Содержание к диссертации
Введение
1. Физико-химические процессы при шлифовании металлов 12
1.1. Стружкообразование при шлифовании металлов 12
1.2. Влияние характеристик абразивного инструмента на показатели процесса шлифования металлов 23
1.3. Повышение эффективности шлифования за счет применения рациональных составов смазочно-охлаждающих жидкостей 27
1.4. Цель и задачи исследований 38
2 Влияние свойств смазочно-охлаждающих жидкостей на основные показатели процесса шлифования металлов 41
2.1. Феноменологическая модель режущей способности шлифовального круга при шлифовании со смазочно-охлаждающей жидкостью 41
2.2. Феноменологическая модель износостойкости шлифовального круга при работе со смазочно-охлаждающей жидкостью 56
2.3. Феноменологическая модель шероховатости обработанной поверхности при шлифовании со смазочно-охлаждающей жидкостью 62
3. Методики исследования 67
3.1. Методика исследования влияния состава СОЖ на основные показатели процесса шлифования 67
3.1.1. Экспресс-методика определения влияния СОЖ на режущую способность и износ абразивного инструмента, величину составляющей силы шлифования Pz, засаливание рабочей поверхности круга, шероховатость обработанной поверхности 67
3.1.2. Методика исследований при микрорезании обрабатываемого металла единичным зерном 72
3.1.3. Методика определения количества налипшего на единичное зерно металла при микрорезании 74
3.1.4. Методика определения ионизационного потенциала СОЖ 75
3.1.5. Методика определения коэффициента трения абразива по металлу 77
3.1.6. Методика исследования структуры обработанной поверхности металла шлифовальным кругом 78
3.1.7. Методика исследования влияния состава СОЖ на режущую способность шлифовальных материалов при обработке уплотненным слоем абразива 79
3.1.8. Методика исследования влияния состава СОЖ на показатели процесса шлифования 81
3.1.9. Методика исследования реологических структурно механических свойств систем, состоящих из СОЖ и продуктов диспергирования металлов 83
4. Экспериментальные исследования 86
4.1. Исследование реологических, структурно-механических свойств систем, состоящих из СОЖ и продуктов диспергирования металлов, физико-химических характеристик СОЖ и их влияния на контактное взаимодействие абразивного зерна и обрабатывае мой поверхности заготовок 86
4.1.1. Исследование влияния состава и свойств СОЖ на режущую способность шлифовального круга 99
4.1.2. Исследование влияния состава и свойств СОЖ на режущую способность шлифовального круга на экспресс-установке 130
4.2. Исследование влияния состава и свойств СОЖ на износ шли фовального круга 141
4.3. Исследование влияния состава и свойств СОЖ на шерохова тость обработанной поверхности 148
5. Разработка технологии выбора рационального состава сож для операций шлифования 153
Заключение 167
Список литературы
- Влияние характеристик абразивного инструмента на показатели процесса шлифования металлов
- Феноменологическая модель износостойкости шлифовального круга при работе со смазочно-охлаждающей жидкостью
- Методика исследования реологических структурно механических свойств систем, состоящих из СОЖ и продуктов диспергирования металлов
- Исследование влияния состава и свойств СОЖ на режущую способность шлифовального круга на экспресс-установке
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Повышение качества выпускаемой продукции в машиностроении связано с совершенствованием процессов абразивной обработки, обеспечивающей требуемые геометрические и микрогеометрические характеристики деталей, качественные физико-механические показатели поверхностного слоя. Сма-зочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) являются важным компонентом процесса шлифования. СОЖ как важный резерв повышения эффективности абразивной обработки на протяжении длительного времени постоянно являлись объектом исследований значительного количества отечественных и зарубежных ученых. В работах академика П.А. Ребиндера показана важная роль СОЖ при поверхностном диспергировании металла, которая сводилась к адсорбционному понижению его прочности и облегчению деформации. Перцов Н. В., Худобин Л. В., Латышев В. И. описали механизм действия СОЖ при механической обработке (шлифование, резание), заключающейся в эффекте адсорбционного облегчения разрушения, формировании на ювенильных поверхностях обрабатываемого металла пленок вторичных структур из молекул ПАВ в составе СОЖ, существенно изменяющих характер фрикционных взаимодействий пары «инструмент – заготовка».
