каналам подвода -отвода, по формуле [77]: N0 = 103Q, где N0 – мощность, которая затрачивается на прокачку СОЖ, кВт; Q – расход СОЖ, м3/с; –давление подаваемой насосом СОЖ, МПа.
В зависимости от длины и диаметра обрабатываемого отверстия расход СОЖ обычно составляет 0,001-0,009 мЗ/с при = 10 0,5 МПа в процессах глубокого сверления (растачивания). Затраты мощности на прокачку для указанных диапазонов и Q могут составлять 6-10 кВт, а в некоторых случаях могут превышать затраты мощности на резание, поэтому очень важно снизить затраты мощности на подвод СОЖ и отвод стружки. Использование маловязких СОЖ - это один из способов снижения затрат мощности, что положительно влияет также на снижение её потерь в виде отходов вместе со стружкой и ее очистке (фильтрации). Но выбрать вязкость СОЖ только на основе снижения её потерь со стружкой и сокращения затрат мощности не следует потому, что она сказывается на процессе обработки ( в частности, благотворно сказывается на условиях работы направляющих элементов). Таким образом, исследования[77] показали, что уменьшение вязкости ниже (8 10) 10-6 м2/c при определенных давлениях может привести к исчезновению СОЖ и пленки смазки под направляющими элементами, а это в свою очередь может привести к повышению трения на направляющих, появлению или усилению колебаний инструмента, его износу и поломке.
При использовании СОЖ с вязкостью менее (8 10) 10-6 м2/c повышаются утечки через зазоры в насосе, что при высоких давлениях может приводить к сильному уменьшению их скорости расхода.
Хорошие моющие свойства СОЖ способствуют успешному отводу частиц износа инструмента и стружки. Снижение сил трения и резания получают вследствие применения смазочных свойств СОЖ, а также свойств для облегчения резания, за счет эффекта П. А. Ребиндера[77]. Путем добавления соответствующих присадок и ПАВ (поверхностно-активных веществ) в СОЖ создаются эти свойства. Хлор, сера, и фосфор используются в качестве присадок в отечественной и зарубежной практике.
При операции обработки глубоких отверстий охлаждающие жидкости попадают в зону резания под давлением, проникают в микротрещины и микрощели в области стружкообразования, взаимодействуют с материалом заготовки и инструмента, формируя пленки на их поверхностях, экранирующих трущиеся поверхности. Химические пленки выдерживают высокую температуру (сульфидные не разрушаются до температуры 1000С, фосфатные – до 700С и хлоридные – до 500С) и высокие нормальные давления. Однако эти пленки обладают низким сопротивлением сдвигу, которые снижают коэффициент трения. Все присадки способствуют появлению определенных пленок, образующихся и сохраняющихся при вполне определенных условиях, которые являются последствием совокупного влияния несколько факторов. Активность определенной присадки повышается в присутствии другой.
Появление различных видов трения в разных областях контактирующих поверхностей обрабатываемого инструмента и направляющих режущих элементов обусловлено наличием разных условий функционирования инструмента. Это достигается путем использования СОЖ с необходимой вязкостью и хорошими смазывающими свойствами. Действие СОЖ по снижению сил трения и резания легко исчисляет суммарный крутящий момент МК (момент от сил трения и резания на направляющих) и суммарное осевое усилие (сумма осевых составляющих сил трения и резания на направляющих).
В соответствии с этими критериями проведенное сравнение ряда отечественных СОЖ при сохранении постоянными всех других параметров процесса показало, что затраты энергии на трение и резание в значительной степени зависят от совокупности свойств отработанных СОЖ. Каждая СОЖ имеет свою зону оптимальных температур, и для большинства СОЖ затраты энергии на трение и резание изменяются с колебанием температуры циркулирующей СОЖ. Зона оптимальной температуры циркулирующей смазочно-охлаждающей жидкости соответствует оптимальным условиям для существования оптимальной вязкости и химических пленок, при которых необходимо сохранить контактно-гидродинамическую смазку. Поддержание температуры циркулирующей СОЖ от 30 до 50 С рекомендуется для снижения энергетических затрат[77].
