Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ): проблемы и решения

Что же такое СОЖ? Их функциональное назначение

В последнее время в процессах металлообработки все чаще и чаще стали применяться так называемые смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ).

В термине «смазочно-охлаждающие жидкости» уже кроется объяснение о предназначении этой продукции — смазывать и охлаждать. Для чего нужна такая функциональность СОЖ? Каждый, кому доводилось поработать дрелью или перфоратором, знает, что после пары дырок, проделанных в стене, температура сверла становится очень высокой — попытка его сменить заканчивается слегка ошпаренными пальцами. Теперь не сложно представить, какие нагрузки испытывают используемые в обработке материалов (особенно металлов) станки и инструменты.

Вот почему смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) являются обязательным элементом большинства технологических процессов обработки металлов и различных материалов резанием и давлением. Точение, фрезерование, сверление, шлифование и другие процессы обработки резанием сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов, неметаллических конструкционных материалов, штамповка и прокатка металлов характеризуются большими статическими и динамическими нагрузками, высокими температурами, воздействием обрабатываемого материала на режущий инструмент, штамповочное и прокатное оборудование.

В этих условиях основное назначение СОЖ - уменьшить температуру, силовые параметры обработки и износ режущего инструмента, штампов и валков, обеспечить удовлетворительное качество обработанной поверхности (рис.1).

Так каково же все-таки основное назначение СОЖ? Данные жидкости выполняют ряд функций, которые призваны значительно усовершенствовать процесс обработки металлов:

1. СОЖ удаляет стружку, грязь, пыль и другие загрязнения с места контакта инструмента и металла, что препятствует нарушению структуры металла под воздействием высоких температур;
2. Диспергирование обрабатываемых металлов, в результате данной операции их поверхность разрушается, поэтому на выполнение работ затрачивается меньше энергии.
3. Смазывание поверхностей, которое происходит в зоне контакта заготовки и инструмента, за счет чего оборудование уже не испытывает столь высоких нагрузок и возрастает срок его эксплуатации.
4. Охлаждающая функция.

Классификация смазочно-охлаждающих жидкостей и присадок

Огромный ассортимент выпускаемой технической продукции, представленной сейчас на рынке металлообработки, требует определенного структурирования. Но, следует отметить, что конкретных квалификационных стандартов для СОЖ не разработано. Однако существует достаточно распространенное деление СОЖ на следующие группы:

1. Масляные. Создаются они на базе масла (чаще всего минерального), которое и отвечает за снижение трения в местах контакта инструмента. С целью улучшить рабочие показатели в состав также входят пакеты присадок с определенными характеристиками.

Водосмешиваемые. Состав данных СОЖ достаточно разнообразен: эмульгаторы, спирты, масла, электролиты, присадки и другие вещества. Перед применением необходимо приготовить эмульсию, свойства которой будут во многом зависеть от процентного содержания воды.

Существует три типа водосмешиваемых концентратов СОЖ с различными эксплуатационными характеристиками:

• эмульгирующаяся (эмульсол), или обычная, - концентрат СОЖ с высоким содержанием масла (60-75%), после разбавления водой образующий грубую эмульсию молочного вида;
• полусинтетическая - концентрат СОЖ с низким или средним содержанием масла (10-50%), при смешивании с водой образующий полупрозрачную микроэмульсию; синтетическая - концентрат СОЖ, не содержащий масла и образующий с водой чистый химический раствор, - обычно используется при шлифовании.

Большую роль на характеристики смазочно-охлаждающих жидкостей также оказывают присадки, поэтому следует выделить и их основные виды:

1. Антикоррозийные присадки, предназначенные для защиты поверхности металлов во время их обработки под воздействием экстремальных нагрузок.
2. Противоизносные присадки позволяют уменьшить износ и старение инструментов, а также отдельных деталей и узлов станков при тяжелых условиях эксплуатации, тем смым продлевая срок службы оборудования.
3. Противозадирные присадки предотвращают повреждение поверхностей инструмента во время обработки металлов.
4. Антитуманные присадки противодействуют появлению тумана от масляных СОЖ, который негативно сказывается на работе станков и вызывает заболевания дыхательной системы работающих.
5. Антипенные присадки продлевают срок службы самих смазочно-охлаждающих жидкостей, оберегая их от образования пены, губительно влияющей на свойства СОЖ.

