Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор и постановка задачи исследования 7
1.1. Износ инструмента 7
1.2. Влияние СОТС на процесс лезвийной обработки 9
1.3. Функциональные составляющие СОТС и их влияние на окружающую среду и здоровье человека 11
1.4. Экологически чистые и безопасные СОТС 13
1.4.1. Микрокапсулированные СОТС 13
1.4.2. Сухое резание 14
1.5. Сухое электростатическое охлаждение зоны резания 15
1.6. Распыление СОЖ как частный случай ионизации СОТС 18
1.7. Ионизация электрическим разрядом 22
1.8. Коронный разряд 23
1.8.1. Униполярный коронный разряд 25
1.9. Влияние озона на физико-химические процессы, протекающие при резании металлов 28
1.10. Устройства для практического применения метода СЭО 30
1.11. Течение газа через сопло 35
1.12. Выводы по литературному обзору и постановка задачи исследования 37
ГЛАВА 2. Материалы и методики проведения экспериментальных исследований 41
2.1. Материалы и общая методика исследований 41
2.2. Активация воздушной среды 41
2.3. Методы определения качества обработанной поверхности и стойкости режущего инструмента 42
2.4. Исследование влияния активированных воздушных сред на процессы фрикционного взаимодействия 43
ГЛАВА 3. Исследование охлаждающей и смазочной способностей ионизированных и озонированных сред 46
3.1. Исследование охлаждающей способности ионизированных воздушных сред 46
3.2. Изучение смазочной способности активированных воздушных сред 53
ГЛАВА 4. Получение ММК и разработка сопла для их подачи в зону контакта 60
4.1. Получение микрокапсулированных СОТС 60
4.2. Разработка системы подачи микродоз СОТС в зону контакта 66
4.2.1. Экспериментальное определение геометрических параметров сопел 66
4.2.2. Исследование распределения микрочастиц по площади поперечного сечения несущей воздушной струи 77
ГЛАВА 5. Исследование влияния активированных воздушных сред и микродоз СОТС на процесс лезвийной обработки 83
5.1. Исследование влияния активированных воздушных сред и микродоз СОТС на стойкостные характеристики быстрорежущего инструмента 83
5.2. Определение остаточных напряжений в поверхностных слоях образцов после обработки резанием в различных условиях 96
5.3. Исследование влияния активированных воздушных сред микродоз СОТС на качество обработанной поверхности 102
Основные выводы 107
Список использованной литературы
- Функциональные составляющие СОТС и их влияние на окружающую среду и здоровье человека
- Методы определения качества обработанной поверхности и стойкости режущего инструмента
- Изучение смазочной способности активированных воздушных сред
- Разработка системы подачи микродоз СОТС в зону контакта
Введение к работе
В современном машиностроении металлические детали машин, приборов получают несколькими способами; литьем, обработкой давлением (ковкой, прокаткой, штамповкой), а также обработкой резанием. На способ обработки металлов резанием приходится от 20% до 80% трудоемкости, затрачиваемой на готовую продукцию. В процессе резания контактирующие поверхности инструмента и обрабатываемой детали находятся в тяжелых условиях трения и износа: возникают деформации сжатия, растяжения, сдвига; процесс сопровождается большим тепловыделением, упрочнением, разупрочнением и структурным превращением поверхностного слоя.
Высокая прочность и износостойкость режущего инструмента является необходимым условием экономичности и качества его работы. Материалы для режущих инструментов должны соответствовать следующим основным требованиям: высокая прочность, твердость не ниже HRC 62-64, износостойкость, теплостойкость (до 1000°С), сопротивление тепловому удару.
Большое влияние на износостойкость инструмента оказывают свойства смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). Значительное количество научных трудов посвящено разработке и исследованию эффективности новых СОТС и способов их подачи в зону резания. Традиционно на операциях точения применяли следующие методы подачи СОТС: полив зоны резания свободно падающей струей, струей под давлением, использование распыленных СОЖ (в том числе и парообразных), предварительное нанесение СОТС на обрабатываемую поверхность детали или инструмента, подача СОТС через каналы в теле инструмента. В современных производственных условиях разработка новых способов подачи СОТС и их состава направлена главным образом на экологию процесса механообработки и экономию смазочно-охлаждающих средств.