В процессе глубокого сверления снижение тепла с помощью СОЖ достигается попутно, наряду с отводом стружки, являющейся первичным назначением СОЖ. При циркуляции большого объема смазочно-охлаждающих жидкостей в единицу времени вызывается ее нагрев. И снижение тепла достигается предпочтительно потоком СОЖ и за счет конвективной теплоотдачи между нагретой поверхностью инструмента и заготовкой. Поток СОЖ, скорость перемещения, теплопроводность и расход СОЖ, разность температур в охлаждаемых поверхностях влияют на интенсивность снижения тепла.
При глубоком сверлении и растачивании следует использовать теплообменники, чтобы поддержать оптимальную температуру СОЖ в станке. А перед выполнением операции глубокого сверления и растачивания следует прогреть циркулирующую СОЖ до 25 – 30 С. Из-за нестабильности процесса резания и поломок инструмента, при температурах СОЖ меньше 20 С, сверление отверстий диаметром до 30 мм, с отношением l/d0 100 практически невозможно. При достижении температуры выше 50 – 60 С происходят интенсивные колебания инструмента и испарения СОЖ и могут ухудшаться санитарно-гигиенические условия, возможно возгорание паров СОЖ. И вследствие усиления окисления СОЖ она теряет свои свойства.
В отечественном и зарубежном деле масляные СОЖ и реже – водные эмульсии минерального масла в основном используются при глубоком растачивании и сверлении. При сравнении охлаждающих свойств, эмульсии обладают лучшими, чем масляные СОЖ, но менее стабильными при хранении, легко поражаются микроорганизмами, теряют свои операционные свойства и они не позволяют прониканию масла из системы смазки станка. Поэтому в процессе эксплуатации необходимо проследить за стабильностью состава и сохранением свойств эмульсии и др.
Азотсодержащие органические компоненты индустриальных масел
Среди обнаруженных нами в индустриальных маслах одноатомных спиртов физико-химические свойства которых представлены в табл. 3.3, преобладают предельные первичные спирты. Заметим, что 1-гексакозанол является единственным веществом из рассматриваемых в настоящей работе, которое идентифицировано во всех образцах индустриальных масел. Три обнаруженных в индустриальных маслах спирта 3,7,11-триметилдодеканол, фитол и 3,7,11,15-тетраметилгексадеканол - имеют изопреноидный скелет.
Тем не менее, вследствие повторного вдыхания паров спиртов они могут накапливаться в организме, что особенно опасно в случае отравления метанолом за счет его специфической токсичности. Пары влияют на раздражение слизистых. Пристрастие к спиртам может сопровождаться развитием неспецифически повышенной стойкостью организма, тем не менее, в дальнейшем обнаружены признаки интоксикации [80].
Обнаруженный нами в образце 3 непредельный олеиновый спирт токсичен. Наиболее сильное воздействие на организм человека он оказывает при попадании на кожу.
Нами идентифицированы также три двухатомных спирта. Все они содержат четное число атомов углерода. Известно, что токсичность двухатомных спиртов очень мала и снижается с увеличением молярной массы.
В главе (2), мы подробно останавливались на фенолах и их производных. В индустриальных маслах обнаружено несколько фенолов. Как видно из таблицы, они отсутствуют только в образце 2. Токсичность фенолов осуществляется в зависимости от их природы; возрастание количества и длины заместителей в ядре, как правило, снижает токсичность, но повышает способность к накоплению в живых организмах и персистентность. Именно поэтому нонил- и октилфенолы входят в число стойких органических загрязнителей.
Особенно сильно страдают от загрязнения фенолами обитатели водной среды и растительность. Установлено, что рыбы, живущие в районах стока вод химических производств, имеют нарушения эндокринной системы. При этом самцы начинают вырабатывать белки, которые присутствуют в икринках самок. Так, после катастрофического выброса сточных вод во Флориде (США) в 1980 г. наблюдалось рождение стерильных крокодилов. Действие фенола и его производных имеет еще одну неприятную сторону. Исследования показали, что они обладают синергизмом, т. е. совместное токсическое действие нескольких веществ превышает сумму эффектов отдельных соединений.
