Введение к работе
Актуальность темы. Развитие и совершенствование современного технологического оборудования предполагают применение конструкционных материалов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами – большой удельной прочностью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью и другими специальными заданными свойствами. В механообрабатывающем производстве, в том числе в энергетическом машиностроении, используется широкая номенклатура традиционных конструкционных материалов – углеродистых, легированных сталей, жаропрочных, коррозионно-стойких сталей, а также новых – титановых сплавов и композиционных углепластиков. Последние характеризуются низкой обрабатываемостью резанием, связанной с особенностями их физико-химических свойств. Эти свойства вызывают интенсивное изнашивание инструмента, что приводит к снижению производительности обработки и затрудняет достижение требуемых точности и качества. Решить данные проблемы на операциях механической обработки можно за счет смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС), содержащих активные препараты (АП).
Исследованиям в области резания конструкционных материалов с СОТС посвящены работы школ известных ученых: В.Н. Латышева, Л.В. Худобина, В.М. Шумячера и ряда других.
Перспективными АП, находящими применение в СОТС, в настоящее время являются наномодификаторы карбоновой группы – фуллероидные наномодификаторы (ФН), которые обеспечивают многофункциональное воздействие на пары «инструмент – заготовка», «инструмент – стружка», что приводит в итоге к значительному уменьшению адгезионного и усталостного изнашивания инструмента и к обеспечению требуемых параметров качества поверхностного слоя и точности формируемых заготовок. Вследствие этого актуальной является разработка перспективных СОТС, содержащих АП, дающих возможность сохранить, а в отдельных случаях повысить работоспособность режущего инструмента и производительность обработки.
Цель работы. Повышение работоспособности режущего лезвийного инструмента – спиральных сверл за счет применения жидких СОТС, содержащих активные препараты – фуллероидные наномодификаторы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
на базе накопленного опыта расчетно-экспериментальных исследований разработана модель процесса трения и износа пары «инструмент – заготовка» при резании с учетом влияния СОТС с АП;
на базе выполненных экспериментальных работ по применению АП ФН в паре трения «инструмент – заготовка» разработана физическая модель их работы в СОТС;
на основе полученных экспериментальных данных выполнена классификация современных АП к СОТС по основным классификационным признакам, позволяющих обоснованно рекомендовать ту или марку СОТС для конкретного производства;
разработан алгоритм введения и адаптации АП ФН к СОТС с целью обеспечения повышенной работоспособности режущего инструмента по разработанным критериям;
предложены эффективные методики и средства испытаний, а также разработана система комплексного контроля эксплуатационных параметров качества режущей кромки инструмента и обработанных поверхностей при условии применения СОТС с АП ФН.
Методы и средства исследования. В работе использованы основные положения теории резания, динамики трибосопряжений технологических систем для граничного трения, трения и изнашивания конструкционных и инструментальных материалов, принципы прикладной механики, методы системного анализа, оптимизации динамических параметров пары трения «инструментальный – обрабатываемый материал», развитые в задачах мониторинга и диагностики.
Оценка основных характеристик СОТС с АП проводилась на спроектированном измерительно-вычислительном комплексе (ИВК) «Задир» на базе сверлильного станка 2А113, а также на стандартных стендах ЧМТ-1, СМЦ-2. Натурные испытания – на измерительных комплексах на базе сверлильного станка 2Н125 и фрезерного станка 6В75. Оценка параметров качества – на ИВК «Профиль», «Latimet Automatic», «Твердость», «Тhixomet Standard» для металлографической оценки поверхностей трения. Исследования микроструктуры ФН проводились на просвечивающем электронном микроскопе модели «JEM – 100C» и растровом электронном микроскопе «JSM-35CF», наличие примесей в СОТС определялось с помощью микровизора мVizo-101, а окисляемость – спектрофотометром Юнико 2100/2100UV, реологические свойства СОТС – ИВК «Пирсп-03Л».
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработанная методика, позволяющая обоснованно рекомендовать те или иные АП в СОТС, позволила обеспечить высокую работоспособность режущего инструмента (спиральных сверл), а также добиться заданных параметров качества и точности обработанных заготовок.
Предложенные методы комплексной оценки основных эксплуатационных параметров качества пары трения «инструмент – заготовка» и методы проектирования СОТС с АП ФН нашли применение в машиностроении на операциях механической лезвийной обработки, при разработке новых СОТС на водной и масляной основах, содержащих ФН (ОАО «Силовые машины» ЛМЗ, ЗАО Завод «Композит»).
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс и использованы при подготовке профилирующих дисциплин на технологическом факультете ГОУ ВПО ПИМаш.
Отдельные результаты, полученные в рамках проектов и представленные в диссертационной работе:
-
Проект «Исследование влияния наноструктуризации технологических сред применительно к триботехническим задачам энергомашиностроения» в рамках целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 – 2010 годы)» рег. № 2.1.2/6730.
2. Госзаказ от 05.10.2005 г. №02.467.11.2007, тема с ФГУП «ПРОМЕТЕЙ». «Создание новых высокоэкономичных композиционных материалов для экстремальных условий эксплуатации, разработка технологии их изготовления и адаптации к применению в производстве и их коммерциализация».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы:
- обсуждались на ряде научно–технических конференций, симпозиумов, совещаний и семинаров: Международной научно-практической конференции «Автоматизация технологических процессов в машиностроении. Режущий инструмент и оснастка» (г. С.-Петербург, 2003); Международной научно-практической конференции «Технологии третьего тысячелетия» (г. С.-Петербург, 2003); 6-й Международной практической конференции–выставке «Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций»; Международном симпозиуме по транспортной триботехнике «Триботехника на транспорте»; «Транстрибо – 2001, 2002, 2005» (г. С.-Петербург, СПбГТУ, 2001, 2002, 2005); Международной научно-практической конференции «Качество поверхностного слоя деталей машин» (г. С.-Петербург, 2003); Международной научно-практической конференции, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга «Безопасность водного транспорта» (г. С.-Петербург, 2003); на научно-технических семинарах ПИМаш (2005-2009); Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009);
- докладывались на расширенном заседании кафедры «Станки и металлообрабатывающие комплексы» (РГАТА, Рыбинск, 2009) и «Проектирование технических и технологических комплексов» (СГТУ, Саратов, 2009, 2010).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 173 наименований и содержит 231 страницу текста, включая 16 таблиц, 46 рисунков и семь приложений, которые подтверждают работоспособность разработанных алгоритмов и внедрение результатов диссертационной работы на отраслевом уровне.