Данная работа выполнена в соответствии с приоритетными направлениями, утвержденными Президиумом РАН РФ «Об утверждении основных направлений фундаментальных исследований» № 7 пункт 2.2.4 от 13.01.98 и заданием Министерства промышленности, науки и технологий РФ от 29.05.2002.
Функциональные составляющие СОТС и их влияние на окружающую среду и здоровье человека
В 1997 году был предложен еще один способ микродозирования СОТС [91, 92]. Данный способ заключался в формировании микрокапсул (МК), оболочками которых является модифицированный желатин. Содержимое капсул выбиралось из существующего ассортимента СОТС на основе минеральных масел и составляло до 85% вес. Размеры таких МК варьировались от 20 до 100 мкм в зависимости от способа получения. МК подавались в зону резания посредством жидкого носителя, а именно дистилли рованной воды капельным способом. Содержание капсулируемых СОТС не превышало 1% от массы носителя. Для того чтобы движение МК имело направленный характер, в их состав вводился мелкодисперсный магнетит. Приобретя, таким образом, магнитные свойства, МК движутся в зону резания под действием электромагнитных полей, которые возникают в зоне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью. Благодаря направленному движению МК, удалось увеличить процент СОТС, проникающей непосредственно в зону контакта, что позволило снизить потребление МК, а следовательно и СОТС до 4 раз. По сравнению с применением некоторых других способов подачи СОТС, например, распыление 1,5%-ной эмульсии, полив маслом, полив эмульсией, использование микрокапсулированных СОТС позволяет уменьшить расход смазки в 1,4; 1300; 2000 раз соответственно. Количество нежелательных компонентов в зоне резания уменьшается более чем в 1000 раз. Кроме того, использование магнитных микрокапсулированных СОТС при резании металлов не ухудшает, а в некоторых случаях увеличивает износостойкость режущего инструмента (например, при точении титановых сплавов и нержавеющей стали). При этом улучшается качество обработанной поверхности.[131]
В публикациях [150, 154] наряду с проблемами минимизации подаваемой СОТС поднимается вопрос обработки резанием без применения СОТС. Сухое резание анализируется также в работах [144, 148, 155]. В них отмечается, что точение и фрезерование без применения СОТС обеспечивает существенное сокращение затрат на процессы обработки и минимизирует загрязнение окружающей среды. Однако с данным методом связан ряд проблем, обусловленных нагревом в процессе сухого резания, сходом и накоплением стружки, возможностью образования наростов на режущих кромках, образованием металлической пыли.
В публикации [151] сообщается об итогах совещания специалистов-производственников в Бонне. Основное заключение совещания - сухую обработку следует рассматривать лишь как возможное рациональное дополнение к современным процессам резания, но она ни в коем случае не является альтернативой. При введении новых технологий сухой обработки необходимо точно выверить все сопутствующие ей явления. В противном случае возникает большая вероятность вместо желаемого сокращения производственных расходов получить их увеличение. Ряд проблем, связанных с методом сухого резания, решается за счет применения в качестве режущего материала твердых сплавов с покрытием, керметов и режущей керамики [144, 148, 155].
Другое направление по развитию сухой обработки заключается в так называемом методе сухого электростатического охлаждения режущего инструмента (СЭО). Сущность метода СЭО заключается в подаче в зону резания ионизированного воздуха. При этом происходит охлаждение зоны резания и смазывание тонкой окисной пленкой зоны контакта режущего инструмента и обрабатываемой детали.
Физико-химический механизм действия ионизированной газовой среды (ИГС) обусловлен привнесением в зону резания униполярных зарядов. В процессе резания ювенильные поверхности инструмента и обрабатываемого материала вступают в химическую реакцию с компонентами ионизированной среды, в результате чего образуются оксидные пленки. Защитное действие пленок заключается в экранировании адгезии между инструментом и материалом, что способствует уменьшению трения, а, сле довательно, и сил резания. Кроме того, ионизированный воздух обладает более сильным охлаждающим действием по сравнению с неионизирован-ным воздухом благодаря наличию униполярно заряженных частиц. В ионизированном газе перенос тепла осуществляется как за счет нейтральных так и за счет заряженных частиц. Вклад в теплопроводность положительных ионов относительно невелик, поскольку значения энергии, переносимой нейтральными молекулами и положительными ионами сопоставимы. Вклад в теплопроводность электронов гораздо выше, поскольку их скорость значительно превышает скорость тяжелых частиц. Теплопроводность ионизированного воздуха увеличивается с ростом температуры [124].
