Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы повышения производительности обработки металлов резанием за счет применения эффективных составов СОЖ 9
1.1. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием 9
1.2. Выбор СОЖ по заданным технологическим, экономическим и эксплуатационным критериям 15
1.3. Тепловой баланс процесса резания 23
1.4. Методы подачи СОЖ в зону резания 25
1.5. Истощение водных эмульсий в процессе эксплуатации 26
1.6. Улучшение санитарно-гигиенических условий обработки за счет применения эффективных СОЖ 27
1.7. Цель и задачи исследования 27
1.8. Выводы 28
Глава 2. Анализ механизма действия сож в процессе резания 30
2.1. Теоретические основы повышения эффективности процесса резания за счет применения оптимальных составов сож 30
2.2. Расчет стойкости режущего инструмента, исходя из трибологических условий контакта системы 36
2.3. Влияние функциональных свойств СОЖ н^а процесс резания 42
2.4. Выводы 63
Глава 3. Анализ факторов, влияющих на выбор оптимального состава СОЖ 64
3.1. Методология подбора и разработки новых составов СОЖ 64
3.2. Исследование смазочной способности СОЖ на модельных установках 71
3.3. Расчет охлаждающей способности СОЖ 77
3.4. Выводы 82
Глава 4. Экспериментальное исследование эффективности сож на металлорежущих станках 84
4.1. Методика экспериментального исследования эффективности СОЖ на металлорежущих станках 84
4.2. Использование методики полнофакторного эксперимента при проведении исследования влияния СОЖ на процесс резания 85
4.2. Экспериментальные исследования влияния СОЖ и обрабатываемого материала на процесс стружкообразования 87
4.3. Экспериментальные исследование влияния состава СОЖ на шероховатость и микротвердость опорной поверхности стружки 91
4.4. Экспериментальное исследование режущих свойств СОЖ 99
4.5. Экспериментальное исследование различных факторов, оказывающих влияние на технологические свойства СОЖ 103
4.6. Выводы 108
Общие выводы и предложения 110
Список использованной литературы
- Выбор СОЖ по заданным технологическим, экономическим и эксплуатационным критериям
- Расчет стойкости режущего инструмента, исходя из трибологических условий контакта системы
- Исследование смазочной способности СОЖ на модельных установках
- Использование методики полнофакторного эксперимента при проведении исследования влияния СОЖ на процесс резания
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время большое внимание уделяется совершенствованию технологии механической обработки, повышению производительности и точности обработки деталей машин, повышению стойкости инструмента. Использование новых смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) на некоторых операциях обработки металлов резанием позволяет в 2-4 раза повысить стойкость инструмента, в несколько раз уменьшить высоту микронеровностей обработанной поверхности и остаточные напряжения, на 40-50% увеличить производительность обработки, снизить затраты энергии на резание.
СОЖ представляют собой сложные системы, качество которых оценивается по большому количеству параметров. В настоящее время нет общепризнанной теории, объясняющей многочисленные аспекты механизма действия СОЖ, не разработаны научные основы синтеза и подбора состава эффективных СОЖ. Выбор СОЖ выполняется, в основном, эмпирическим путем - на основе личного опыта специалистов или по результатам станочных испытаний. Такой метод подбора оптимального состава требует больших временных и материальных затрат и не гарантирует получения наилучших результатов.
Номенклатура СОЖ постоянно изменяется в связи с возрастающими требованиями по производительности и качеству обработки. Результаты испытаний различных СОЖ, проведенные с разными инструментальным и обрабатываемым материалами, трудно сопоставимы. Если при подборе инструментальных материалов достаточно учитывать два - три показателя (например, теплостойкость, твердость), то для СОЖ такие критерии не найдены.
Исследование сложных и многообразных процессов, происходящих в зоне резания, затрудняют большие градиенты температур и давлений в тонких поверхностных слоях, высокие скорости деформаций. Повышение технологической эффективности СОЖ является комплексной многокритериальной проблемой и выбранное направление исследования является актуальным.
Объектом исследования является СОЖ, используемые на машиностроительных заводах при обработке металлов резанием.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием научных основ процесса резания металлов, технологии машиностроения, физической химии и трибологии.