Реализация эффекта адсорбционного понижения прочности обрабатываемого металла при поверхностном диспергировании достигается наличием в СОЖ молекул ПАВ и определенным уровнем интенсивности деформаций материала в зоне контакта «инструмент – заготовка». Важно отметить, что при шлифовании в контакте «инструмент – заготовка» протекает комплекс процессов: диспергирование абразивным зерном микростружек металла, взаимодействие между ними, эвакуация шлама из зоны обработки и его взаимодействие с профилем шлифовального круга.
В рамках существующих представлений механизм процесса шлифования с применением СОЖ представляется как последовательность процессов: внедрения в металл абразивного зерна, отделения микростружек, эвакуации продуктов диспергирования. Физико-химическая сущность этих процессов остается неизвестной, что осложняет процедуру подбора состава СОЖ. Знание физико-химических закономерностей процессов в контакте «инструмент – заготовка» позволит перейти от эмпирического подхода к выбору состава СОЖ к научно обоснованному формализованному процессу выбора физико-химических свойств технологической жидкости.
Многочисленные исследования влияния состава СОЖ на основные показатели процесса шлифования все же позволяют разрабатывать рекомендации, используемые в справочных материалах. Данные рекомендации касаются лишь установления соответствия марки СОЖ с обрабатываемым металлом и видом абразивной обработки. Однако при разработке технологического процесса шлифования заготовки требуется проведение дополнительных исследований для уточнения характеристик абразивного инструмента и режимов обработки с учетом состава рекомендованной СОЖ.
Таким образом, на основании изложенного исследование в указанном направлении актуально и предусматривает решение важной научной проблемы, заключающейся в повышении эффективности шлифования за счет рационального применения СОЖ, состав которой подбирается на основе анализа и
количественного описания физико-химических процессов в контакте «инструмент – заготовка».
Цель работы заключается в повышении режущей способности абразивного инструмента, снижении его износа и шероховатости обработанной поверхности заготовок из различных металлов при шлифовании за счет применения рациональных составов СОЖ с регламентированными свойствами на основе информации о физико-химических процессах в контакте «круг – заготовка».
Объект исследования – процесс шлифования заготовок из различных металлов.
Предмет исследования – физико-химические процессы в контакте «инструмент – заготовка», регулирующие режущую способность и износ шлифовального круга, шероховатость обработанной поверхности.
Задачи исследования:
– исследовать процессы шлифования с СОЖ и установить влияние их физико-химических показателей на процессы стружкообразования, износа инструмента;
– обосновать механизмы режущей способности и износа абразивного инструмента, шероховатости обработанной поверхности, учитывающие физико-химические свойства СОЖ и показатели процессов в контакте «инструмент – заготовка»;
– обосновать и реализовать программно-математический комплекс автоматизированного выбора рационального состава СОЖ;
– разработать методологию определения физико-химических показателей СОЖ и систем «СОЖ + продукты диспергирования», включающую методики: – определения физико-химических свойств СОЖ;
– определения реологических и структурно-механических характеристик системы «СОЖ + продукты диспергирования»; – определения влияния свойств СОЖ на процесс микрорезания единичным абразивным зерном.
Научная новизна
-
Аналитически и экспериментально описаны физико-химические процессы, сопровождающие шлифование с СОЖ, протекающие в контакте «инструмент – заготовка» и их влияние на механизм стружкообразования, износа абразивного зерна и его взаимодействие с обрабатываемым металлом. Установлено влияние физико-химических показателей СОЖ на режущую способность абразивного зерна и его износостойкость, что позволило обоснованно выбирать ее рациональный состав.
-
Для исследований физико-химических процессов, сопровождающих шлифование с СОЖ, разработаны феноменологические модели режущей способности и износа абразивного инструмента, шероховатости обработанной поверхности заготовки.
