Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 9
1.1. Виды износа быстрорежущего инструмента 9
1.2. Использование СОТС в процессах лезвийной обработки 11
1.3. Механизм радикально-цепных реакций 12
1.4. Ювенильные поверхности 18
1.5. Компоненты СОТС и эколоические аспекты в их использовании. Экологически чистые и безопасные СОТС. Сухое резание, как дополнение к современным процессам обработки 19
1.6. Ионизация электрическим разрядом. Коронный разряд 24
1.7. Современные понятия о механизме воздействия коронного разряда 29
Глава 2. Материалы и методика проведения экспе риментальных исследований 37
2.1. Материалы и общая методика исследований 37
2.2. Методы металлографического и металлофизического анализов ... 41
2.3. Микродифракционные исследования вторичных структур 42
2.4. Исследование остаточных напряжений 43
2.5. Установка для ионизации газовой среды 44
Глава 3. Изучние стойкостных показателей и характристик процессов резания при использовании в качестве сотс активированного воздушного потока 46
3.1. Определение оптимальных рабочих параметров ионизатора 47
3.2. Изучение стойкостных характеристик режущего инструмента 52
3.3 Исследование шероховатости поверхности обработанного материала 58
3.4. Исследования усадки стружки 60
3.5. Исследование остаточных напряжений в поверхностных слоях после операции точения 62
3.6. Электронографические исследования вторичных структурных образований в контактной зоне 66
Глава 4. Изучение влияния ювенильных поверхностей на изменение трибологическои обстановки контактной зоны в условиях модельного микро резания 71
4.1. Установкаи выбор условий резания 71
4.2 Термодинамический анализ и экспериментальные исследования вторичных структур на ювенильных поверхностях 84
4.3. Влияние активированного воздушного потока на изменение геометрии риски при микрорезании 94
4.4. Влияние вторичных структур на силу резания 96
4.5. Исследование остаточных напряжений в поверхностном слое 101
4.6 Механизмы образования окисных и нитридных соединений 103
Основные выводы по диссертации 108
Список использованной литературы 110
Приложениея 125
- Использование СОТС в процессах лезвийной обработки
- Методы металлографического и металлофизического анализов
- Изучение стойкостных характеристик режущего инструмента
- Термодинамический анализ и экспериментальные исследования вторичных структур на ювенильных поверхностях
Введение к работе
Актуальность работы.
Эффективность СОТС, определяется физико-химическими процессами в контактной зоне. При резании резко инициируется физическая активность ювенильных поверхностей инструмента и стружки, а также реакционных частиц - атомов и радикалов, образующихся при разрушении нейтральных молекул смазочного вещества. Следствием этого является изменение условий контактирования рабочих поверхностей режущего клина инструмента с обрабатываемым материалом и образование на границе раздела смазочных пленок и структур, пассивирующих адгезионные взаимодействия между химически чистыми металлическими поверхностями. Для научно-обоснованного выбора эффективных смазочных сред необходимо детальное изучение физико-химических процессов, протекающих в контактных зонах системы лезвийного резания.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями фундаментальных исследований, утвержденных Президиумом РАН РФ от 1 июля 2003г. № 233 «Об утверждении основных направлений фундаментальных исследований», раздел 2.2, пункт 2.2.4 «Трибология», и в рамках выполнения Гранта Минобрнауки № 2. 1. 2/2194 и Гранта РФФИ № 05-08-18065а.
Цель работы.
повышение стойкости быстрорежущего и твердосплавного инструментов путем изменения трибологических параметров вновь образованных ювенильных поверхностей контактных зон направленным воздействием активированных газовых сред.
Задачи работы:
разработка и изготовление лабораторной установки для изучения механизмов взаимодействия ионизированных газовых сред и свежеобразованных ювенильных металлических поверхностей;
исследование влияния знака и напряжения коронного разряда на формирование вторичных структур и стойкость инструмента;
исследование влияния формируемых смазочных пленок на динамические характеристики резания;
изучение изменения фазового состава обрабатываемого материала при взаимодействии ювенильных поверхностей с компонентами применяемых газовых сред;
исследование физико-механических характеристик обработанных поверхностей в системах резания с применением ионизированных сред;
- изучение характеристик резания при использовании в качестве
СОТС ионизированного воздуха.
