Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Изнашивание быстрорежущего инструмента 11
1.2. Виды изнашивания 11
1.3. Применение СОТС для повышения стойкости инструмента 13
1.4 Существующие гипотезы о механизме действия СОЖ 16
1.5. Виды СОТС и их действие на процессы механической обработки . 22
1.6. Влияние газовых сред на силы и температуру резания 23
1.7. Ионизация СОТС 28
1.8. Современные понятия о механизме воздействия коронного разряда на процесс металлообработки
1.9. Влияние кислорода на физико-химические процессы, протекающие при резании металлов
1.10. Выводы по литературному обзору и постановка задачи исследования
Глава 2. Материалы и методика проведения экспериментальных исследовании
2.1. Материалы и общая методика исследований 43
2.2. Методы металлографического и металлофизического анализов 46
2.3. Микродифракционные исследования вторичных структур 48
2.4. Установка для ионизации газовой среды 49
Глава 3. Изучению процессов резания в газовых контролируемых средах
3.1. Конструкция установки 52
3.2. Устройство и принцип работы силоизмерительного датчика 54
3.3. Исследование микротвердости поверхности образцов после обработки резанием
3.4. Изучение деформационных процессов при резании 65
3.5. Влияние газовых сред на силы резания и усадку стружки при резании стали 45
3.6. Влияние газовых сред на силы резания и усадку стружки при резании титанового сплава ВТ1 -0
3.7. Выводы по главе 3 83
Глава 4. Влияние воздушной плазмы на физико-химические процессы в контактной зоне в процессе резания металлов
4.1. Исследование влияния активированных воздушных сред на стойкостные характеристики быстрорежущего инструмента
4.2. Исследование влияния активированных воздушных сред на качество поверхностного слоя обработанного материала
4.3. Микродифракционные исследования вторичных структур, полученных при резании стали 45 и титана ВТ1-0
4.4. Выводы по главе 4 95
Общие выводы 96
Список использованной литературы 98
Приложение 113
- Применение СОТС для повышения стойкости инструмента
- Методы металлографического и металлофизического анализов
- Устройство и принцип работы силоизмерительного датчика
- Исследование влияния активированных воздушных сред на качество поверхностного слоя обработанного материала
Введение к работе
Повышение экономичности машиностроения неразрывно связано с ростом эффективности металлообработки и снижения затрат, связанных с износом металлорежущего инструмента. Износостойкость режущего инструмента на операциях точения в немалой степени зависит от применяемого смазочно-охлаждающего технологического средства (СОТС). В современном машиностроении предъявляются повышенные требования не юлько к функциональным, но и к экологическим свойствам СОТС, так как СОТС должна не только улучшать работоспособность инструмента и качество обработанной поверхности, но и не должна оказывать техногенного влияния на обслуживающий персонал и окружающую среду. При изготовлении СОТС стремятся уменьшить количество минерального масла и минимизировать, а иногда и исключить эффективные, но опасные для здоровья некоторые неорганические и органические компоненты СОТС.
В последнее время широкое распространение в области металлообработки с использованием экологически чистых СОТС получили технологии с применением ионизированного воздуха. Работами по получению и применению ионизированного воздуха в качестве экологически чистой СОТС занимаются как в России (работы И.Д. Ахметзянова, Чебоксарского государственного Университета «Варкаш»), так и за рубежом (работы японских учёных Toyoda Machine Ltd и Enshu Ltd). Существенным недостатком этих работ является то, что все эти работы основаны на непосредственном применении ионизированной среды в качестве СОТС, а изучением причин улучшения трибологической обстановки в зоне контакта применительно к резанию никто не занимался.
Эффективное действие внешней среды при резании металлов определяется свойствами защитных пленок на контактных площадках резца и стружки, а это, в свою очередь, связано со сложным механизмом радикально-
цепных химических реакций компонентов среды с ювенильными поверхностями металлов. В условиях резания проявляется необычное химическое действие ювенильных поверхностей резца и стружки, а также реакционных частиц - атомов и радикалов, образующихся при разрушении нейтральных молекул смазочного вещества.
