Действие смазочно-охлаждающих средств. Cмазочно-охлаждающие жидкости.

Пластические деформации и трение, возникающие в процессе резания, вызывают очень высокие давления и температуры в зоне контакта обрабатываемой детали, стружки и режущего инструмента. В ряде случаев этот нагрев играет положительную роль, смягчая обрабатываемый металл в зоне резания, на поверхности контакта его с режущим инструментом и тем, облегчая процесс резания. Иногда, как это бывает при работе пил трения, быстродвижущиеся (80-120 м/с) тонкий диск или лента сильно размягчают и даже расплавляют и выбрасывают его из прорези; процесс резания здесь отсутствует.

Но обычно на поверхности контакта при постоянной нагрузке создаются лишь тончайшие слои смазки, и возникает физико-химическое взаимодействие поверхности обрабатываемой детали, стружки и инструмента с окружающей средой. Образуются физические, химические, механические плёнки в зависимости от содержания смазочно-охлаждающих средств (СОС) и режима резания. Эффективность СОС зависит от степени их реактивности с обрабатываемым материалом, метода подвода и количества смазочно-охлаждающих средств.

К этому необходимо добавить моющее действие СОС для удаления стружки и различного рода частиц – элементов разрушения (механического, структурного) с поверхностей инструмента и из зоны резания.

Смазочно-охлаждающие средства подразделяются  на группы.

К первой группе можно отнести охлаждающие газы, обладающие способностью не только отнимать тепло при снижении давления, но и химически взаимодействовать на зону резания (CO₂, CCl₄).

Во вторую группу входят жидкости с высокой охлаждающей способностью, в частности: водные растворы электролитов и эмульсии, вода. Для того, чтобы не ржавели обрабатываемые детали, поверхности  инструмента и станка, в водный раствор добавляют от 5 до 10% кальцинированной соды, хотя последняя неблагоприятно воздействует  на смазку подшипников, окраску, шпаклёвку станка. Некоторые окисные добавки к воде, например мыло, эмульсии различных масел, повышают смазывающие способности воды, что облегчает процесс резания.

Особенно широко применяются эмульсии типа масло-вода. Для устойчивости этих эмульсий со значительным содержанием масла вводится эмульгатор в виде различного рода  мыл. Эмульсия представляет собой двухфазную дисперсную систему, которая состоит из двух жидкостей, из которых одна  распределена в среде другой в виде мелких капель, которые под действием поверхностного натяжения принимают сферическую форму. Для устойчивости такой системы необходимо, чтобы жидкости не обладали способностью смешиваться друг с другом. Стабилизирующее действие эмульгатора заключается в образовании на поверхности капель адсорбционной плёнки с достаточно высокой механической прочностью. Эта плёнка предохраняет капли от слипания.

При огромных давлениях (до 40 000 атм) на поверхности контакта  стружки, поверхности резания и резца смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ) всё же проникает в зону контакта. Это объясняют тем, что контакт не является сплошным и потому в силу капиллярности смазочно-охлаждающая жидкость даёт необходимый эффект. Этому способствуют также вибрации в процессе резания, вызывающие разрывы контакта.

К третьей группе смазочно-охлаждающих средств относятся керосин, минеральные масла, а также животные и растительные масла и их смеси. Такие жидкости обладают высоким сродством с металлом (смачиваемостью) и , следовательно, способностью уменьшать трение. Здесь также весьма эффективны добавки поверхностно-активных веществ, например жирных кислот, металлических мыл и других органических веществ, содержащих серу, фосфор, хлор и др.

Минеральные масла хуже охлаждают обрабатываемую поверхность и инструмент, чем вода, но лучше их смачивают, так как имеют меньшее поверхностное натяжение. Для получения чистой обработанной поверхности хороши смеси минеральных масел с растительными и животными жирами.
Исследования показали преимущество осерненных масел в отношении их «режущих» способностей. Их применение даёт возможность уменьшить мощность, которая потребляется в процессе резания, и увеличить износостойкость режущего инструмента намного больше, чем это можно достичь с применением обычных (неосернённых) жидкостей. В настоящее время применяются различные марки осернённых масел, например: сульфофрезол В – веретённое масло содержащее 1,5-2,5% серы, сульфофрезол Р – это так называемое соляровое масло содержащее от 0,9 до 1,5% серы и др.

Наиболее эффективное применение растительных масел замечено при использовании для чистовых работ. Одним из недостатков является способность масла сгущаться при длительном употреблении, при этом выделяются жирные кислоты, разъедающие сталь и медь. Растительные масла должны быть хорошо очищены и не должны содержать смолистых кислот и основных ключений. Они обладают большей, сравнительно с минеральным маслом, смачивающей способностью и большей маслянистостью. Последнее объясняется присутствием в растительном масле поверхностно-активных веществ, молекулы которых содержат резко полярные группы, то есть группы, имеющие большое сродство с веществами одной из граничных фаз. Подобные молекулы создают на поверхности металла прочную адсорбционную плёнку, которая облегчает трение.

Адсорбция - самопроизвольно протекающий диффузионный процесс поглощения газа, жидкости или растворённого вещества (адсорбата) поверхностью тела. У молекул расположенных на поверхности твёрдого тела, межмолекулярные силы не компенсированы со стороны газообразной или жидкой среды, в результате чего происходит притяжение молекул адсорбируемого вещества. Также различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбция). Физическая адсорбция происходит под влиянием сил Ван-дер-Ваальса и не сопровождается химическим взаимодействием – связи менее прочны. Этот процесс обратимый (десорбция) в отличие от абсорбции, где имеет место диффузия поглощённого вещества в глубь поглотителя с образованием раствора.

К растительным маслам, употребляемым при чистовом резании металлов, относятся:
1) сурепное масло, добываемое из семян сурепицы; суррогат сурепного масла представляет смесь технического неочищенного сурепного масла с очищенным минеральным маслом;
2) льняное масло;
3) касторовое масло (вследствие высокой вязкости применяется обычно в смеси с другими маслами).

Поверхность твёрдого тела покрыта адсорбционным слоем газообразного, жидкого или твёрдого вещества, заметно влияющего на процесс трения. Хорошо очищенные поверхности металлов, лишённые этого слоя, с большим трудом перемещаются относительно друг друга и при соответствующем давлении могут даже срастись.
Молекулы смазывающих веществ продолговатые и этими концами прочно прикрепляются к поверхности металла, образуя довольно прочный слой смазочной плёнки.

Если перемещать смазанные металлические поверхности относительно друг друга, то контакт происходит между слоями смазочной плёнки, и поэтому снижается трение. Прочная масленая плёнка получается лишь при условии наличия активных молекул жидкости, обладающих высоким сродством с металлами. Опытным путём установлено, например, что плёнка из чистого минерального масла плохо прирастает к поверхности металла, однако это же масло с добавлением жирных кислот показывает хорошие характеристики в качестве смазки.