Методы определения качества обработанной поверхности и стойкости режущего инструмента
В качестве обрабатываемых материалов использовались аустенитная нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, углеродистая сталь 45, титановые сплавы ВТ1-0, ВТ5-1, а также деформируемый сплав алюминия АМг-2.
В качестве режущего инструмента применялись упорно - проходные резцы из быстрорежущей стали Р6М5. Геометрия резцов была выбрана согласно справочной литературе: При точении нержавеющей стали: ф = 90, р] = 12, у = 12, а = 6, а,=6. При точении титановых сплавов: ф = 90, ф] = 12, у = 5, а = 10, При точении углеродистых сталей: ф = 90, ф( = 15, у = 20. При точении алюминиевых сплавов: а = 6, oti = 6.
В качестве смазочно-охлаждающих сред на операциях точения применялись обдув воздушным потоком под давлением, озонированная, положительно ионизированная, отрицательно ионизированная воздушные среды, а также вышеперечисленные среды с содержанием в них микрокалсу-лированных СОТС. Сравнение велось с резанием всухую.
Активация воздушной среды осуществлялась специально сконструированными установками посредством электрических разрядов.
Для получения униполярно ионизированного воздуха применялся прибор (ионизатор), принцип работы которого заключался в зажигании коронного разряда. Ионизатор состоит из 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 воздушного потока осуществляется без дополнительного привлечения нагнетательных систем. Ионизатор снабжен регулирующими устройствами, которые позволяют плавно изменять напряжение коронирующего электрода от 0 до 17 кВ и ионизируемый воздушный поток от 0 до 0,15 атм. Ток заряженных частиц, также фиксируемый прибором, зависит от напряжения коронирующего электрода и лимитируется 100 мкА.
В таблице отражены основные отличия изготовленного ионизатора и наиболее часто применяемого на данный момент в промышленности ионизатора «Варкаш».
Для получения озона применялся принципиально другой вид электрического разряда. Принцип работы второго прибора (озонатора), внешний вид которого не отличается от ионизатора, основан на барьерном разряде. Воздушный поток в сопле также регулируется от 0 до 0,15 атм.
Эксперименты проводились на токарно-винторезном станке мод. 16К20. Подача s равнялась ОД мм/об, глубина резания t - 0,2 мм.
Шероховатость поверхности обработанного материала измерялась профилографом - профилометром «Абрис», снабженным программным обеспечением. Определение стойкости режущего инструмента при различных условиях точения проводилось замером износа по главной поверхности с помощью лупы Бриннеля через равные промежутки времени. За критерий износа был принят износ, равный 0,6 мм.
Исследования проводились на машине трения СМЦ-2 по схеме «диск - частичный вкладыш». В качестве материала для диска использовалась закаленная сталь 45 (HRC 63); частичные вкладыши изготавливались из стали 45, быстрорежущих сталей Р6М5 и Р18. Выбор материалов объясняется тем обстоятельством, что трущиеся узлы механизмов часто изготавливают из стали 45, а при точении деталей быстрорежущим инструментом происходит трение поверхностей инструмента и материала заготовки. Химический состав сталей приведен в таблице 2.1.
Критерием процесса трения служил момент силы трения, определяемый по трибограмме. Ионизирующая и озонирующая установки монтировались на машину трения таким образом, чтобы расстояние от сопла до зоны контакта контр тел не превышала 40 мм.
Изучение смазочной способности активированных воздушных сред
Фрикционные взаимодействия стружки с поверхностью инструмента при резании происходят значительно сложнее, чем трение узлов механизмов. Это связано с температурами, развивающимися в зоне резания (порядка 500С), а также с тем, что трение происходит с постоянно обновляющейся химически активной ювенильной поверхностью. Однако моделирование динамического контакта при резании на трущихся фрикционных парах часто используется для трибологических испытаний СОТС. Такие эксперименты позволяют изучить основные закономерности влияния защитных разделительных слоев испытуемой СОТС на контактные взаимодействия.