Как правильно выбрать СОЖ?

Поскольку особенности технологического процесса определяются множеством факторов, например видом и условиями эксплуатации оборудования, типом обрабатываемых материалов и т. д., ни одна смазочно-охлаждающая жидкость не может обеспечить оптимальное смазывание, охлаждение и защиту инструмента и заготовки для всех возможных операций обработки.

Во-первых, для достижения наилучших результатов в работе следует правильно подобрать СОЖ к конкретному виду обработки (резание, литье под давлением, горячая штамповка и т.д.), определить требования к СОЖ в зависимости от проблем, возникающих при данном процессе (перегревается оборудование, следовательно, необходима охлаждающая способность СОЖ; прогорание смазки при высоких температурных режимах, следовательно, необходима высокая термостойкость смазки), а также настроить корректную подачу жидкости. От последнего фактора будет во многом зависеть моющая и охлаждающая способности.

Во-вторых, крайне важно для конкретных операций обработки конкретного материала подобрать уровень концентрации СОЖ, т.е. степень разбавления концентрата. Правильно выбранная концентрация (обычно от 3 до 10%) обеспечивает оптимальные эксплуатационные характеристики жидкости. Из этого следует, что применять СОЖ следует именно в той концентрации, которая рекомендована поставщиком. Слишком высокая концентрация может вызвать такие проблемы, как раздражение кожи и дыхательной системы у работников, вспенивание и плохая фильтрация жидкости. Слишком низкая концентрация также может привести к серьезным проблемам - размножению бактерий, коррозии и снижению качества обработки поверхности.

Кроме того, в процессе использования неизбежно происходит смешение СОЖ и масел, используемых для смазки направляющих станка и в его гидравлических системах. Поэтому необходимо использовать смазочные материалы, полностью совместимые с водосмешиваемой СОЖ, что помогает избежать накопления «захваченного масла».

После того как правильный тип СОЖ и рабочая концентрация были выбраны, крайне важно постоянно контролировать состояние жидкости. Необходимо отслеживать четыре параметра: концентрацию жидкости, уровень рН, количество бактерий и грибков, концентрацию растворенных солей и жесткость жидкости. Концентрация жидкости является наиболее важным контрольным фактором, ее необходимо проверять и регистрировать фактический уровень. Данные операции желательно проводить ежедневно или еженедельно в начале каждого рабочего дня или смены.

В процессе эксплуатации охлаждающей жидкости ее концентрация может существенно меняться из-за испарения воды в результате выделения тепла в процессе резки, а также из-за потерь вследствие циркуляции под высоким давлением. Это может привести к таким проблемам, как снижение показателя pH и повышение бактериальной активности, что сокращает срок службы рабочей жидкости, снижает качество продукции и увеличивает затраты.

Важно еще раз подчеркнуть, что, следуя вышеприведенным рекомендациям, предприятие сможет существенно увеличить производительность технологических процессов и в конечном итоге общую эффективность производства.

Уход за СОЖ и их замена

Важным резервом повышения производительности оборудования в металлообрабатывающем производстве является рациональное применение СОЖ, позволяющих увеличить стойкость режущего инструмента, улучшить качество обрабатываемой поверхности, обеспечить межоперационную защиту от коррозии. Оптимальное использование СОЖ возможно только при рациональной организации всех этапов их эксплуатации: транспортирования и хранения, приготовления и регенерации СОЖ.

1. Хранение концентрата СОЖ. Во избежание потери технологических свойств СОЖ, в частности ее расслоения, концентрат СОЖ должен хранится только в закрытом вентилируемом помещении, исключающем скопление влаги и грязи на упаковке. Температура в помещении должна быть в пределах от +50 С до +400 С. Не допускается замораживание продукта. Для хранения СОЖ нельзя использовать емкости с внутренним гальваническим покрытие.
2. Приготовление рабочих эмульсий. Качество рабочей эмульсии определяет её эксплуатационные свойства и срок службы. Для получения микроэмульсий используют различные диспергирующие устройства: гомогенизаторы, кавитаторы и коллоидные мельницы. Наиболее эффективными являются устройства ультразвукового диспергирования.