-
Установлено, что режущая способность шлифовального круга и его стойкость повышаются при применении СОЖ с высоким ионизационным потенциалом, обеспечивающей минимизацию налипания обрабатываемого металла на абразивное зерно и заполнения межзеренного пространства и пор продуктами диспергирования. Снижение засаливания шлифовального круга достигается при применении СОЖ, имеющих в своем составе компоненты, обеспечивающие высокие значения агрегативной устойчивости в зоне шлифования системы, состоящей из СОЖ и продуктов диспергирования, регла-
ментируемой соотношением пластической вязкости и предельного напряжения сдвига.
Увеличение режущей способности шлифовального круга достигается при применении разработанного инструмента, обладающего структурой, трансформирующейся при взаимодействии с обрабатываемой поверхностью из плотной (низкопористой) в высокопористую за счет выпадения из связки адгезионно-инертных частиц наполнителя определенного грансостава вследствие взаимодействия с СОЖ с компонентами, молекулы которых создают расклинивающий эффект в устьях микротрещин в контакте «заполнитель – связка».
4.Разработан программно-математический комплекс автоматизированного выбора рационального состава СОЖ, реализованный в виде нейросетевой структуры.
5. Создана методология определения показателей физико-химических свойств СОЖ и систем «СОЖ + продукты диспергирования» для выбора состава технологической среды.
На защиту выносятся:
-
результаты исследований процессов, протекающих в контакте «инструмент – заготовка» при шлифовании с СОЖ: стружкообразование, износ абразивных зерен, эвакуация продуктов диспергирования, засаливание и износ шлифовального круга;
-
феноменологические модели режущей способности и износа шлифовального круга, шероховатости обработанной поверхности;
-
программно-математический комплекс автоматизированного выбора рационального состава СОЖ, реализованный в виде нейросетевой структуры;
-
методология определения физико-химических свойств СОЖ и показателей процессов в контакте «инструмент – заготовка»;
5) технологические принципы управления взаимодействием системы
«СОЖ + продукты диспергирования» с режущим профилем шлифовального
круга за счет регулирования его структуры.
Методы и средства исследований
Системные исследования процессов шлифования базировались на положениях теории трения и износа, теории резания, физико-химической механики материалов, физической и коллоидной химии, неравновесной термодинамики.
Теоретические исследования выполнены с использованием положений физико-химии дисперсных систем, реологии концентрированных суспензий, теории вероятностей и математической статистики.
Экспериментальные исследования проведены на аттестованных шлифовальных станках в испытательном центре ВНИИАШ, а также на автоматизированном испытательном комплексе (АИК), снабженном системами контроля составляющих сил шлифования, съема металла и износа инструмента, контроля температуры в зоне шлифования, устройством дозированной подачи СОЖ и визуальной оптической фиксации состояния режущего профиля круга. В работе использованы устройства и приборы по определению физико-химических показателей СОЖ, реологических и структурно-механических характеристик системы «СОЖ + продукты диспергирования», оптический и электронный микроскопы, рентгеновская установка «Дрон», микроанализатор рентгеновский, профи-лометр-профилограф, фотоэлектроколориметр, спектрофотометр.
Достоверность результатов экспериментальных исследований была обеспечена современными методами измерений, аттестованной контрольно-измерительной аппаратурой и приборами.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Реализована методология определения физико-химических свойств
СОЖ, структурно-механических и реологических характеристик систем
«СОЖ + продукты диспергирования» на машиностроительных комплексах
промышленных предприятий.
-
Для выбора рациональных составов СОЖ при шлифовании металлов определены их физико-химические показатели для эмульсий, полусинтетических и синтетических СОЖ.
-
Реализован программно-математический комплекс автоматизированного выбора рационального состава СОЖ, реализованный в виде нейросете-вой структуры.
Результаты исследования внедрены:
– в технологическую службу ООО ТПФ «Техпром», г. Волжский;
– в технологическую службу Волжского подшипникового завода Европейской подшипниковой компании, г. Волжский;
– в технологическую службу ООО НПКО «Маштехсервис», г. Волжский;
– в технологическую службу ОАО «Росвертол», г. Ростов на Дону. Внедрение результатов исследований в производство позволило оперативно реализовать выбор рационального состава СОЖ для операций шлифования, обеспечивающих заданные в технологической документации производительность и качество, сократить время и затраты на подготовку производства.