В научных публикациях отсутствуют сведения, касающиеся непосредственно влияния ABC на фрикционное взаимодействие трущихся поверхностей. Как известно, в результате коронного разряда образуются электроны, ионы молекул, из которых состоит воздух, и озон. Возникает вопрос, как каждая из составляющих ABC влияет на динамический контакт поверхностей.
Было проведено три серии экспериментов: исследовалось влияние положительно ионизированной, отрицательно ионизированной, а также озонированной воздушных сред. Эксперименты проводились до возникновения задиров, которые проявлялись акустически (свист, скрип), либо на трибограммах в виде скачкообразных увеличений моментов силы трения (Рис. 3.2, а). После каждого эксперимента замерялась твердость диска по шкале HRC, чтобы не допустить изменения параметров эксперимента по причине термического отпуска детали. В первой серии экспериментов исследовалось воздействие на процесс трения положительно заряженных частиц. Максимальное напряжение на рабочем электроде (аноде) лимитировалось перерождением коронного разряда в искровой и составляло кВ. Сила тока заряженных частиц при этом не превышала 80 мкА. Давление воздушного потока, проходящего через ионизатор, равнялось 0,15-103 Па. Условия второй серии экспериментов были аналогичны за исключением полярности рабочего электрода и, соответственно, знака ионного потока. В третьей серии применялся прибор, позволяющий обогащать технологическую среду озоном. Озонированная воздушная среда подавалась в зону контакта также под давлением 0,15-10 Па.
На рисунках 3.3 - 3.5 представлены результаты экспериментов в виде зависимостей момента силы трения ІУЦ от приложенной нормальной нагрузки. Следует отметить, что эксперименты при «сухом» трении были вынуждены останавливать вследствие задиров на более низких нагрузках, чем при трении в присутствии ABC. Так, максимальная нагрузка при трении всухую равнялась 350 Н, тогда как при обдуве сжатым воздухом и в присутствии ABC критическая нагрузка соответствовала 420 Н для пары сталь 45 - сталь 45 и 550 Н для пар Р18 - сталь 45 и Р6М5 - сталь 45. Объяснить это можно, во-первых, охлаждающим эффектом зоны трения, а во-вторых, образованием смазочных пленок. Однако, как показали две первые серии экспериментов (рис. 3.3 - 3.5), ионизированные среды, как положительные так и отрицательные, обладают низкой смазочной способностью по отношению к трению пассивированных поверхностей. Моменты силы трения в присутствии униполярных зарядов на разных нагрузках могли быть как выше так и ниже Мф для «сухого» процесса. Причем разность этих величин, как правило, не превышала погрешности эксперимента.
При подаче озонированной среды в зону контакта наблюдалась тенденция снижения момента силы трения при динамическом взаимодействии всех рассматриваемых контактных пар. Так, для пары трения сталь 45 -сталь 45 наиболее выраженное влияние озонированной среды наблюдалось на нагрузке 350 Н (рис.3.3, 3.4). Мф при этом достиг значения 0,2 Н-м, что на 20 % ниже, чем при трении всухую. При трении частичного вкладыша из стали Р6М5 по диску из стали 45 на нагрузках до 220 Н не наблюдалось влияния ABC на характеристики трения. На более высоких нагрузках заметно уменьшение Мф в присутствии озонированной среды по сравнению с трение в присутствии ионизированных сред на 10...15 % (рис.3.6). При трении Р18 по стали 45 явного влияния ABC на процесс трения не зафиксировано (рис.3.5).
На рисунке 3.2 представлены характерные особенности трибограмм, полученных при трении в различных условиях. По характеру изменения момента силы трения при фиксированной нагрузке можно судить о стабильности процесса. Так, на низких нагрузках М при трении всухую и в присутствии ABC трения поверхностей происходят схожим образом. При дальнейшем нагружении образца в случае «сухого» трения наблюдались резкие кратковременные увеличения Мф (задиры, заедания), которые свидетельствуют о нестабильности процесса. Как следствие этого, резко повышается температура в приповерхностных слоях контактной пары, что трансформирует закаленный диск из стали 45 с твердостью 61-63 единицы по шкале HRC в отпущенный с твердостью ниже 50 ед. по HRC. При трении в присутствии ABC критическая нагрузка увеличивается в 1,5...2 раза.