Для научно-обоснованного составления эффективных смазочных сред необходимо детально изучить механизм взаимодействия молекул наиболее распространенных компонентов СОЖ (воды, кислорода, органических веществ) с ювенильными поверхностями различных металлов, определить различные методы активации нужных химических реакций с целью образования защитных пленок.
Изучение механизмов воздействия газообразных СОТС на процессы стружкоотделения и стойкость инструментов является актуальной научной проблемой.
Цель работы: изучение влияния отдельных веществ и элементов воздуха на изменение трибологической обстановки в зоне резания.
Задачи работы:
- изучить механизм действия ионизированных сред на процессы ме
таллообработки, изучить структуры, образовавшиеся в контактной зоне ме
таллических поверхностей;
- разработать лабораторную экспериментальную установку для изуче
ния механизма действия газовых контролируемых сред на процесс резания;
- изучить роль смазочных защитных пленок в процессе трения и изно
са режущего инструмента;
- определрпъ влияние отдельных веществ и элементов воздуха на три-
бологическую обстановку в зоне резания;
- обобщить полученный экспериментальный материал и на этой основе
сформулировать концепцию о смазочном химическом действии активиро
ванных газообразных СОЖ при резании металлов.
Научная новизна работы.
Установлена взаимосвязь эффективности действия компонентов воздуха, в том числе активированных электрическими разрядами, на характеристики процесса резания в зависимости от вида обрабатываемого материала.
Выявлены механизмы действия отдельных компонентов воздуха, заключающиеся:
для кислородной среды - в образовании разделительных оксидных пленок на границе раздела инструмент - обрабатываемый материал,
в азотной среде - в образовании нитридных включений, способствующих переводу процесса резания в сторону обработки более хрупких материалов,
для гелия - его диффузия в обработанную поверхность и увеличение в результате этого количества концентраторов напряжений, облегчающих процесс стружкоотделения.
Установлена взаимосвязь между предварительной активацией кислорода и видом образующихся вторичных структур в контактной зоне, заключающаяся в образовании оксидов высшего порядка (Fe203) при использовании ионизирующего излучения и оксида FeO без использования предварительной активации.
Установлены закономерности влияния количества используемых газообразных СОТС на характеристики процесса резания, которые проявляются в ухудшении данных показателей при уменьшении внешнего давления ниже 10"1 мм.рт.ст.
Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:
Корчагин А.В., Комельков В.А. Исследование смазочной способности активированного масла И-40А // Молодая наука в классическом университете. Тезисы докладов научн. конф-ии, Иваново: Иван. гос. ун-т, 2005 - Ч. 1. 0,13 п.л.
Корчагин А.В., Комельков В.А., Наумов А.Г. Изменение трибологических характеристик масла И-20А под действием коронного разряда // Физика, химия и механика трибосистем. Вып. 4. Иваново: Иван. гос. ун-т, 2005. 0,25 п.л.
Корчагин А.В., Комельков В.А., Наумов А.Г. Исследование влияния коронного разряда на изменение смазочной способности индустриального масла И-20А // Всероссийская научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудования текстильной промышленности» (Москва, Текстиль 2005, МГТУ им. Косыгина). 0,06 п.л.
Корчагин А.В., Наумов А.Г. Изучение влияния коронного разряда на изменение смазочной способности индустриального масла И20А. // Молодая наука в классическом университете. Тезисы докладов науч. конференции, Иваново: Иван. гос. ун-т, 2006 г.
Корчагин А.В., Наумов А.Г., Пагин М.П. Установка для резания металлов в контролируемых средах. // Физика, химия и механика трибосистем. Вып. 5. Иваново: Иван. гос. ун-т, 2006, с. 104-106.
Корчагин А.В., Наумов А.Г. Установка для резания в вакууме. // Физика, химия и механика трибосистем. Вып. 6. Иваново: Иван. гос. ун-т, 2007. 0,5 п.л.
