книги из ГПНТБ / Ящерицын, П. И. Шлифование с подачей СОЖ через поры круга

вого пространства, зависит от полярности молекул твер­ дого тела (абразива и связки).

На поверхности раздела жидкости и твердого тела имеют место процессы адсорбции-десорбции. Различают физическую (ван-дер-ваальсову) п химическую хемо­ сорбцию. Первая вызывается физическими силами, имеющими электрическую природу (взаимодействие молекул с постоянными и индуцированными диполями, взаимодействие между неполярными молекулами), вто­ рая вызывается химическими силами (ионные, ковалент­ ные и координационные связи). Физическая адсорбция обратима, хемосорбция обычно необратима.

Природа внешних сил может быть самой разнооб­ разной. Одна из наиболее важных сил, всегда проявляю­ щаяся при фильтрации СОЖ через шлифовальный круг в процессе шлифования, это центробежная.

Таким образом, СОЖ, заполняющая пористый шли­ фовальный круг, находится в сложном взаимодействии с внутренними и внешними силовыми полями различной

с жидкостью, количества СОЖ, подводимой в поры кру­ га, ее категории, водно-физических свойств круга и фи­ зико-химических свойств СОЖ.

10. Категории СОЖ

Проведенные экспериментально-теоретические ис­ следования позволяют разделить СОЖ на различные формы по степени ее подвижности.

Если поверхность порового пространства шлифоваль­ ного круга смачивается СОЖ, то взаимодействие между жидкой и твердой фазами является определяющим фак­ тором в образовании различных видов связи между жидкостью и твердым телом круга. В общем случае все виды таких связей могут быть подразделены на хими­ ческие, физико-химические и механические. Энергети­ ческий уровень той или иной категории связи и опреде­ ляет процесс фильтрации СОЖ через пористые шлифо­ вальные круги.

В процессе шлифования в зоне резания происходит интенсивное испарение СОЖ. При обычном способе ее

50

подачи образуется паровой заслон, который препятству­ ет быстрому переходу избыточного тепла в основную массу СОЖ. Таким образом, при шлифовании имеет ме­ сто категория СОЖ в форме пара. Пары СОЖ как при обычном способе подачи, так и при охлаждении через поры круга способны проникать в его поровое простран­ ство и перемещаться от более нагретых участков шли­ фовального круга к менее нагретым. В силу действия эффекта Томпсона происходит перемещение паров СОЖ в поровом пространстве от выпуклых поверхностей че­ репка круга к вогнутым или к плоским поверхностям.

Пары СОЖ находятся в постоянном динамическом равновесии с другими категориями СОЖ. Например, при их перемещении к менее нагретым участкам круга про­ исходит полная или частичная их конденсация. Благо­ даря конденсации СОЖ переходит в свою другую кате­ горию, например капиллярную. В равной степени имеет место и обратный процесс. Другие категории СОЖ, по­ падая в зону действия высокой температуры (в зону резания), переходят в парообразное состояние.

Конденсация паров СОЖ, происходящая с измене­ нием температуры, называется термической. Имеет ме­ сто II молекулярное взаимодействие паров СОЖ, когда молекулы пара адсорбируются в поровом пространстве на стенках черепка круга с образованием адсорбирован­ ной категории СОЖ.

Адсорбция паров СОЖ определяется их относитель­ ной упругостью и зависит от удельной поверхности порового пространства шлифовального круга, химического состава его черепка, размеров пор н теплового режима в зоне резания. Основу адсорбции составляет несколь­ ко физико-химических процессов. В результате электро­ статического притяжения между ионами твердого тела шлифовального круга и дипольными молекулами СОЖ образуется однослойная сорбция молекул. Ван-дер-ва­ альсовы силы поверхности твердого тела круга и элект­ ростатическое притяжение от дипольного строения самих молекул СОЖ служат основой для процесса многослой­ ной сорбции. Дальнейшее увеличение слоев адсорбиро­ ванной СОЖ идет за счет капиллярной конденсации. Благодаря конденсации СОЖ может полностью запол­ нять отдельные микропоры определенной величины п находиться в состоянии связанной СОЖ.

Присутствие связанной СОЖ в поровом простран­ стве шлифовального круга оказывает существенное влияние на его теплофизические и другие свойства. По­ этому изучение связанной СОЖ имеет большое практи­ ческое значение.

Связанная СОЖ по своим свойствам существенно отличается от СОЖ, находящейся в обычном состоянии. Плотность ее на 20—40% выше плотности обычной СОЖ. В результате действия на молекулы СОЖ поверх­ ностных электрических зарядов абразивных зерен и связки круга и ионов на поверхности раздела твердой и жидкой фаз подвижность молекул связанной СОЖ зна­ чительно уменьшается, что и приводит к изменению фи­ зических свойств этой СОЖ.