Апробация работы
Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались на Международных научных и научно-практических конференциях:
Международная науч.-техн. конференция «Системные проблемы качества, моделирования и информационных технологий» (Сочи, 1999), IV Всероссийская науч.-практ. конф. «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2001), Международная научно-техническая конференция «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (Шлифабра-зив-2001, Шлифабразив-2002, Шлифабразив-2003, Шлифабразив-2004, Шли-фабразив-2005, Шлифабразив-2006, Шлифабразив-2007, Шлифабразив-2009, Шлифабразив-2010, Шлифабразив-2011, Шлифабразив-2014, (Волжский Волгоградской обл.), Международная науч.-техн. конференция «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования» (Санкт-Петербург, 2005), Международная науч.-техн. конференция «Вибрационные технологии и отделочная обработка» (Ростов-на-Дону, Донской гос. тех. ун-т, 2013, 2014); 8-я МНТК «Наукоемкие технологии на современном этапе развития машиностроения» (Москва, 2016).
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 67 статей, в том числе 15 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 3 монографии, 6 охранных документов (патенты на изобретение РФ).
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 212 наименований и 3 приложений. Материалы диссертации изложены на 276 страницах, содержит 87 рисунков и 19 таблиц.
Влияние характеристик абразивного инструмента на показатели процесса шлифования металлов
Увеличение пластичности обрабатываемого металла при шлифовании вызывает рост коэффициента навалов sнав, т.е. абразивное зерно не диспергирует поверхность заготовки, а пластически деформирует ее. Многообразие форм и размеров микростружек при шлифовании зависит от кинематики, динамики процесса шлифования, характеристик абразивного инструмента: твердости, структуры материала, зернистости и формы абразивного зерна. Вместе с этим серьезное влияние оказывают физико-химические процессы в контакте «круг - заготовка», которые, в конечном итоге, и предопределяют показатели процесса шлифования: производительность, стойкость шлифовального круга, шероховатость обработанной поверхности.
Комплексные исследования основных процессов взаимодействия абразивного зерна с металлом при микрорезании и шлифовании были проведены Богомоловым Н. И. с сотрудниками [24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31]. Для количественного описания процесса микрорезания введено понятие коэффициента стружкообразования Кс, который устанавливает долю разрушения в общей деформации [24, 25]. Спасский М. Р., Ашкеров Ю. В. [157] исследовали процесс стружкообразования при микрорезании абразивным зерном. Авторами установлено, что при движении абразивного зерна в среде пластически-деформируемого металла происходит их прилипание. Условием образования застойной зоны на границе «абразивное зерно - металл» является зависимость:
Течение металла описывается моделью Треска, который является жест-копластичным с пластической постоянной телом. Рост валика металла перед абразивным зерном описывается зависимостью: Н-Ьл12Шг АЬ, (1.2) где Н - глубина проработки металла. При установившемся движении перед абразивным зерном формируется валик, представляющий собой стоячую волну из пластически деформированного металла. Условие, определяющее форму валика, состоит в том, что скорости частиц на поверхности валика должны быть направлены по касательной к поверхности [157].
Авторами [183] предложена модель взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого металла, базирующаяся на следующих представлениях. Абразивное зерно радиуса р погружено в среду (металл) на глубину h является источником ее возмущений. Среда представляет часть пространства, ограниченного плоскостью, носит энергетический характер и является аналогом, обрабатываемого металла. Авторы приходят к мысли, что во время контакта абразивного зерна с обрабатываемым металлом образуется ударная волна, движущаяся вместе с ним. Волна обладает значительной энергией, подводимой абразивным зерном, и материал при прохождении через ее фронт переходит из твердого в пластическое состояние и в дальнейшем вытесняется в боковых частях зерна. Металл мгновенно затвердевает, т. к. не находится в условиях всестороннего сжатия.
Схема образования стружки при шлифовании представлена на рис. 1.2 [183]. Наряду с приведенными данными о механизме стружкообразования в работе [183] показано влияние угла ориентации абразивного зерна в поверхности круга на интенсивность съема металла.