Экспериментальные исследования проводились на модельных установках, натурных стендах и металлорежущих станках. Достоверность результатов, полученных при проведении исследований, подтверждена теоретическими разработками и экспериментальными данными лабораторных и производственных испытаний.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• на основе системного подхода в работе выполнен комплексный анализ механизма действия СОЖ в процессе резания;
• предложена теоретическая модель, объясняющая механизм действия СОЖ в процессе резания;
• выполнены теоретические и экспериментальные исследования, позволяющие дифференцированно оценить режущие и смазочные свойства СОЖ.
Практическая значимость работы состоит в том, что предложена методика и разработаны методы комплексных испытаний, позволяющих разработчикам создавать новые эффективные составы СОЖ. Применение этих разработок позволяет существенно сократить время и материальные затраты на создание новых составов СОЖ.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе методики прошли проверку на АМО ЗИЛ и ОАО «ЭНИМС».
Теоретические результаты работы используются в учебном процессе МГИУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференции аспирантов и ученых МГИУ в Москве 2002 года и на 11 Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» в г. Пензе в 2002 году.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 4-х работах, общим объемом более одного п.л. (объем авторского текста -более 0,8 п.л.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и изложена на 118 страницах машинописного текста, включая 12 таблиц и 18 рисунков.
Содержание диссертации
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, представлены основные проблемы подбора эффективных СОЖ без проведения дорогостоящих станочных испытаний.
В первой главе рассмотрены различные смазочно-охлаждающие технологические средства, используемые при обработке металлов резанием, указаны области применения различных марок СОЖ на водной и масляной основе, составлено уравнение теплового баланса в процессе резания. Обзор показывает, что опубликовано большое количество работ, посвященных исследованию и внедрению серийно выпускаемых марок СОЖ на определенных операциях механической обработки. Эффективно ли применение этих составов на других операциях обработки металлов резанием, при использовании других инструментальных или обрабатываемых материалов, прогнозировать трудно, так как не предложены научно обоснованные универсальные критерии, позволяющие прогнозировать эффективность СОЖ. На основании выполненного обзора формулируются цель и задачи исследования.
Во второй главе рассмотрены теоретические основы повышения эффективности процесса резания за счет применения оптимальных составов СОЖ. Предложено уравнение, устанавливающее связь между заданной стойкостью режущего инструмента Ти, допустимым износом h и шероховатостью контактирующих поверхностей С = f{Rzl,RZ2). Отмечается целесообразность подбора компонентов по их функциональным свойствам, что позволит привлечь к разработке СОЖ больший контингент специалистов, занимающихся синтезом новых присадок для автомобильных, авиационных масел, для гидравлических жидкостей. СОЖ с хорошими режущими свойствами (эффект Ребиндера) обеспечивает уменьшение прочности тончайших поверхностных слоев обрабатываемого металла, сопротивление сдвигу и уменьшение силы резания.
В третьей главе предложена методология подбора и разработки новых составов СОЖ. Приведены результаты количественной оценки на модельных установках (по ГОСТ 9490-75 ) смазочных свойств СОЖ и некоторых присадок, отобранных для использования в новых составах СОЖ. Понижение температуры на площадке контакта стружки и плоской поверхности резца рекомендуется рассчитать по формуле Релея, а конвективный теплообмен между поверхностью инструмента и СОЖ - по числу Нуссельта.
В четвертой главе описываются методы экспериментального исследования СОЖ на металлорежущих станках, которые проводились с использованием методики полного факторного эксперимента. Для дифференцированной оценки режущих и смазочных свойств СОЖ в МГИУ был разработан и изготовлен стенд, позволяющий проводить эксперименты, используя меньше одного литра СОЖ. Для перевода эмульсии в метаста л бильное состояние и повышения ее стабильности разработана конструкция механического активатора.
Работа выполнена на кафедре «Технология и металлорежущие системы автомобилестроения» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный индустриальный университет (ГОУ МГИУ).