Ближайший к поверхности абразива и связки слой молекул СОЖ характеризуется особо прочными связя­ ми с твердым телом, что является следствием химиче­ ского взаимодействия веществ на поверхности раздела. Такую категорию СОЖ можно назвать химически свя­ занной.

Химически связанная СОЖ на поверхности черепка круга различна по толщине и зависит от формы поверх­ ности. Абразивные зерна и связка по отношению к мо­ лекулам СОЖ являются весьма шероховатыми. Элект­ ромолекулярные силы на выпуклых участках поверхно­ сти абразивных зерен значительно сильнее, поэтому здесь толщина слоя химически связанной СОЖ больше. В то же время по эффекту Томпсона молекулы СОЖ должны перемещаться с выпуклых к вогнутым участ­ кам поверхности черепка круга. От совместного дейст­ вия эффекта Томпсона и электромолекулярных сил устанавливается какая-то равновесная толщина хими­ чески связанной СОЖ вокруг каждого абразивного зер­ на и по всей поверхности порового пространства круга. Ее первый слой испытывает давление в несколько тысяч атмосфер от действия электромолекулярных сил. Нали­ чие такого давления существенно изменяет свойства хи­ мически связанной СОЖ [175, 176]. Ее плотность уве­ личивается почти вдвое, температура кипения составля­ ет 200 °С, а температура замерзания понижается до —78°С. При этом теплоемкость химически связанной СОЖ значительно выше, а диэлектрическая постоянная в 25—40 раз меньше, чем у обычной СОЖ.

52

В химически связанной СОЖ не действуют законы гидростатики. В этом проявляется ее некоторая общ­ ность с твердыми телами. Удалить такую СОЖ с по­ верхности черепка круга можно только нагреванием до определенной температуры.

Памп были проведены опыты с целью определения хотя бы ориентировочного содержания химически свя­ занной СОЖ в поровом пространстве шлифовальных кругов. Для этого было отобрано по три-пять шлифо­ вальных кругов размером ПП 50X25X16 различных ха­

каждый круг устанавливался на внутришлифовальный шпиндель станка и вращался в течение 10 мин при ско­ рости вращения 50 м/сек. Затем круги взвешивались и

больше, чем вес сухого круга, взвешенного до пропитки. Вес кругов, прошедших нагревание при 500 °С, был на 0,05—2,3% меньше веса сухих кругов. Под весом сухих кругов мы понимаем их вес после нагревания до 500 °С и остывания на воздухе до температуры окружающей среды. Разница веса в 0,05—2,3% характеризует количе­ ство влаги, впитанной кругом в процессе его остывания из воздуха атмосферы, разница веса в 3—9% представ­ ляет количество связанной СОЖ в шлифовальном круге. Некоторая часть этой СОЖ вместе с 0,05—2,3% атмос­ ферной влаги представляет химически связанную СОЖ.

В результате исследований установлено, что количе­ ство атмосферной влаги и связанной СОЖ тем больше, чем больше удельная поверхность порового пространст­ ва шлифовальных кругов и меньше размер их пор.

Также были выполнены опыты с целью определения минимальной температуры нагревания шлифовальных кругов для удаления из их пор связанной СОЖ. Круги пропитывались СОЖ, вращались на шпинделе в тече­ ние 10 мин при скорости вращения 50 м/сек и подверга­ лись ступенчатому нагреву с выдержкой при заданной

53

температуре в течение 15 м и н и остыванию в эксикаторе с последующим взвешиванием. После взвешивания кру­ ги опять нагревались до температуры следующей сту­ пени и т. д. Ступенчатый нагрев производился при тем­

температура нагрева, после которой его вес оставался постоянным. Опыты показали, что чем больше удельная поверхность круга и меньше его поры, тем большая не­ обходима температура нагрева для удаления связанной

брусками зернистостью М40 и М28 показало, что темпе­ ратура нагрева 500 °С является достаточной для удале­ ния связанной СОЖ из абразивного инструмента со сколь угодно малыми размерами пор и большой удель­ ной поверхностью.

54

зивные бруски, изготовленные из микропорошков, на­ пример, зернистостью М40, М28 и т. д.

Физически связанная СОЖ незначительно отличает­ ся по своим свойствам от СОЖ в обычном состоянии. Основные ее отличия заключаются в несколько повы­ шенной вязкости, более низкой температуре замерзания (—1,5 °С), более повышенном сопротивлении фильтра­ ции из-за малой подвижности ее молекул. Удалить фи­ зически связанную СОЖ из порового пространства кру­ га можно путем нагревания до температуры 120— 150 °С.