Методы исследования.
Работа выполнена на основе фундаментальных положений теории резания металлов, теоретических положений физики и химии с применением
методов математической обработки экспериментальных данных при помощи программ Microsoft Excel, Origin. Изучение механизмов влияния СОТС на контактное взаимодействие и трибологические параметры зоны резания выполняли на основе современных методов металлографического и металлофи-зического анализов, электронной микроскопии, неразрушающего контроля остаточных напряжений в металле.
Научная новизна работы состоит в том, что установлены.
Взаимосвязь образования оксидных и нитридных соединений в контактной зоне и свойств обрабатываемого материала, обусловленная минимизацией значений энергии Гиббса.
Механизмы воздействия вторичных структур на процесс резания и стойкость инструмента, заключающиеся в реализации смазочного действия при образовании оксидных пленок и повышении хрупкости обрабатываемого материала при образовании нитридных соединений.
Взаимосвязи образованных на границах раздела оксидных и нитридных структур и знака на коронирующем электроде, позволяющих прогнозировать превалирующее формирование оксидных или нитридных соединений.
Практическая ценность работы.
На основе выполненных исследований разработаны:
лабораторная установка для изучения механизмов взаимодействия СОТС и свежевскрытых металлических поверхностей;
технология и рекомендации по использованию в качестве СОТС ионизированного воздушного потока.
Научные и практические результаты работы реализуются в госбюджетных научно-исследовательских работах, выполняемых на базе трибологи-ческого центра ИвГУ.
Основные положения диссертации докладывались на научных конференциях «Научно-исследовательская деятельность в классическом университете» (Иваново, 2007 и 2008), научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодая наука в классическом университете» (Иваново, 2007, 2008, 2009), международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электортехнологии» (Иваново, 2009), межвузовских семинарах «Физика, химия и механика трибосистем» (Иваново, 2006, 2007, 2008), на II международном семинаре «Техника и технологии трибологических исследований» (Иваново 2009)
Публикации.
Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 4 статьях и 4 тезисах докладов, в том числе 1 в журнале из перечня изданий рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы (164 источника) и приложения, содержит 134 страницы печатного текста, 18 таблиц, 73 рисунка и фотографий.
Использование СОТС в процессах лезвийной обработки
Значительное влияние на процесс схватывания оказывает применение смазывающих жидкостей. При резании в среде воды, масел, четыреххлори-стого углерода, различных спиртов и т. д. в зависимости от свойств инструментального и обрабатываемого материалов адгезия может уменьшаться или увеличиваться [69].
Подобное влияние на процесс адгезии и трения оказывают и другие смазывающие жидкости. Однако в области высоких давлений вблизи режущей кромки на площади, несколько большей сечения срезаемого слоя, смазка не в состоянии полностью устранить адгезию, мельчайшие поры на поверхности контакта вполне достаточны для проникновения жидкости. Чем менее вязка жидкость, тем быстрее она проникает в контакт. Например, четырех-хлористый углерод и вода быстрее проникают в контакт, чем масло [69].
Одним из основных видов борьбы со всеми видами износа инструмента является применение СОТС. Использование СОТС обеспечивает отвод теплоты от режущего инструмента и заготовки, уменьшает энергетические затраты на упруго-пластические деформации, уменьшает трение между передней поверхностью резца и стружкой, между задней поверхностью резца и заготовкой, а также облегчает процесс стружкообразования.
Существующие в настоящее время гипотезы о механизме действия внешней среды при обработке металлов можно условно классифицировать на три основные группы.