Выбор СОЖ по заданным технологическим, экономическим и эксплуатационным критериям
Выбор СОЖ при разработке технологии обработки заготовок из различных материалов осуществляется исходя из конечной цели обработки, которую необходимо обеспечить по заданным технологическим, экономическим и эксплуатационным критериям. К технологическим параметрам относятся: достижение требуемой точности обработки, которая обеспечивается снижением сил резания и трения в зонах контакта заготовки и инструмента, лучшим размещением стружки в канавках многозубых инструментов и лучшим удалением из зоны резания стружки и абразивных частиц, что способствует уменьшению деформации заготовки и инструмента; обеспечение заданного качества обработанной поверхности: уменьшение ее шероховатости, глубины и интенсивности наклепа; снижение интенсивности размерного износа инструмента. К экономическим критериям относятся: увеличение стойкости инструмента и сокращение его расхода вследствие уменьшения интенсивности изнашивания; повышение производительности труда на операции в результате увеличения предельно допустимой подачи и скорости резания. Выбор состава СОЖ зависит от обрабатываемого материала, выполняемой операции, требований, предъявляемых к качеству обработанной поверхности (шероховатость, микротвердость и др.), материала, гео метрии режущего инструмента, режимов обработки и связанной с ними температуры в зоне резания. Результаты экспериментальных испытаний СОЖ на металлорежущих станках рассматриваются во многих работах российских и зарубежных исследователей [7, 8, 18,21, 22,25, 34, 56 и др.]. Водные СОЖ обладают лучшими охлаждающими и санитарно гигиеническими свойствами. Они хорошо зарекомендовали себя при обработке заготовок на высоких скоростях резания, когда температура в зоне резания близка к температуре теплостойкости режущего инструмента. Для черновой обработки металлов резанием с пониженными скоростями резания (с меньшей интенсивностью тепловыделения), но с большими удельными нагрузками на режущую кромку, во многих случаях выбираются СОЖ, обладающие пониженными охлаждающими и улучшенными смазочными свойствами (минеральные масла с противоизносными и противозадирными присадками) [62].
Черновая обработка чугуна на станках большей частью проходит всухую. При чистовой и фасонной обработке чугуна (развертывание, протягивание, нарезание резьбы, обработка зубьев и т.п.) применяют маловязкие масла и даже керосин [62]. Применять керосин не рекомендуется из-за его высокой пожароопасности.
При чистовой фасонной обработке, совершаемой с малыми и средними скоростями резания, обычно применяют 2 -5 % эмульсии. С повышением скорости резания и подачи происходит ухудшение условий проникновения СОЖ в зону контакта инструмент-заготовка и влияние СОЖ на выходные технологические параметры уменьшается.
Тепловыделение при обработке хрупких материалов (чугунов) меньше, чем при обработке пластичных (сталей). Поэтому наблюдаемое повышение стойкости от применения СОЖ при обработке чугунов несколько меньше, чем при обработке сталей [62]. При обработке заготовок инструментами из быстрорежущих сталей в СОЖ могут добавлять химически активные компоненты, которые значительно уменьшают адгезионное взаимодействие контактирующих поверхностей инструмента и заготовки, температуру в зоне резания, размеры и устойчивость нароста. Однако стойкость инструмента при применении химически активных жидкостей может уменьшаться. Это объясняется тем, что химически активные компоненты, введенные в СОЖ, повышают износ рабочих поверхностей инструмента в результате образования менее прочных, чем инструментальный материал, химических соединений на рабочей поверхности инструмента.
Проведенные экспериментальные исследования [53, 62] показывают, что интенсивность износа инструмента в значительной степени зависит от скорости резания. Причем, закономерность износа для различных случаев сочетания материалов заготовки и инструмента сохраняется. С увеличением скорости резания интенсивность изнашивания сначала уменьшается, а затем, достигнув минимума, возрастает.