Возвращаясь к описанным выше опытам с нагрева­ нием и взвешиванием шлифовальных кругов, насыщен­ ных СОЖ, следует отметить, что общее весовое количе­ ство связанной СОЖ составляет 3—15%. Из этого коли­ чества на долю химически связанной СОЖ, по данным наших опытов, приходится до 3%. При вращении шлифо­ вального круга с общепринятыми скоростями резания происходит частичное удаление физически связанной СОЖ из его порового пространства.

В процессе насыщения порового пространства шли­ фовального крута жидкость стягивается в местах кон­ такта абразивных зерен и заполняет углы пор. СОЖ в углах пор ограничена их стенками и поверхностью ме­ ниска, образующегося на определенном расстоянии от вершины угла поры. Такие капельки СОЖ находятся в разобщенном состоянии, и перемещение жидкости меж­ ду ними отсутствует. При дальнейшем увеличении насы­ щения СОЖ поры круга постепенно заполняются жидкостью с образованием целой системы поровых ка­ налов, по которым происходит перемещение СОЖ под действием капиллярного давления. Жидкость, запол­ няющая углы пор и ограниченная с одной стороны ме­ ниском или перемещающаяся под действием капилляр­ ного давления, представляет собой категорию капилляр­ ной СОЖ.

Нами были проведены исследования капиллярных явлений в шлифовальных кругах различных характери­ стик. Шлифовальные круги своей периферией погружа­ лись в подкрашенный содовый раствор на глубину 1— 2 мм и выдерживались в таком положении с измерением высоты капиллярного поднятия СОЖ через 1, 3, 5, 8, 10, 15, 20 мин и далее через каждый час до полного прекра­

55

щения капиллярного поднятия. Время и высота капил­ лярного поднятия СОЖ определялись по изменению цвета торцовых поверхностей кругов от поднимающейся по их порам подкрашенной жидкости. Затем каждый круг разламывался по вертикальной плоскости, и в плоскостях разлома были четко видны картина капил­ лярно-канальных путей поднятия СОЖ и высота пре­ дельного капиллярного всасывания.

В результате выполненных исследований установле­ но, что СОЖ в мелкопористых кругах поднимается вы­ ше и быстрее, чем в крупнопористых. При этом движе­ ние СОЖ в круге идет опять-таки выше и быстрее по мелким порам, чем по крупным. Быстро поднимающие­ ся мениски в мелких порах обгоняют мениски крупных пор с заполнением мелких пор над крупными. В резуль­ тате этого в крупных порах остается защемленный воз­ дух, сжатый силой капиллярного давления. По мере увеличения высоты капиллярного поднятия уменьшает­ ся скорость капиллярного перемещения СОЖ, и все бо­ лее мелкие поры остаются не заполненными жидкостью с защемленным воздухом. СОЖ останавливается в том месте поровых каналов круга, где радиус канала соот­ ветствует достигнутой высоте ее поднятия.

Необходимо отметить, что определение максималь­ ной высоты капиллярного поднятия подкрашенной СОЖ нужно производить с помощью микроскопа при увели­ чении 50—100. В верхней части общей картины всасы­ вания СОЖ капиллярные каналы настолько малы в по­ перечном сечении, что с трудом различаются невоору­ женным глазом. В рассматриваемой плоскости след от подкрашенной СОЖ является прерывистым, что свиде­ тельствует о сложной пространственной траектории, ко­ торую совершает жидкость в процессе своего капилляр­ ного поднятия. Это следствие чрезвычайно сложного структурного строения круга и значительной извилисто­ сти его капиллярных каналов. Другой причиной преры­ вистости следа подкрашенной СОЖ является наличие достаточно большого количества крупных пор, по кото­ рым СОЖ не перемещается под действием капиллярно­ го давления. При капиллярном всасывании крупные по­ ры СОЖ обходит по соседним более мелким порам. Время достижения полной высоты капиллярного подня­ тия СОЖ колеблется от 30 мин до нескольких суток.

56

Таким образом, высота капиллярного поднятия СОЖ в шлифовальном круге определяется его структурным строением, размерами пор и их однородностью по раз­ мерам.

Высота капиллярного поднятия СОЖ для шлифо­ вальных кругов ряда характеристик является достаточ­ но большой величиной, значительно превышающей мак­ симальный диаметр кругов, выпускаемых промышлен­ ностью. Поэтому алмазным кругом нами делались площадки на периферии исследуемых шлифовальных кругов. По ним стыковались круги, и таким образом на­ биралась необходимая высота «составного» круга для определения максимального поднятия СОЖ при капил­ лярном всасывании. Хорошо подогнанные алмазным шлифованием стыковые площадки не нарушают харак­ тер, скорость и высоту капиллярного всасывания.