Корчагин А.В., Латышев В.Н., Наумов А.Г., Раднюк B.C., Тимаков А.С. Применение йода как компонента СОТС при резании металлов. // «Металлообработка» № 3(45). 2008г.
Корчагин А.В., Наумов А.Г. Резание в вакуумной камере. // Научно-исследовательская деятельность в классическом университете. Тезисы докладов науч. конференции, Иваново: Иван. гос. ун-т, 2008 г.
Корчагин А.В., Латышев В.Н., Наумов А.Г., Раднюк B.C., Тимаков А.С. Облегчение процесса резания материалов микро- нанодозами СОТС. // «Металлообработка» № 4(46). 2008г.
Работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы (163 источника) и приложений, содержит 117 страниц печатного текста, 11 таблиц, 70 рисунков и фотографий.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю, доктору технических наук А.Г. Наумову; член-корр. Академии технологических наук РФ, заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, д.т.н., профессору В.Н. Латышеву; преподавателям и сотрудникам кафедры экспериментальной и технической физики ИвГУ к.т.н., доц. В.В. Новикову; доц. Н.М. Оношину; инж. А.Н. Прибылову; СЕ. Невской; И.В. Муравьевой.
Применение СОТС для повышения стойкости инструмента
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 упругопластические деформации, уменьшает трение между передней поверхностью резца и стружкой, между задней поверхностью резца и заготовкой, а также облегчает процесс стружкообразования.
Смазочно-охлаждающие жидкости и другие средства могут подаваться в зону резания различными способами, различными устройствами в разном своем агрегатном состоянии: твердого тела, жидкости или газа. В практике машиностроения наиболее часто СОЖ подается в зону резания поливом в виде свободно падающей струи.
Процесс резания металлов с использованием СОТС сопровождается рядом физико-химических явлений, происходящих на контактируемых поверхностях обрабатываемого материала и режущего инструмента. По мнению автора работы [76] действие смазочного материала при резании металлов протекает по радикально-цепному механизму, заключающемуся в следующем: в процессе резания вскрываются физически чистые ювенильные поверхности, эмитирующие электроны и кванты света, которые бомбардируют молекулы СОТС с последующим образованием свободных атомов и химических радикалов. Последние вызывают цепные реакции.
Образование химических радикалов может также происходить под действием различного рода излучений, термического пиролиза, ионизирующих излучений, вследствие прохождения электрического тока через СОТС.
Высокая реакционная способности химических радикалов обеспечивает образование защитных пленок, которые уменьшаю г силы резания, экранируют адгезию между трущимися поверхностями, способе гвуют отводу теплоты от зоны контакта и тем самым уменьшают износ режущего инструмента.
Путём применения СОЖ можно существенно повысить экономичность механической обработки. В некоторых случаях применение эффективной технологической среды является единственным техническим средством, обеспечивающим возможность нормального резания. Решение вопросов применения СОЖ и других сред при резании металлов осуществляется двумя путями: синтезированием эффективных смазочно-охлаждающих жпдкостей и разработкой новых способов подачи их в зону резания путём создания новых технологических сред.
Эффективность какого-либо метода или технологической среды может оцениваться коэффициентом увеличения стойкости инструмента К13 представляющим собой отношение стойкости режущего инструмента Трсж при применении какой-то і-той среды или выбранного какого-то і-того метода её подачи, к стойкости режущего инструмента на той же технологической операции и при том же режиме резания в среде атмосферного воздуха Твозд.
Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), являясь неотъемлемой частью технологии механической обработки металлов и их сплавов, применяются с давних пор. Одновременно с решением чисто практических вопросов производилось систематическое изучение физико-химических основ действия внешней среды, высказывались различные гипотезы о механизме влияния на процесс резания. В период 1905-1911 г.г. одно из первых исследований смазочного действия различных масел было выполнено в России И.Н.Савиным. К более позднему периоду относятся исследования A.M. Ро зенберга, Д.С. Великовского, Т. Готтвейна, А.К. Зайцева, В.Д. Кузнецова, И.В. Гребенщикова [25, 31, 48, 67, 109].