Как мы уже упоминали, индустриальные масла являются основой для получения масляных смазочно-охлаждающих жидкостей. При этом к маслам чаще всего добавляют различные присадки, в частности, фенолы и их производные. Бактерицидными и фунгицидными свойствами обладают производные 2-пропенил- и 4-изопропенилфенолов. С экологической точки зрения это недопустимо.
Среди обнаруженных нами в исследованных индустриальных маслах альдегидов преобладают цис-изомеры - производные алкенов. Они отсутствуют только в образце № 4.
Среди кетонов, как видно из приведенных в таблице данных, преобладают производные циклоалкенов. Особенностью состава индустриальных масел является отсутствие нафтеновых кислот. В то же время нами обнаружено несколько цис-изомеров ди- и триеновых карбоновых кислот.
Из приведенных данных видно также, что среди обнаруженных сложных эфиров отсутствуют производные нафтеновых кислот. Необходимо оценивать пространственные и временные масштабы источников воздействия на окружающую среду, которые могут иметь катастрофические последствия для отдельных видов, популяций и сообществ, привести к экологической катастрофе.
Все это заставляет считать контроль над уровнем вредных компонентов содержащихся в объектах окружающей среды, одной из самых важных задач, которые прямо связываются с возможностью существования человечества. При помощи анализа обнаруженных веществ на рабочих можно осуществлять обеспечение оценки их количества, идентификации их природы и на этой основе можно оценивать их вредное влияние.
Среди многочисленных способов очистки нефтепродуктов от кислородсодержащих органических соединений гидрирование является самым экологичным. Эффективность этого метода можно значительно увеличить, используя в качестве катализаторов современные наноматериалы. Такую очистку необходимо проводить, на наш взгляд, на нефтеперегонных заводах, а потребителям поставлять экологичные СОЖ и индустриальные масла.
Обязательным также является экологический мониторинг индустриальных масел [22, 28] на всех стадиях производства и дальнейшего использования. При этом к каждой партии масла должен быть, если можно так выразиться, "индивидуальный подход", поскольку они существенно различаются по составу вредных веществ, усугубляющих экологическую обстановку. Такую работу следует проводить совместно с технологами-разработчиками, технологами предприятия и специалистами по токсикологии.
В литературе имеются немногочисленные данные о молекулярном составе индустриальных масел. В частности, по данным [75], пики н-парафинов с числом атомов углерода от 14 до 25 идентифицированы на хроматограммах
индустриальных масел И-8А, И-12А и других. Кроме того, дифференцирующим признаком минеральных (нефтяных) масел также является во многих случаях присутстве изопреноидов: 2,6,10,14–тетраметилпентадекана (пристана) и 2,6,10,14-тетраметилгексадекана (фитана).
Из полученных нами данных, частично представленных в табл. 3.4, состав углеводородов одной и той же марки индустриальных масел, изготовленных на разных предприятиях, существенно отличается друг от друга.
Как видно из представленных в табл. 3.4 данных, нами в индустриальных маслах обноружены пергидрополициклические арены. Ранее такого типа соединения отсутствовали как в нефтях, так и в продуктах термоокислительной деструкции масляных СОЖ. В то же время имеются сведения о присутствии полициклических аренов в нефтях [36, 101] и в масляных СОЖ [58]. Например, в нефти [101] обнаружены 2-метилфенантрен и 1, 8-диметилфенантрен, а в масляной СОЖ марки сульфофрезол – 3, 4-бензпирен [58].
Все это говорит о том, что пергидрополициклические арены имеют «нефтяное» происхождение, но ранее не были обнаружены в нефтях. Либо в процессе переработки нефти имеющиеся в ней полициклические арены при гидрогенизации превратились в пергидрополициклические арены, как, например :
Принципиальная схема циркулирующей СОЖ на масляной основе при глубоком сверлении
Датчик температуры установлен непосредственно на технологическом узле установки в трубе отводного канала с диапазоном измерения -30...+180 С. Аналоговый сигнал, поступающий с датчика температуры, поступает в модуль преобразования непрерывного сигнала в дискретный (цифровой сигнал). В модуле сравнения осуществляется сравнение с заданным значением температуры, которое устанавливается экспериментальным путем и хранится в базе данных. В случае отклонения измеряемой температуры от диапазона заданного значения формируется сигнал управления исполнительным механизмом. Исполнительный механизм предназначен для перемещения регулирующих органов в системах автоматического регулирования технологическими процессами в соответствии с командными сигналами автоматических регулирующих и управляющих устройств.