На выбор СОЖ значительное влияние оказывают физико-химические процессы на поверхностях контакта стружки с поверхностями заготовки и инструмента. Применение СОЖ сопровождается полным или частичным вытеснением атмосферного воздуха из зоны резания и снижением доли его участия в контактных взаимодействиях. Результаты исследования свойств воздуха и его влияния на действие СОЖ подробно освещены в работе [34]. Резание в вакууме ухудшает условия взаимодействия материалов заготовки и инструмента. В работе рассмотрено, при каких условиях применение СОЖ способствует уменьшению схватывания и уменьшению пластичности обрабатываемого металла. В работах [7, 36] показано, что достичь полного перевода трения в режим граничной смазки можно только при очень низких скоростях резания (менее 0,1 м/мин), не используемых в практике обработки резанием. В реальных условиях обработки заготовок такие скорости резания не применяются.
Масляные СОЖ с химически активными присадками широко используются при сверлении (особенно глубоком), токарно-автоматных работах, протягивании, зубонарезании, резьбонарезании метчиками. Они применяются на черновых технологических операциях, которые отличаются высокой теплонапряженностью [47]. Роль масляных СОЖ возрастает при увеличении длительности операции и интенсивности процесса резания [18].
При оценке технологических свойств СОЖ для обработки металлов резанием одним из главных критериев являются скорость износа рабочих поверхностей режущего инструмента и его стойкость. При обработке углеродистых и легированных сталей применение эффективных СОЖ, по сравнению с резанием на воздухе, увеличивает стойкость резцов в зависимости от скорости резания до 2,5 раз и позволяет повысить скорость резания до 20% при сохранении постоянной стойкости резцов. Правильный подбор химически активных компонентов позволяет в несколько раз повысить стойкость инструмента: например, сравнительные испытания масляных СОЖ с химически активными компонентами МР-1У и сульфофре-зола показали, что МР-1У предпочтительна, поскольку она обеспечивает меньший химический износ и повышает стойкость инструмента в 2 - 2,7 раза.
Расчет стойкости режущего инструмента, исходя из трибологических условий контакта системы
В связи с тем, что процесс резания имеет сложную физико-механическую природу, целесообразно выбор оптимального режима резания производить с учетом процессов, происходящих на передней поверхности инструмента и прирезцовой стороне стружки, базируясь на достижениях современной трибологии.
В большинстве работ, опубликованных в российской и зарубежной печати, посвященных смазочно-охлаждающим жидкостям (СОЖ) для обработки металлов резанием, рекомендуется разработку новых более эффективных составов производить только по результатам их испытаний на металлорежущих станках.
Такой метод подбора компонентов требует большого количества новой СОЖ (примерно 100 - 400 литров) для заливки в станок. Он предполагает, что специалист, занимающийся созданием нового состава, хорошо знает специфику различных операций обработки металлов резанием. На наш взгляд, на первых этапах разработки нового состава СОЖ подбор компонентов целесообразно производить по их функциональным свойствам, что позволит привлечь к разработке СОЖ большой контингент специалистов, занимающихся синтезом новых присадок для автомобильных, авиационных масел, гидравлических жидкостей.
Механизм действия СОЖ многообразен. Поэтому необходимы глубокие всесторонние исследования сложного комплекса различных явлений с использованием оригинальных методик и установок. Специалисты по резанию металлов оценивают эффективность СОЖ для обработки металлов резанием по результатам их испытаний на металлорежущих станках. В процессе сравнительных испытаний анализируется влияние СОЖ на стойкость инструмента, шероховатость обработанной поверхности, силу резания, остаточные напряжения, проверяется возможность увеличения режимов резания.
В настоящее время нет общепризнанной теории, объясняющей многочисленные аспекты механизма действия СОЖ. Исследование сложных и многообразных процессов, происходящих в зоне резания, затрудняют большие градиенты температур и давлений в тонких поверхностных слоях, высокие скорости деформаций.
Различают технологические, функциональные, санитарно-гигиенические, эксплуатационные, экологические свойства. Технологиче-ске свойства СОЖ оценивают по выходным показателям процесса обработки детали на металлорежущих станках: минимально допустимому машинному времени, качеству поверхности обработанной заготовки, износу режущего инструмента и т.п. Экологические свойства СОЖ влияют на окружающую среду, при этом учитывается возможность их регенерации и утилизации.