В период 1930-40 г.г. в СССР и за рубежом было выполнено большое количество исследований, направленных на выяснение физико-химических основ действий внешней среды при механической обработке металлов. Исследовались в основном три важные функции СОЖ: охлаждающее, смазывающее и диспергирующее действие.
Характерной чертой этого периода явилось широкое участие физиков и химиков в изучении сложных процессов, происходящих при взаимодействии металла с внешней средой; впервые были поставлены вопросы о значении окисных и адсорбционных пленок при трении и износе инструмента, о диспергирующем действии поверхностно-активных веществ (ПАВ), о роли электрохимических процессов при шлифовании и полировании металлов.
В 1941-45 г.г. вопросы смазки и охлаждения режущего инструмента изучались рядом научных организаций, и, в том числе, в Уральском физико-техническом институте под руководством В.Д.Кузнецова [67]. В результате проведенных исследований в общих чертах были сформулированы некоторые теоретические положения охлаждения и смазки при резании металлов: связь между свойствами смазочных пленок и коэффициентами трения, классификация применяемых ПАВ на эффективные и не эффективные (повышающие износ инструмента), обоснованы принципы выбора СОЖ для обработки алюминия и меди, изучен механизм действия среды при шлифовании. Однако в заключении работы В.Д.Кузнецов указывал, ..."что вопрос о влиянии охлаждения и смазки на процесс резания металлов, на характеристики резания, в литературе почти не освещен, и из этого вытекает, что нельзя пока составить сколько-нибудь ясного представления о механизме действия смазки; для этого необходимы специальные лабораторные исследования" [67].
Дальнейшее развитие работы по исследованию физико-химического действия среды при резании металлов получили в 50-х годах. К этому перио ду относятся крупные работы П.А. Ребиндера [108] о диспергирующем действии ПАВ в процессе деформации и разрушения металлов, исследования В.В. Дерягина [39] по расклинивающему действию среды и, наконец, исследования Г.И. Епифанова [44, 45] о каталитическом действии продуктов термического распада СОЖ в процессе резания. Характерной чертой этого периода явилось то, что специалисты в области резания металлов занимались в основном изучением охлаждающих свойств среды, а ученые в области физики и химии поверхности сосредоточили вникание на изучении смазочного действия, а также пластифицирующего и "охрупчивающего" влияния среды, то есть тонких физико-химических процессов. В результате этого данные исследований и гипотезы, высказываемые физиками и химиками, не всегда встречали понимание со стороны специалистов по резанию металлов.
Ряд работ этого периода был посвящен изучению влияния внешней среды на трение, однако полученные выводы не всегда можно было объяснить без знания физико-химических теорий.
Такая разобщенность при проведении исследований поставила как науку о СОЖ, так и практику синтеза эффективных составов в чрезвычайно трудное положение.
Характерной чертой зарубежной школы ученых по проблеме СОЖ, наоборот, явилось тесное сотрудничество специалистов в области физики, химии, технологии машиностроения и резания металлов. Успешное применение новейших методов исследования физико-химических явлений, сопровождающих процесс резания, позволило им получить ряд принципиально важных результатов. Это, в первую очередь, выводы, полученные в работах А. Шоу и Ц. Янга, В. Конига и Н. Дидериха, Г. Опитца, М Мерчанта, Р. Бар-лова, Е. Давиля и Н. Хукса, Е. Трента и С. Мортона [136, 123, 64, 49, 77, 71, 119, 147].
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 М1П. 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 корней стружек обрабатываемых материалов производилось с помощью химического травления в реактиве: для титана -дистиллированная вода - 90% , плавиковая кислота - 10%, с последующим промыванием в 45% азотной кислоте; для стали 45 - азотная кислота - 4%, спирт этиловый - 96%).
Для предотвращения искажений исследуемых структур во время травления протравленные шлифы промывались свободным погружением в этиловый спирт с последующей просушкой на воздухе.