В соответствии с первой гипотезой, внешняя среда (водные растворы поверхностно-активных веществ - ПАВ) производит пластифицирующее действие срезаемого слоя металлы вследствие адсорбции полярных молекул СОЖ в субмикротрешинах ([43, 108, 109]
Г.И. Епифанов развил следующую теорию действия СОЖ применительно к резанию металлов. В соответствии с этой теорией, получившей название "теории каталитического распада СОЖ", молекулы смазки под действием силового поля ювенильных поверхностей стружки разрушаются с образованием атомов, диффундирующих в срезаемый слой металла. В результате этого процесса металл в зоне деформации быстрее достигает предельного состояния ("охрупчивается") и разрушается при меньшей затрате энергии. Внедрение продуктов распада молекул СОЖ в деформируемый металл активируется высокими температурами и давлениями, возникающими при резании, наличием ювенильных поверхностей, в результате искажений кристаллической структуры срезаемого слоя. Согласно изложенной теории внешняя среда не оказывает влияния на трение, а лишь уменьшает работу резания [42].
Сущность третьей гипотезы, развиваемой преимущественно специалистами по резанию металлов, заключается в следующем:
Эффективное действие внешней среды при резании металлов связано с изменением условий граничного трения на контактных поверхностях резца и стружки, что обусловлено образованием смазочных (физических или химических) пленок и их защитным действием [71, 78, 95, 94, 117].Внешняя среда вследствие образования защитных пленок экранирует силы молекулярного притяжения между ювенильными поверхностями резца и стружки, уменьшает адгезию и средний коэффициент трения.
Процесс резания накладывает специфические особенности на механизм действия внешней среды, что определяется, прежде всего, высокими удельными давлениями и температурами на рабочих поверхностях режущего инструмента, наличием ювенильных неокисленных металлических поверхностей, протеканием химических реакций и электрохимических процессов на границе раздела инструмент-обрабатываемый материал, высокой скоростью деформации срезаемого металла и незначительным временем контактирования стружки и обработанной поверхности с резцом.
Основной причиной, определяющей специфический механизм действия среды при резании металлов, является наличие в контактной зоне резца с обрабатываемым материалом физически чистых неокисленных поверхностей, предельно активных в химическом отношении, высоких температур и давлений, а также необычных каталитических свойств ювеиилъных поверхностей, образующихся при разрыве металлических связей [71, 76].
Такая поверхность соприкасается при резании или с естественной окружающей средой (воздухом с различными физико-химическими свойствами), или с искусственно вводимыми внешними средами. При этом, взаимодействие юве-нильной поверхности с компонентами внешней среды может характеризоваться различными сорбционными процессами, прежде всего, физической и химической {f адсорбцией, а так же абсорбцией. Характеристики контактной зоны таковы, что молекулы внешней среды, претерпевая деструкцию, распадаются на атомы, ионы и радикалы, которые так же являются химически активными частицами и способны вступать в химическое взаимодействие со свежевскрытыми металлическими поверхностями [74].
Учитывая указанные выше особенности контактной зоны, вполне вероятно считать, что на границе контакта инструмент-обрабатываемый материал преобладающим будет образование новых химических соединений в результате протекания химических реакций между ювенильными металлическими поверхностями и компонентами внешней среды, т.е. процессы ионо- и хемосорбции. При этом, физико-химическая активность этих поверхностей такова, что с их участием возможно инициирование протекания химических реакций с компонентами внешней среды, термодинамическая возможность которых маловероятна при обычных условиях. Так, изучение физико-химических превращений в зоне контакта при резании металлов с примене ниєм органических СОТС, проведенное М.Ю. Мерчантом, показало, что количество продукта реакции в условиях зоны резания более чем в 2,5 раза превосходит аналогичный показатель, полученный при тех же условиях, но вне контактной зоны (рис. 1.1).
Методы металлографического и металлофизического анализов
Для исследования структурного состояния обрабатываемых материалов применялись методы металлографического и металлофизического анализов.