После поступления сигнала от управляемого устройства (в том случае, от модуля формирования управляющего сигнала) этот сигнал преобразуется во вращательное движение выходного вала, в соответствии с которым исполнительный механизм включает в работу фреоновую холодильную установку 14, которая состоит из компрессора, фильтра, терморегулирующего вентиля и испарителя. При этом температура СОЖ снижается до требуемой величины, что приводит к минимизации загрязнения рабочей зоны и окружающей среды.
При температуре СОЖ ниже заданного значения, вырабатывается команда для выключения холодильной установки исполнительным механизмом с целью снижения стоимости производства и поддержания оптимальной температуры для обработки резанием.
Разработанная схема позволяет осуществлять постоянный контроль соответствия температуры СОЖ заданному значению, а также обеспечивает более устойчивую и надежную работу устройства и не требует ручной настройки.
Предполагаемая система автоматического регулирования температуры СОЖ имеет децентрализованную структуру и возможность встраивания в общую систему управления технологическим оборудованием.
На основе проведенных исследований (представлены на рисунке 3.5) разработаны представленная на рисунке 5.2 схема автоматизированной системы регулирования температурного интервала в зависимости от изменения молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ при обработке глубоких отверстий, которая позволяет повысить показатели качества технологического процесса, характеризующие их воздействие на окружающую среду и человека. Она включает в себя как автоматический хромато-масс-спектрометрический молекулярный анализ содержащихся в циркулирующей масляной СОЖ особо опасных и вредных компонентов, так и автоматизированный блок регулирования её температуры в зависимости от концентрации указанных компонентов.
При сверлении уделяется большее значение эвакуации стружки, поскольку обработка в ограниченном пространстве отверстия накладывает определенные требования в отношении контроля за стружкообразованием. Высокое качество фильтрации является необходимым условием для небольших сверл и отверстий с высокими требованиями к качеству обработанной поверхности. Поэтому отработанные СОЖ должны быть очищены с помощью комбинации различных фильтров или эффективной системой фильтрации для более качественной её очистки, а также повторного пользования.
Для очистки смазочно-охлаждающей жидкости от магнитных частиц металлического шлама использован магнитный сепаратор. Металлические частицы накапливаются в лоток, по которому затем отходы перемещаются в специальный бак.
Картриджные фильтры с тканевым или бумажным носителем используются для удаления металлических частиц-около 5 мкм из СОЖ. Это оборудование должно использоваться только после грубой очистки, чтобы избежать закупорки.
Центрифуги производят тонкую очистку водных и масляных СОЖ от магнитных и немагнитных частиц. Смазочно-охлаждающая жидкость, содержащая различные загрязнения, подается в барабан, вращающийся с высокой скоростью. Центробежная сила действует на частички загрязнения, вследствие чего грязь скапливается на стенках барабана, а очищенная жидкость выталкивается и подается далее.
Эффективная система очистки создает более благоприятные условия и для технологического процесса, и для работы хроматографа. Пробы отбираются из основной емкости 9(представлена на рисунке 5.1), куда собирается очищенная от механических примесей СОЖ. Анализ СОЖ проводится на описанном в главе 3 оборудовании с требуемым временным интервалом. При обнаружении в СОЖ особо опасных компонентов технологический процесс останавливается, а СОЖ возвращается на завод-изготовитель для дополнительной очистки. При увеличении содержания вредных химических веществ охлаждающий контур будет уменьшать температурный интервал СОЖ, а также при условии превышения их концентрации до максимально-допустимых, технологический процесс будет прекращен для предотвращения загрязнения окружающей среды и негативного воздействия на здоровье человека.
С помощью контура охлаждения и хладагентов, температура СОЖ, отводящейся из зоны резания, снижается до требуемого интервала для минимизации загрязнения окружающей среды и повышения эффективности производства.
В качестве хладагента используется газ фреон. Для того чтобы агрегат работал в штатном режиме, в нем должно находиться определенное количество фреона, которое зависит от мощности системы и длины трассы для прокачки фреона.