Измерение микротвердости проводилось на приборе ПМТ-3 по методикам, соответствующим ГОСТу 9450-76. Метод определения микротвердости предназначен для оценки твердости очень малых (микроскопических) объемов материалов. Его применяют для измерения твердости мелких деталей, тонкой проволоки или ленты, тонких поверхностных слоев, покрытий и т. д. Важное назначение — оценка твердости отдельных фаз или структурных составляющих сплавов, а также разницы в твердости отдельных участков этих составляющих. В качестве индентора при измерении микротвердости чаще всего используют алмазную пирамиду Виккерса — правильную четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине. 136.
Для оценки влияния кислорода 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. Объектом съемки на металлографических снимках являются объемы материала срезаемого слоя и стружки, прилегающие к лезвию резца. 2.3. Микродифракционные исследования вторичных структур.
Изучение фазового состава вторичных структурных образований в контактной зоне проводилось с использованием электронной микроскопии методом тонких фольг. При получении электронограмм и определении МСЖШІО-скостных расстояний работа производилась на электронном микроскопе ЭВМ-100Л с установленной гониометрической приставкой в режиме микродифракции при ускоряющем напряжении 75 кВ.
Дифракционная картина А12СЬ. Для расчета картин электронной дифракции постоянная микроскопа С, связывающая расстояния на электронограмме с расстояниями в кристалле, определялась по электронограмме объекта с известными межплоскостными расстояниями d, (тест-объект).
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. Ионизатор снабжен регулирующими устройствами, которые позволяют плавно изменять напряжение коронирующего электрода от 0 до 17 кВ и давление ионизируемого воздушного потока от О до 0,5 105Па. Ток заряженных частиц, также фиксируемый прибором, зависит от напряжения коронирующего электрода и лимитируется 100 мкЛ.
Устройство и принцип работы силоизмерительного датчика
Для измерения силы резания в установке был применен датчик линейных перемещений (ДЛП), работающий по принципу дифференциального трансформатора. главные из которых - линейность выходного сигнала, повышенная чувствительность по напряжению и сниженной температурной погрешности. Особенностью работы датчика является то, что при малых смещениях AN Ах, а при значительных перемещениях из-за конечности размеров катушки возбуждения он выходит на насыщение.
Нами был сконструирован ДЛП, представленный на рис. 3.4. Датчик состоит из катушки возбуждения 1, намотанный на сердечник из магнито-мягкого материала — феррита марки 600 НН и двух измерительных катушек 3, намотанных коаксиально возбуждающей катушке. Параметры элементов ДЛП следующие. Длина катушки возбуждения 60 мм, диаметр - 6 мм, число витков медного провода толщиной 150 мкм - 400, индуктивность катушки -0,06 Гн. Длина измерительных катушек - 30 мм, диаметр - 10 мм, число витков - 2000, индуктивность — 1,2 Гн. Значительное число витков в измерительных катушках обеспечивало высокий коэффициент трансформации и напряжение выходного сигнала. Рис. 3.4. Схема устройства датчика линейных перемещений: 1 - феррито-вый сердечник; 2 - намагничивающая катушка; 3 - измерительные катушки.
Схема включения датчика в измерительную цепь показана на рис. 3.5. Обмотка возбуждения подключаются к генератору низкой частоты ГЗ-112/1. Генератор позволял возбуждать датчик синусоидальным полем в диапазоне частот 100... 10000 Гц с амплитудой сигнала до 9 вольт. Для контроля формы и частоты входного сигнала в цепь питания дополнительно подключается осциллограф О— 114/1 и частотомер Ф 5041, обеспечивающего требуемую точность контроля частоты генерации - 1 Гц.