Итак, высота поднятия СОЖ по капиллярам шлифо­ вального круга зависит от величины поверхностного на­ тяжения СОЖ, ее плотности, смачиваемости, структурно­ го строения круга, размеров его пор. Для большинства кругов высота капиллярного поднятия СОЖ составляет

15—1500 мм и больше.

Если шлифовальный круг после прекращения капил­ лярного всасывания поднять из жидкости, то капилляр­ ная СОЖ в порах круга находится в подвешенном со­ стоянии и удерживается капиллярными силами. Удаля­ ется капиллярная СОЖ при вращении шлифовальных кругов с общепринятыми скоростями резания. Время удаления находится в прямой зависимости от скорости вращения круга, размеров и степени извилистости ка­ пилляров. Удалению СОЖ из пор вращающегося круга способствует его вентилирующая способность. Как толь­ ко прекращается подача СОЖ через поры, круг заса­ сывает воздух и происходит продувка порового прост­ ранства круга. Капиллярная СОЖ практически не отли­ чается по своим свойствам от СОЖ в обычном состоя­ нии, и только температура замерзания ее зависит от раз­ мера пор и может доходить до —18 °С.

Если СОЖ полностью заполняет все поровое прост­ ранство круга, то в крупных порах, в которых не дейст­ вуют капиллярные силы, она находится в свободном со­ стоянии и способна перемещаться под действием силы тяжести. Такая СОЖ называется гравитационной.

57

Итак, СОЖ в поровом пространстве шлифовального круга находится в форме пара, в виде адсорбированной связанной (которая состоит из химически и физически связанной СОЖ) и в виде капиллярной и гравитацион­ ной. При подаче СОЖ через поры круга под действием центробежной силы по норовым каналам перемещается гравитационная и капиллярная СОЖ, а при определен­ ном значении центробежной силы — и часть физически связанной. Другая часть физически связанной и вся хи­ мически связанная СОЖ в виде адсорбированных пле­ нок проникают в точки непосредственного контакта аб­ разивных зерен с обрабатываемым металлом и обеспечи­

вают смазывающее и охлаждающее действие в зоне резания.

11. Прохождение чистой СОЖ через шлифовальный круг

Чистая СОЖ — это жидкость, в которой отсутству­ ют механические примеси: частицы абразива и связки, сошлифованного металла и т. д.

Движение СОЖ через поры круга носит очень слож­ ный характер, скорость ее прохождения в порах неодно­ кратно меняется по величине и направлению. Это не по­ зволяет определить действительную скорость движения СОЖ в порах и давление в любой точке. Поэтому для изучения процесса протекания СОЖ через шлифоваль­ ный круг применим статистический метод, основанный на работах Н. Е,- Жуковского, Н. П. Павловского и др. В этом случае для упрощения внесем понятие условной скорости движения СОЖ: отношение фактического рас­ хода СОЖ к площади нормального сечения среды А, которую назовем средней скоростью фильтрации:

( 3 2 )

Так как в шлифовальном круге площадь нормально­ го сечения представляет собой коаксиальную цилиндри­ ческую поверхность переменной величины, а суммарная площадь поперечного сечения сообщающихся поровых

каналов равна Ап= А т а, то средняя скорость движения

сож

m an r H '

58

от величины внутреннего до величины наружного радиу­ са круга.

Сопротивление шлифовального круга характеризует­ ся перепадом давления СОЖ на входе и выходе из круга и складывается из потерь на трение, расширение (суже­ ние) и изменение направления элементарной струйки. Проводимость круга по отношению к СОЖ характери­ зуется его проницаемостью, которая определяется по за­

мере фильтрации чистой СОЖ сопротивление круга не­ прерывно возрастало. После прекращения подачи СОЖ и возобновления ее через некоторое время сопротивле­ ние оказывалось близким к исходному.

Это явление, называемое фильтрационным эффектом, обусловлено образованием в поровых каналах шлифо­ вальных кругов паровоздушных пузырьков, которые или выносятся СОЖ из поровых каналов, или закупорива­ ют их, увеличивая гидравлическое сопротивление кругов. После прекращения подачи СОЖ образование паровоз­ душных пузырьков прекращается, а оставшиеся пузырь­ ки уносятся потоком воздуха. В результате пропускная способность круга восстанавливается.

Экспериментально установлено, что необходимым и достаточным условием исключения появления фильтра­ ционного эффекта является подача СОЖ в полость кру­ га под давлением 0,3—0,5 кгс/см2.

Повышение давления во внутренней полости круга необходимо в двух случаях: 1) с увеличением раствори­ мости воздуха в СОЖ, ее испаряемости, скорости проте­ кания через круг и пути фильтрации; 2) с уменьшением диаметра и количества пор.

59