Если скорость нагружения меньше скорости распространения пластической волны, материал проявляет пластические свойства и его поведение описывается с помощью механики пластического деформирования [45, 164]. Процесс абразивной обработки характеризуется сочетанием высокой скорости взаимодействия пары «абразив - металл», и, как следствие, кратковременностью образования микростружки. Исследование и анализ кинематики взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого металла при шлифовании позволяет с известными допущениями рассматривать этот процесс как ударное взаимодействие.
Взаимодействие абразивного зерна и обрабатываемого металла при шлифовании металла: а - продольный профиль риски, оставляемой абразивным зерном; б - поперечный профиль риски, оставляемой абразивным зерном; Fр– площадь поперечной риски; hp - глубина внедрения абразивного зерна; А# - высота бокового навала риски; F1 и F2 - площади навалов; р - средний радиус закругления вершины зерна; V - скорость перемещения абразивного зерен; Ъ„ - ширина в фронтальной проекции При ударном деформировании твердых тел уравнение для энергии имеет вид [94]:
Как следует из рис. 1.3, при ударно-волновом процессе разогрев деформируемого образца происходит более интенсивно, чем при обычной деформации. Основная масса исследований процесса шлифования базируется на представлениях теории резания. Абразивное зерно представляется в виде резца с определенными геометрическими характеристиками.
Геометрическая форма зерен, глубина их внедрения в обрабатываемый материал носит вероятностный характер [105, 40, 36]. При этом абразивное зерно отождествляется с зерном, имеющим передний угол более 90, т.е. с тупым углом. Попытка описания механизма резания с учетом трансформации свойств металла в зоне контакта «резец - заготовка» предпринята в работе [64]. Математическая модель [64] резания представлена в виде последовательного соединения упругопластической релаксирующей среды (среда Иш-линского) и среды с запаздыванием деформаций (среда Фойхта) (рис. 1.4).
Физические свойства обрабатываемого металла отображаются дискретной реологической моделью, состоящей из системы элементов: упругости - Н1, Н2, Н3, вязкости N1, N2 и пластичности St, v [31] c запаздываением деформаций под действием силы резания Р (рис. 1.4). Недостатком этой модели является то, что она не учитывает диффузионные процессы, как следствие высоких температур в контакте «резец - деталь». Вследствие этого работа вязкого механизма не рассматривается, и модель
Феноменологическая модель износостойкости шлифовального круга при работе со смазочно-охлаждающей жидкостью
Исследования бис – (1 хлор-3-арнлоксипропил-2) – сульфидов и бис -(1 хлор-3-арилоксипропил-2) – дисульфидов, синтезированных при взаимодействии алкиловых эфиров алкилфенолов с хлоридами серы показали их большую противозадирную эффективность, чем у соответствующих моносульфидов [207].
При обработке адгезионно-активных сплавов: титановых, молибденовых, хромовых, никелевых, кобальтовых используются масла, содержащие иод [87, 191, 193]. Увеличение смазочного действия СОЖ происходит при введении в неё растительных масел: хлопкового, пальмового, касторового, сурепного, подсолнечного, а также жиров: китового, кашалотового, рыбьего. Естественные жиры из-за дефицитности заменяются синтетическими заменителями: канифолью, талловым маслом, нафтеновыми кислотами, синтетическими жирными кислотами, восковыми продуктами, высокомолекулярными спиртами. В процессе обработки металлов данные присадки повышают смазывающее действие СОЖ за счет образования на обрабатываемых поверхностях адсорбционной и хемосорбционной пленки.
Эффективность СОЖ при шлифовании металлов зависит от способности уменьшать тепловыделение в обрабатываемую поверхность. Это достигается за счет введения в состав технологической жидкости присадок, которые предотвращают слипание частиц и фиксацию их на поверхности инструмента, а также влияющих на ее теплопроводность и объемную теплоемкость. Моющими и диспергирующими присадками являются алкилсульфаты, соли сульфокислот и карбоновых кислот, а также алкилфеноляты, присадки на основе производных сукцимида. Моющая способность присадок повышается при введении в их состав нафтенатов бария, кальция, магния, алюминия, цинка, кобальта. Широкое применение при производстве СОЖ для абразивной обработки металлов нашли моющие присадки алкилфеноляты щелочных и щелочноземельных металлов: БФК, ВНИИНП-370, ВНИИНП-371, ЛзНИИ-ЦИАТИМ-1, ЦИАТИМ-339.