Сигнал с выхода обмотки измерительных катушек поступает на диодный мост, выполненный на импульсных диодах КД 522. После выпрямления сигнал фильтруется с помощью RC-цепочки, переменным резистором сопротивлением 23 кОм и конденсатором емкостью 47 мкФ. Внешний вид печатной платы. Модуль El4-140 предназначен для построения многоканальных измерительных систем ввода/вывода аналоговых и цифровых данных в составе IBM-совместимых компьютеров. Е14-140 является малогабаритным многофункциональным измерительным модулем, подсоединяемым к ПК через USB-интерфейс. Многоканальный 14-ти разрядный АЦП модуля Е14-140 позволяет работать с 16-ю дифференциальными или 32-мя каналами с общей землей. Каждый из аналоговых каналов подключается к АЦП через программно управляемый аттенюатор, позволяющий задавать один из четырех диапазонов измерения напряжения. Малые габариты модуля и использование широко распространенного интерфейса USB делают Е14-140 удобным для организации полевых измерений, требующих высокую степень мобильности. Модуль Е14-140 внесен в Государственный реестр средств измерений.
На основе разработанного ДЛП был сконструирован силоизмеритсль-ный датчик, показанный на рис. 3.7. Принцип его действия заключается в следующем: испытуемый образец закреплен зажимами, установленными на горизонтальной направляющей, позволяющей им двигаться в плоскости резания. Движение зажимов ограничено с одной стороны пластиной 1. В процессе резания режущий инструмент воздействует на образец с силой F, которая передается зажимам, движущимся в направляющей. Зажимы толкателем 4 упираются в пластину 1, изгибая ее. Как только сила резания становится равной силе упругости пластины, ее деформация прекращается. Таким образом, по величине изгиба пластины оценивается сила резания. Шкив 3 связан с толкателем 4 креплением 2. Шкив 3 через блок 6 связан с ДЛП нитью 5, закрепленной на сердечнике возбуждающей катушки. При повороте шкива катушка возбуждения перемещается относительно измерительных катушек. В результате этого на выходе ДЛП появляется изменяющийся сигнал, который, проходя через АЦП, фиксируется на компьютере при помощи программы «PowerGraph» (рис. 3.8). Рис. 3.7. Силоизмерительный датчик: 1 - пластина, 2 - крепление, 3 - шкив, 4 - толкатель, 5 - нить, 6 - блок, 7 - регулировочный винт установки нуля, 8 - дифференциальный трансформатор.
Программное обеспечение (ПО) «PowerGraph» предназначено для записи, визуализации, обработки и хранения аналоговых сигналов, регистрируемых с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Назначение ПО «PowerGraph»: сбор данных с различных измерительных устройств; регистрация, визуализация и обработка сигналов в режиме реального времени; редактирование, математическая обработка и анализ данных; хранение, импорт и экспорт данных.
Впоследствии были исследованы выходные характеристики установки, на основе которых были построены тарировочные графики зависимости выходного напряжения датчика от силы резания. Данные графики зависимостей представлены нарис. 3.9 и 3.10. Они имеют линейный характер в некотором диапазоне исследований, который и был нами выбран для изучения.
На обработанной поверхности наибольшей степени пластической деформации подвергаются наружные, приповерхностные слои металла, где микротвердость имеет максимальное значение. Под обработанной поверхностью, в глубине металла, степень пластической деформации и соответствующая ей микротвердость убывают (рис. 3.12).
В зоне первичного сдвига (рис. 3.13) происходит интенсивный сдвиг в узкой области, протянувшейся от вершины резца до внешней свободной поверхности образца. Идеальное представление этой зоны плоскостью (плоскостью первичного сдвига) описывается углом сдвига р. Чем меньше величина р, тем длиннее плоскость сдвига, выше силы резания и значительнее энергозатраты на удаление данного объема материала. Высокая сила трения между стружкой и резцом снижает угол р, при этом плоскость сдвига располагается дальше от режущей кромки, делая резание более затруднительным. Рис. 3.13. Схема стружки скалывания.