Разработка системы подачи микродоз СОТС в зону контакта
При исследовании износостойкости инструмента на операциях точения в качестве обрабатываемых материалов применялись титановый сплав ВТ1-0, нержавеющая сталь 12Х1&Н10Т, среднеуглеродистая сталь 45, а в качестве инструментального материала - сталь Р6М5. Режимы резания выбирались согласно рекомендациям [110] и соответствовали верхним пределам. В экспериментах исследовалась динамика износа инструмента, т.е. величину износа замеряли через равные промежутки времени до начала катастрофического износа (I - 0,6 мкм).
В качестве смазочно-охлаждающих технологических сред использовались озонированная воздушная среда, ионизированные воздушные среды обоих знаков, магнитные микрокапсулированные СОТС (ММК), а также их совместное применение. Активации воздушного потока производилась ионизатором или озонатором. Подача технологических сред в зону резания осуществлялась в направлении передней поверхности инструмента (рис. 5.1). Схема эксперимента, представленная на рисунке, отображает вариант совместного применения ABC и ММК. В случае подачи одного из компонентов из схемы эксперимента исключалась либо ионо-, озонатор, либо система подачи ММК соответственно.
Расстояния от выходного сечения сопла для подачи ММК и от рабочего электрода приборов для активации воздуха до зоны контакта инструмента с материалом были равны 30 мм. Относительная влажность воздуха во время проведения экспериментов изменялась в пределах 45 - 65 %. Дав ление воздушного потока на входе в сопло для подачи ММК выбиралось согласно рекомендациям главы 4 и соответствовало 0,2 атм. Расход воздуха через внутреннюю часть сопла составлял около 2 л/мин. При этом скорость ММК на выходе из сопла была 4...5 м/с. Такой режим работы сопла обеспечивал непрерывный поток ММК в зону резания. Массовый расход ММК определялся как отношение массы используемых микрокапсул ко времени эксперимента. При данном рабочем режиме сопла массовый расход микродоз СОТС соответствовал 0,3 г/час.
Результаты экспериментов по точению стали 45 отображены на рисунке 5.2 Гистограммы износостойкости наглядно отображают влияние различных активированных воздушных сред на процесс резания. Стойкость резцов увеличивалась на 35 - 40 %, в 1,5 раза, в 2 раза по сравнению с резанием всухую при обдуве зоны резания воздушной струей под давлением 1атм., потоком отрицательных частиц и озоном соответственно. Применение в качестве СОТС положительных ионов не привело к улучшению три-бологической обстановки в зоне резания. Подача ММК в зону резания позволила повысить износостойкость на уровне обдува сжатым воздухом, т.е. на 35 - 40 %. Стойкость резцов при совместной подаче ММК и озонированного воздуха осталась на уровне стойкости при обдуве зоны резания исключительно озонированным воздухом.
Динамика износа инструмента отличалась в зависимости от условий внешнего воздействия. Так, на начальном этапе при «сухом» резании и при обдуве зоны контакта сжатым воздухом наблюдался более интенсивный износ инструмента по сравнению с износом под воздействием ABC. Классическая схема динамики износа состоит из 3 этапов: 1 - процесс приработки, 2 - процесс нормального износа, 3 - катастрофический износ. Следует отметить, что в процессе резания в присутствии ABC не наблюдалось ярко выраженного катастрофического износа. На последнем этапе резания интенсивность износа инструмента была ниже, чем при резании всухую.
Стойкость инструмента при резании нержавеющей стали 12Х18Н10Т в среде положительно ионизированного воздуха была на уровне износостойкости при обдуве сжатым воздухом под давлением 1 атм., что на 50 % выше стойкости при точении всухую. Отрицательно ионизированная и озонированная воздушные среды, а также ММК позволили на 15 % увеличить износостойкость инструмента по сравнению с резанием всухую. При этом стойкость резцов была соизмерима с аналогичной величиной при точении с использованием водоэмульсионных СОТС Аквол-6 и МР-4. Совместная подача ММК и ABC также как и в случае со сталью 45 не привела к увеличению стойкости по сравнению с резанием в присутствии АБС. Так же, как и при точении стали 45, в присутствии ABC не наблюдалось ярко выраженного катастрофического износа. Результаты стой-костных испытаний по точению нержавеющей стали коррелируют с результатами по точению стали 45 поскольку основным элементом обрабатываемого материала является железо.