Для шлифования металлов рекомендуется использовать масла с различными жировыми добавками: жирными кислотами, лярдом, спермацетовым жиром [108, 109, 111, 133, 198]. Повышение адгезии масла к металлу происходит при введении в него жирных спиртов, жирных кислот, например, димера линолевой кислоты и присадки диоктилового эфира Na-соли сульфо-янтарной кислоты, улучшающей моющие и антикоррозионные свойства жидкости [149]. Масляные СОЖ с жировыми добавками более эффективны при наличии в их составе химически-активных присадок, к которым относятся хлорированные углеводороды [112], осерненные и сульфохлорированные жиры и масла [113, 132], полисульфиды [114, 206]. СОЖ данного состава применяются при резьбошлифовании черных металлов, шлифовании нержавеющих сталей, никеля, алюминия, магния и их сплавов при условии, что определяющее свойство жидкости: высокая смазывающая способность. Важным свойством СОЖ является способность предотвращать коррозию обрабатываемой детали, что становится возможным при применении в качестве присадки осерненного стирола [115], бариевой соли сульфокислот в количестве 0,3 % [130]. Повышение стойкости режущего инструмента на 300% достигается при введении в масляную СОЖ 2,5% хлорированного стеарина и 1% це-натола или 5% хлорированного парафина и 1% ценатола [116]. В патентной литературе приведены составы СОЖ на основе хлорированного поливинила и пентохлордифенила [117] и нафтената свинца [118]. Отмечается [119, 120, 121], что композиция серных и хлорсодержащих присадок в СОЖ действует на показатели процесса обработки эффективнее за счет синергического эффекта.
Добиться повышения эффективности СОЖ при шлифовании металлов пытались путем введения в их состав высокодисперсных веществ, играющих роль антифрикционных и противоизносных агентов, например, графита, сульфида молибдена. Преимущества данных СОЖ очевидны, т. к. они химически инертны, нетоксичны, термостабильны, экологически чисты.
Серьезный недостаток, сдерживающий применение высокодисперсных частиц – склонность к осаждению и коагуляции. Имеются попытки разработки эмульгаторов, вводимых в масляную фазу, препятствующих коагуляции, твердых частиц [9, 61, 151].
Методика исследования реологических структурно механических свойств систем, состоящих из СОЖ и продуктов диспергирования металлов
Устойчивый съем припуска при шлифовании обеспечивается при условии поддержания в оптимальном состоянии рабочей поверхности инструмента в контакте «инструмент - заготовка». Характеристики рабочей поверхности шлифовального круга: структура, зернистость и геометрия абразивных зерен, физико-механические параметры абразива, мостиков связки.
Согласно разработанным В. И. Островским представлениям [104, 105] о механизме процесса шлифования рельеф шлифовального круга изменяется вследствие затупления зерен и износа самого инструмента. В соответствии с [104, 105] формирование рельефа круга является результатом двух параллельно протекающих процессов: затупления и самозатачивания. Процесс затупления в рамках этих представлений можно представить как изменение микрогеометрии вершин абразивных зерен, как за счет образования на них площадок износа, так и наростообразования за счет сложных физико 57 химических реакций в фрикционном контакте «абразив - металл». Самозатачивание - конкурирующий процесс обновления режущего профиля круга за счет скалывания абразивных зерен и их вырывания из связки. Наличие продуктов диспергирования в зоне шлифования серьезно влияет на характер протекающих процессов. Для описания рельефа шлифовального круга воспользуемся данными В. И. Островского [104, 105] запишем формулы для расчета расстояния между абразивными зернами и относительной опорной длины линии профиля инструмента: 8(т) = 80 exp(А,т + сх2), (2.24) гр(т) = г0 exp(ост2), (2.25) где S0 - расстояние между абразивными зернами после правки круга; Х, с - коэффициенты самозатачивания и затупления соответственно; х - время шлифования; г0 - оптимальная длина опорной линии профиля инструментов после правки; а - коэффициент (а 10-3).