Наличие и величина зон пластической деформации является одним из основных параметров, характеризующих интенсивность адгезионных взаимодействий между рабочими поверхностями инструмента и обрабатываемым материалов. В определенных условиях, по этому показателю так же можно оценить эффективность действия разделительных смазочных пленок, т.е. о том, насколько сильно взаимодействие режущего инструмента и испытуемого образца. Полученные зависимости микротвердости материалов от глубины приведены на рисунках 3.14, 3.15. Как видно из рисунка 3.14, наименьший деформируемый слой у стали 45 наблюдается при резании в воздухе при атмосферном давлении, он составляет около 50мкм. С уменьшением давления деформированный слой возрастает и при давлении 10"4 мм.рт.ст. составляет примерно 80мкм. Можно предположить, что это связано с появлением оксидных пленок на вновь образовавшихся химически активных ювенильных поверхностях, которые уменьшают силы молекулярного взаимодействия между режущим инструментом и образцом.
Исследование влияния активированных воздушных сред на качество поверхностного слоя обработанного материала
При резании всухую на прирезцовой стороне стружек стали 45 (рис. 4.4(a)) обнаружить какие-либо структурные образования не удалось. При использовании в качестве активированной внешней среды ионизированного воздуха на поверхности стружки после ее травления для выявления нитридов можно увидеть темные вкрапления рис. 4.4(6, в). Исследования реплик, полученных с поверхности стружки, показали (рис. 4.5), что данные вкрапления являются нитридными фазами Fe3N. В случае использования в качестве активатора барьерного разряда, на поверхности металла зафиксированы различные оксиды, превалирующим из которых является Fe203.
Аналогичные исследования были проведены для реплик, снятых с передней поверхности резца. Из полученных результатов следует, что после активации воздушного потока коронным разрядом на передней поверхности резца в процессе резания также образуются нитриды Fe3N, а при использовании барьерного - оксиды Fe203- Это свидетельствует о том, что процессы стружкоотделения в каждом из рассматриваемых случаев должны иметь свои особенности, что и было зафиксировано..
Из выше приведенного следует, что использование воздушной плазмы, активированной коронным разрядом, оказывает эффективное влияние на характеристики процессов резания стали 45 быстрорежущими инструментами. В случае активации коронным разрядом образуются нитриды, в случае барьерного разряда - оксиды. Как известно, твердость нитридов значительно выше твердости оксидов, а это изменяет процесс стружкоотделения, переводя его в сторону резания более хрупких материалов, для которых характерно уменьшение величины продольной усадки стружки, ее уширения и утолщения.
Расшифровка электронограмм, полученных с поверхносш титана, показала, что межплоскостные расстояния этих образований, которые образуются на поверхности металла, не совпадают с уже известными межплоскостными расстояниями для нитридов и оксидов титана. Поэтому наиболее вероятно, что на поверхности металла образуются сложные соединения типа Ti(NO)n, KOTopbie, по причине отсутствия справочной литературы по межпло-скостньтм расстояниям, нам идентифицировать не удалось.
Анализируя проведенные эксперименты, можно сделать следующие выводы: 1) Использование в качестве СОТС активированного электрическим разрядом воздушного потока оказывает эффективное влияние на стойкость быстрорежущего инструмента, величина которой возрастает до двух раз по сравнению с резанием в сухую. 2) Эффективность применения того или иного разряда зависит от марки обрабатываемого материала. Так, в случае резания стали 45 максимальная работоспособность резцов наблюдалась при использовании озонированного воздуха. Использование ионизированного воздуха в результате наличия азотной составляющей приводило к уменьшению на 20-25% периода стойкости резцов по сравнению с озонированным воздушным потоком. При резании сплавов на основе титана, лучшие показатели стойкости зафиксированы для случая использования положительно ионизированного воздуха, а стойкость при озонированной СОТС имела значение в два раза худшие. Это обусловлено различием в видах изнашивания инструментов. 3) Активация воздуха различными разрядами способствует образованию различных активных элементов. Так, при использовании коронного разряда зафиксированы молекулы азота с различной степенью возбужденного состояния и озон, причем концентрация азота выше, а применение барьерного разряда способствует образованию только активного озона при полном подавлении ионной составляющей. Этим обусловлено формирование в контактной зоне нитридов или оксидов.