Изготовление шлифов, предназначенных для металлографических исследований, осуществлялось на станке модели СШПМ. Доводка шлифов производилась на пластинах алмазного проката, в состав которого входят синтетические алмазы марки АСМ и металлическая связка Ml П. Использовались пластины зернистостью 80/63, 60/40, 28/20, 7/5, 3/2. Полировка образцов осуществлялась на алмазной пасте АСМ зернистостью 2/1, 1/00, нанесенной на плотную бумагу.
Изучение структуры зон вторичной деформации обрабатываемых материалов производилось с помощью химического травления в реактиве: для титана - дистиллированная вода - 90%, плавиковая кислота - 10%; для стали 45 - азотная кислота - 4%, спирт этиловый - 96% [11].
Для предотвращения искажений исследуемых структур во время травления протравленные шлифы промывались свободным погружением в этиловый спирт с последующей просушкой на воздухе.
Для оценки влияния СОТС на деформационные процессы при резании использовался метод металлографического анализа. Металлографические исследования проводились на микроскопе МИМ-8. Фотографирование велось на цифровой фотоаппарат. Металлографические снимки в увеличенном масштабе дают изображения внутренних сдвигов и разрушений в пластически деформированном металле, раскрывают механизм образования новых поверхностей, наростов и трещин.
Для выявления и изучения, образованных на границе раздела смазочных пленок и структур, которые приводят к пассивации или усилению адгезионных взаимодействий между химически чистыми металлическими поверхностями проводилось с использованием электронной микроскопии методом тонких фольг. При получении электронограмм и определении межплоскостных расстояний работа производилась на электронном микроскопе ЭВМ-100Л с установленной гониометрической приставкой в режиме микродифракции при ускоряющем напряжении 75 кВ. Держателем образца служила гониометрическая приставка, позволяющая разворачивать объект в плоскости, перпендикулярной падающему пучку электронов и наклонять его относительно пучка на угол до 15 .
Для расчета картин электронной дифракции постоянная микроскопа С, связывающая расстояния на электронограмме с расстояниями в кристалле, определялась по электронограмме объекта с известными межплоскостными расстояниями dT (тест-объект). В качестве эталона использовался А1203 и TI-CI с четкими кольцевыми электронограммами; соответствующие картины дифракции и графики зависимости межплоскостного расстояния от радиуса кольца дифракции представлены на рис. 2.2 и 2.3.
Особенность остаточных напряжений состоит в том, что они действуют практически только в поверхностных слоях глубиной несколько десятков микрометров. Однако как показывает опыт эксплуатации, остаточные напряжения в поверхностных слоях могут повлиять на прочность всей детали, особенно при действии переменных напряжений.
Остаточные напряжения в поверхностном слое образцов после процесса резания измерялись методом неразрушающего контроля с помощью прибора «СИТОН-ТЕСТ», на рис. 2.3 представлен внешний вид прибора.
Принцип работы прибора основан на явлении скин-эффекта и заключается в послойном исследовании образца металла путём засылки в него электромагнитного поля различной амплитуды и частоты и измерения сигнала-отклика, параметры которого связаны с изменением напряжённого состояния образца. Глубина исследования обратно пропорциональна корню квадратному из частоты. Засылка электромагнитного поля и приём сигнала-отклика осуществляются, соответственно, внешними и внутренними парами электродов датчика универсального (ДУ 26\13). После предварительного усиления сигнал поступает в переносной модуль, который автоматически управляет частотой и амплитудой возбуждающего поля и осуществляет первичную обработку принятого сигнала с записью результата в ячейку ОЗУ. Считывание, обработка, расчет данных, а также построение эпюры распределения остаточных напряжений в измеряемом образце происходит с помощью компьютерной программы, обеспечивающей работу аппаратуры «СИТОН-ТЕСТ». Расчетная погрешность определения механических напряжений 20...40 МПа
Ионизация газовой среды осуществлялась специально сконструированной установкой посредством электрических разрядов. Для получения ионизированного воздуха применялся прибор - ионизатор-озонатор (рис. 2.4), принцип работы которого заключался в зажигании коронного разряда [116].