Увеличение г0 за цикл шлифования происходит за счет двух одновременно протекающих процессов затупления работающих зерен вследствие образования на них площадок износа, наростообразования, заполнения шламом межзеренного пространства и появление новых зерен - самозатачивания.
Ранее нами было показано, что баланс мощностей при стационарном процессе абразивного диспергирования можно описать зависимостью [185]: РУР = \Vp PNdd0, (2.26) а где Ру - тангенциальная составляющая силы шлифования; VP - режущая способность шлифовального круга; У VP - стойкость шлифовального круга; N Рм - нормальная составляющая силы шлифования; d0 - область контакта круга и заготовки. Скорость износа абразивного инструмента может быть найдена из (2.26): Р (с1 + с2) VP =-ъ— , (2.27) N г cos (n,Y) ds a 1,2 где С1 и с2 - коэффициенты съема металла и износа круга; (п, Y) - угол между направлением движения заготовки и абразивного инструмента; V 1, 2 – относительная скорость перемещения круга и заготовки. Из (2.27) следует, что износ шлифовального круга VP будет иметь ми N нимум при максимуме интеграла, определяющего форму огибающей кривой режущего профиля ab и минимальном значении тангенциальной составляющей силы шлифования Ру. Отсюда следует, что создание условий, поддерживающих неизменным режущий профиль круга и минимизирующих значение тангенциальной составляющей силы шлифования, обеспечивает высокую износостойкость инструмента при шлифовании. Ефимовым В. В. [5] получена зависимость для расчета тангенциальной составляющей силы шлифования: Pz=xs-nK-cK-Kz-J2p30 cQ2 Ф2(v/), (2.28) где xs - напряжение сдвига металла; пк - число зерен на режущей поверхности круга, ограниченной размерами контактной зоны 1к-Н (/к и Н длина контакта и высота круга); ск - постоянная, зависящая от характеристик круга; Kz - коэффициент, зависящий от ф5; Рз.о. - начальный радиус вершины абразивного круга; ат - максимальная глубина внедрения зерен в материал заготовки; Фz(і/) - функция. В процессе шлифования начальный радиус абразивного зерна рз.о. за счет износа увеличится на величину износа /(2.11), то есть Рзо =Рзо +ct tK. (2.29) С учетом (2.28) и (2.26) зависимость (2.27) будет иметь вид:
Износ шлифовального круга уменьшается (2.26) при увеличении значения интеграла в знаменателе зависимости. При размерной обработке сложно-профильных поверхностей (одновременное шлифование борта и роликовой дорожки подшипника, резьб и т.д.) необходимо в течение цикла шлифования сохранить геометрию профиля круга, предотвратить засаливание.
Как уже было отмечено ранее, снижение адгезионного налипания стружки на вершины абразивных зерен может быть достигнуто при применении СОЖ с низким показателем работы выхода валентного электрона. Для снижения интенсивности засаливания межзеренного пространства СОЖ должна обеспечивать минимальное предельное напряжение сдвига системы «СОЖ + продукты диспергирования» и максимальную пластическую вязкость.
Для реализации вышеуказанных условий абразивной обработки СОЖ должна обеспечивать заданную правкой геометрию профиля шлифовального круга. Действующие в рабочей поверхности круга напряжения не должны превышать предельное напряжение для заданной характеристики шлифовального круга.
Исследование влияния состава и свойств СОЖ на режущую способность шлифовального круга на экспресс-установке
Как следует из рис. 4.1, максимальную эмиссию электронов, а, следовательно, и минимальный ионизационный потенциал имеет дистиллированная вода. По-видимому, это связано с наличием слабой водородной связи между молекулами воды содержания в составе атома кислорода, имеющего на внешней электронной орбите значительное число валентных электронов. Вводимые в Н2О присадки содержат в своем составе крупные молекулы, ионы, которые усиливают водородные связи [33], что усиливает «результирующее» поле, увеличивая ионизационный потенциал.