Рабочие эмульсии СОЖ получают смешением расчетных количеств воды и концентрата. Концентрат всегда добавляется в воду, а не наоборот. Добавление воды в концентрат может привести к образованию комков или желеобразных сгустков. Концентрат эмульсии перед добавлением в воду должен быть равномерно перемешан. Для этого закрытую бочку рекомендуется покатать.

Кроме того, вода должна иметь определенную, рекомендуемую для данной СОЖ, жесткость. Оптимальная жесткость воды лежит в пределах 175 – 350 ppm CaCO3. При жесткости воды более 440 ppm CaCO3 может ухудшиться стабильность эмульсии из-за образования и выпадения мыл. В этом случае рекомендуется умягчение воды. При очень низкой жесткости, менее 175 ppm CaCO3, может повыситься пенообразование.

Замена СОЖ. Основные этапы заключаются в следующем:

Перед заливкой свежей эмульсии, в сливаемую жидкость надо добавить очиститель системы и работать в обычном режиме в течение рабочей смены (8 - 12 часов). Слить отработанную жидкость в заранее приготовленные емкости для направления на утилизацию.

Осмотреть и очистить емкости и трубопроводы системы (или бачки для эмульсий в индивидуальных станках) от неорганических примесей, таких как металлическая стружка и абразив, и органических отложений в виде осадков, пленок.

Заполнить систему водой. При необходимости добавить в воду очиститель. Запустить систему в режиме циркуляции на 2 - 4 часа. Слить промывочный раствор . Используя смеситель, залить свежую СОЖ в нужной концентрации до рабочего уровня. Не проводить смешение добавлением воды в концентрат.

Запустить систему в режиме циркуляции для гомогенного перемешивания не менее чем на 1 час (в зависимости от объёма системы). При необходимости довести до нужного уровня концентрацию СОЖ.

После этого система (станок) готова к работе. Проведенная таким образом замена способствует максимальному сроку службы новой рабочей эмульсии.

Уход за водосмешиваемыми СОЖ

В процессе эксплуатации СОЖ возможно некоторое ухудшение технологических показателей металлообработки, появление неприятных запахов, изменение цвета, расслоение, потеря защитных антикоррозионных свойств. Это связано с изменением концентрации эмульсии. Для поддержания свойств СОЖ необходим текущий контроль и корректировка качества рабочих эмульсий.

Периодичность контроля регламентирована:

• для масляных СОЖ – не реже одного раза в месяц;
• для эмульсий – не реже одного раза в неделю.

У водосмешиваемых СОЖ рекомендуется контролировать внешний вид, запах, концентрацию, pH, антикоррозионные свойства, содержание «инородного масла», механических примесей и микроорганизмов.

Внешний вид и запах контролируются практически ежедневно и могут косвенно свидетельствовать об изменении некоторых других качественных характеристик СОЖ. Например, при молочно-белом цвете свежеприготовленной эмульсии синевато-белый оттенок свидетельствует о ее заниженной концентрации, белый цвет с желтым или коричневым оттенком – о наличии «инородного масла», серый оттенок – о наличии примесей металла.

По однородности эмульсии можно судить о ее стабильности. Появление гнилостного запаха указывает на поражение эмульсии бактериями.

Все методы контроля качества СОЖ обычно представлены в техничсеком описании на продукт.

Проблемы, возникающие в процессе эксплуатации СОЖ

При неправильной эксплуатации жидкости и отсутствии контроля над основными физико-химическими показателями могут возникать отклонения в качестве обрабатываемой поверхности (задиры, высокая шероховатость и т.д.), антикоррозионной защите, износе и стойкости инструмента.

Изменение органолептических и гигиенических свойств жидкости может проявляться возникновением сильного неприятного запаха сероводорода, изменением цвета жидкости, появлением негативного воздействия на оператора (раздражение кожи и слизистых оболочек). Кроме того может наблюдаться расслоение и пенообразование СОЖ, бактериальное поражение. Это также может быть обусловлено и рядом других причин:

• Слабые эмульгаторы и стабилизаторы СОЖ, вызывающие ее разделение на отдельные слои.
• Нехватка биоцидных компонентов в СОЖ, и как следствие, рост бактерий и грибов, которые практически невозможно вывести из системы.

Что будет если не побороть эти явления:

• Увеличение расходов на СОЖ.
• Коррозия станков и отдельных узлов и механизмов.
• Выход из строя фильтров и насосов для подачи СОЖ.