Ионизатор состоит из (рис. 2.5) блока питания, рассчитанного на сетевое напряжение 220 В, и сопла, внутри которого расположен рабочий электрод. Универсальность прибора в том, что он способен генерировать коронный разряд как отрицательной, так и положительной полярности. Кроме того, ионизация газового потока осуществляется без дополнительного привлечения нагнетательных систем.
Изучение стойкостных характеристик режущего инструмента
Исследование стойкостных характеристики быстрорежущего инструмента. Предварительно были проведены эксперименты по стойкости быстрорежущего инструмента Р6М5 при точении стали 45 при режимах резания:, S = 0.1 мм/об, t = 0.5 мм и с различными скоростями V = 0.18; 0.27; и 0.36 м/с. Результаты испытаний приведены на рис. 3.2. из них видно, что при использовании отрицательно ионизированного воздуха при резании стали 45 стойкость инструмента увеличилась примерно на 40%, использовании положительно ионизированного воздуха не привело к увеличению стойкости инструмента. Дальнейшие исследования с целью интенсификации износа проводились с режимами резания V = 0.5 м/с, S = 0.2 мм/об, t = 0.5мм. Это значительно сократит время проведения экспериментов, а также результаты экспериментов можно распространять и на другие режимы резания (пример рис.3.3).
В табл. 3.7 приведены данные по стойкостным испытаниям быстрорежущего инструмента при резании ВТ1-0 и Ст 45. На гистограммах (рис. 3.3) представлено влияние различных активированных воздушных сред на стойкость инструмента из быстрорежущей стали. Стойкость резцов при резании стали 45 с использованием в качестве СОТС обдув отрицательно ионизированного воздуха (рис. 3.3 а) увеличивалась в 1,5 раза по сравнению с резанием всухую, и сравнимо со стойкостью при использовании Велс-1. Применение в качестве СОТС положительных ионов не привело к увеличению стойкости инструмента.
В данном случае возрастание стойкости резцов при использовании отрицательно ионизированного объясняется улучшением трибологической обстановки контактной зоны за счёт интенсивного формирования оксидных пленок. Меньшая стойкость инструментов при использовании положительно ионизированной внешней среды, по нашему мнению, обусловлена образованием нитридов обрабатываемого материала, в результате чего интенсифицировался абразивный износ резцов.
При точении титанового сплава ВТ 1-0 (рис. 3.3 б) влияние активированных сред несколько изменяется. Обдув отрицательно ионизированным потоком ускоряют процесс износа инструмента. При обдуве зоны резания положительно ионизированным воздухом стойкость инструмента увеличилась на 25 % по сравнению с резанием всухую.
В этом случае, по-видимому, более устойчивый к окислению титановый сплав не образует экранирующих адгезию пленок в необходимом объеме. Поверхность режущего инструмента, напротив, подвергается активному воздействию окислительной среды, в результате чего износ резцов носит окислительный характер. Так как ионизированный воздух содержит значительное количество азота, то величина приращения стойкости при положительной активации невелика в силу повышенного износа инструмента за счет нитридных фаз.
Исследование стойкостных характеристики твердосплавного инструмента Экспериментами по определению износостойкости твердосплавного инструмента Т5К10 при точении исследуемых материалов (табл. 3.8), определенно, что ионизированный воздушный поток также оказывает положительное влиянии. Нарис. 3.4 приведены гистограммы стойкости инструмента при использовании различных СОТС.
Резание стали 45 (рис. 3.4 а) с использованием отрицательно ионизированного воздушного потока привело к значительному увеличению стойкости инструмента по сравнению с резанием всухую, время стойкости инструмента увеличилось в два раза и примерно совпадает со временем стойкости инструмента при использовании Велс-1. Использование положительно ионизированного воздуха не привело к значительному повышению стойкости инструмента.