В условиях диспергирования металла абразивными зернами, перемещающимися со значительной скоростью, выделяется большое количество электронов, воздействующих на СОЖ. Происходит ионизация не только атомов кислорода, но и других атомов (молекул), входящих в состав присадок в водных СОЖ. Результатом этих процессов будет рост количества атомов (молекул) СОЖ, что приведет к увеличению их количества при взаимодействии с ювенильными поверхностями обрабатываемого металла. Различие в действии разных составов СОЖ следует искать в физико-химических свойствах продуктов взаимодействия с поверхностью обрабатываемого металла, что оказывает влияние на коэффициент трения абразивного зерна по металлу.
Анализ данных табл. 2.1 показывает, что поверхностное натяжение, работа адгезии и когезии водных СОЖ выше. Коэффициент растекания СОЖ для разных металлов и сплавов колеблется в широких пределах, прослеживается закономерность повышения коэффициента растекания при переходе от растворов электролитов к углеводородным СОЖ. Являясь мерой молекулярного взаимодействия на границе раздела двух фаз коэффициент растекания увеличивается в случае близости молекулярной природы жидкости и твердого тела. Взаимодействие гидрофобной поверхности обрабатываемых металлов с исследуемыми составами СОЖ связано с адсорбцией на границе раздела молекул ПАВ, образующих монослой.
Устойчивость жидких пленок на обрабатываемых поверхностях определяется природой соприкасающихся фаз. По Б. В. Дерягину и Н. В. Чураеву толщина смачивающих пленок жидкости тем больше, чем сильнее отличаются статические диэлектрические проницаемости соприкасающихся фаз. В связи с этим пленки углеводородных СОЖ обладают максимальной устойчивостью на поверхности обрабатываемого металла. Входящие в СОЖ ПАВ адсорбируются на поверхности металла, «упрочняя» смачивающую пленку. Следует ожидать, что использование СОЖ ИХП 45Э, Аквол 6, ВФ 5 позволит уменьшить фрикционные силы в контакте «зерно – металл». Масляная фаза водных эмульсий уменьшает диэлектрическую проницаемость СОЖ, способствует повышению смачивания и упрочнения тонкой пленки на обрабатываемом металле.
На величину коэффициента растекания СОЖ влияет состав подложки – обрабатываемого металла. Так, наличие в поверхности образца из СЧ21 включений гидрофобного углерода приводит к избирательности смачивания. Многокомпонентность обрабатываемого материала способствует уменьшению коэффициента растекания. При обработке сложнолегированных сталей и сплавов целесообразно введение компонентов приближающих значения диэлектрических проницаемостей соприкасающихся фаз.
Анализируя влияние состава СОЖ на ее смачивающую способность, что, в конечном счете, предопределяет структуру и механические свойства образующейся в контакте «зерно – металл» пленки, можно отметить следующее. Поверхностные свойства жидкостей предопределяют их поступление в зону контакта «инструмент-деталь». Формирование адсорбционных пленок на поверхности металла связано с молекулярным взаимодействием, протекающим на границе раздела двух фаз.
Адсорбционная активность СОЖ Укринол 14 реализуется за счет введения в ее состав присадки ХХ – дибутилового эфира трихлорметилфосфо-новой кислоты (CCl3 POOC4H9)2 ), наличие в присадке хлора и фосфора обеспечивает во фрикционном контакте формирование пленок, снижающих трение и адгезионное взаимодействие. Реологические характеристики систем, состоящих из испытанных СОЖ, продуктов диспергирования металла и износа инструмента представлены на рис 4.2 в координатах є - т. Как следует из анализа графиков, все системы независимо от состава дисперсионной среды имеют предел текучести, величина которого зависит от состава СОЖ. Минимальные значения имеют системы, где дисперсной средой являются СОЖ, в составе которых компоненты, обеспечивающие стабилизацию дисперсной фазы, в частности, тетранатриевая соль N - сульфосукциноиласпаргиновой кислоты (СОЖ ВФ5), магниевые соли тиофосфиновой кислоты (ИХП45Э).