Большее увеличение стойкости твердосплавного инструмента (в два раза по сравнению с резанием всухую) по сравнению с увеличением стойкости быстрорежущего инструмента (на 50% по сравнению с резанием всухую) можно объяснить, увеличением напряжения на коронирующем электроде при отрицательной ионизации, которое не приводит к окислительному износу инструмента, как в случае с быстрорежущим резцом.
Использование положительно ионизированного воздушного потока при точении титанового сплава ВТ1-0 (рис. 3.4 б) также как и в случае с использованием в качестве режущего инструмента Р6М5 привело к увеличению стойкости инструмента, когда как отрицательно ионизированный поток не привел к значительным увеличениям.
Термодинамический анализ и экспериментальные исследования вторичных структур на ювенильных поверхностях
Термодинамический анализ вторичных структур на ювенильных поверхностях Характерным признаком химического превращения является изменение запаса энергии в реагирующих веществах. Термохимия изучает тепловые эффекты, которые сопровождают химические реакции. В химической термодинамике для количества теплоты принимают противоположное правило знаков по сравнению с принятым в технической термодинамике. Теплота, подведённая к системе, рассматривается как отрицательная, а отведённая, как положительная. Если тепловые эффекты обозначить Qv и Qp соответственно условиям T,V= const и T,P=const, то можно записать:
Химические реакции, которые сопровождаются выделением теплоты, называются экзотермическими, а реакции, сопровождающиеся поглощением теплоты, называются эндотермическими. Теплотой образования называется тепловой эффект реакции образования химического соединения из составляющих его простых веществ, устойчивых при данных условиях. Значения тепловых эффектов, как правило, даются при температурах Т=25С(298К) и давлении 1 атм. Теплоты образования отнесённые к этим условиям, называют стандартными теплотами образования из простых веществ. Теплоты (энтальпии) образования простых веществ принимаются равными нулю. На основании закона Гесса тепловой эффект реакции равен разности теплот образования продуктов реакции и теплот образования исходных веществ. Пользуясь законом Гесса можно вычислить не только тепловые эффекты (энтальпии) реакций, но и изменения других термодинамических характеристик в ходе реакции (изменение AS энтропии, AG изобарно-изотермического потенциала). константа равновесия реакции.
Способность различных химических веществ реагировать друг с другом называется химическим сродством. Гиббс предложил оценивать химическое сродство значением максимальной работы, которую силы, заставляющие вещества взаимодействовать, способны произвести. В процессах T,V = const и Т,Р = const максимальное количество немеханической работы равно уменьшению свободной энергии (-AF) и (-AG). Следовательно, в сложной системе могут протекать только такие химические реакции, которые ведут к уменьшению свободной энергии или AG системы, а значение этого уменьшения, при переходе этой системы из неравновесного состояния в равновесное, является мерой химического сродства реагирующих веществ.
Если AG или AF отрицательные величины, то реакция возможна, и она протекает с совершением работы, если AG или AF положительные величины, самопроизвольная реакция невозможна и для её проведения необходимо затратить работу. При AG = 0 или AF = 0 реакционная система находится в равновесии.
По стандартным энтальпиям и энтропиям образования веществ можно вычислить тепловые эффекты большого числа реакций. AG- изменение изобарно-изотермического потенциала реакции АНреакц = 2 АНобр.лрод-2 ДНобр.исх.в-ва АН298 - изменение энтальпии в реакции ASpeaKU. = 2_Аообр.прод. - ГДьобр.исх.в-ва. ASp - изменение энтропии в реакции.
При химическом равновесии, когда AG = 0, скорость прямой и обратной реакций равны. При равновесии процессы не прекращаются, а одновременно идёт прямой и обратный процесс, но внешне из-за постоянства концентраций кажется, что в системе все процессы остановились. Расчет температуры при AG = 0.
Похожие диссертации на Повышение стойкости режущих инструментов изменением трибологических параметров ювенильных поверхностей направленным воздействием активированных газовых сред