Функциональные свойства - режущие, смазывающие (противоиз-носные, противозадирные), смачивающие, проникающие, охлаждающие, моющие, антикоррозионные - проявляются в: уменьшении износа инструмента и сил резания (смазочное действие); снижении прочности поверхностных слоев обрабатываемого металла (режущее действие - эффект П.А. Ребиндера); проникновении в зону резания (проникающие); снижении температуры заготовки и инструмента (охлаждающее действие); удалении продуктов резания и износа из зоны обработки (моющее действие); уменьшении амплитуды и частоты колебаний инструмента и заготовки (демпфирующее действие); предотвращении коррозии заготовки и деталей металлорежущих станков (антикоррозионное действие).
Разработчикам новых составов легче ориентироваться не на технологические, а на функциональные свойства СОЖ, так как их можно оценить не только в процессе обработки заготовок на станках, но и косвенным образом - на приборах и установках, позволяющих без снятия стружки моделировать процессы, происходящие в зоне резания.
Количественная оценка целого ряда функциональных свойств на модельных установках регламентируется в России и за рубежом специальными стандартами. Проведение достоверных испытаний функциональных свойств СОЖ является важным этапом процесса направленного выбора высокоэффективных составов. К сожалению, в большинстве печатных работ по СОЖ, или вообще не рассматриваются их функциональные свойства или отсутствуют сведения об их количественной оценке -приводятся лишб качественное описание влияния функциональных свойств на процесс обработки.
Следует отметить, что значительная часть исследователей и фирм, занимающихся разработкой новых составов масел, например, для двигателей или коробок передач, отрицательно относится к возможности ранжирования масел по результатам модельных испытаний. Однако до 70 процентов опубликованных работ содержат результаты таких испытаний, проведенных на этапе предварительных исследований [83].
Улучшение смазывающих свойств СОЖ обеспечивает снижение сил трения опорной поверхности стружки о переднюю поверхность инструмента и задних поверхностей инструмента о заготовку, снижает общее количество тепла, которое выделяется при резании.
Смазывающее действие СОЖ препятствует наростообразованию на рабочих поверхностях инструмента, в результате чего снижается шероховатость обрабатываемой поверхности заготовки, повышается точность обработки. В качестве примера приведем работу [68], объясняющую более высокую эффективность рекомендуемого состава СОЖ противоиз-носным действием химически-активных компонентов, которые, «создавая устойчивые защитные пленки на рабочей поверхности инструмента, снижают абразивный и адгезионный износ». Практика показывает, что чем больше скорость резания и толщина среза, тем ниже положительное влияние СОЖ на процесс стружкообразования.
Механизм смазывающего действия СОЖ подробно рассмотрен в работах [4-7]. Суть смазывающего действия СОЖ состоит в уменьшении реакционной способности образуемых в процессе резания ювенильных поверхностей; снижении количества и прочности адгезионных связей между контактирующими поверхностями; в уменьшении площади (длины) контакта стружки с передней поверхностью инструмента и в образовании граничной пленки, защищающей поверхность контакта обрабатываемого и инструментального материалов от физико-химической и механической деструкции.
Значительный вклад в научное понимание физики явлений трения и изнашивания внесли российские ученые В.Д. Кузнецов, И.В. Крагельский, Б.И. Костецкий, А.С. Ахматов, Н.А. Буше, Н.Н. Давиденков, Ю.С. Терми-насов, И.А. Буяновский, а за рубежом - Д. Арчард, Ф. Боуден, Д. Тейбор, Т. Кун и др.
Исследование смазочной способности СОЖ на модельных установках
Для количественной оценки смазочных свойств СОЖ целесообразно использовать машины трения. В настоящее время различными стандартами предлагается многочисленные параметры, позволяющие оценить важнейшие трибологические характеристики, характеризующие противоиз-носные и противозадирные свойства, температурную стойкость смазочных слоев. Эти параметры не в одинаковой степени характеризуют смазочную способность СОЖ. Например, ГОСТ 23.002-78 "Обеспечение износостойкости изделий. Трение, изнашивание, смазка. Термины и определения" рассматривает 13 видов изнашивания, имеющих различную химическую природу: усталостное изнашивание, изнашивание при заедании и т.д.
Для определения трибологических характеристик СОЖ мы считаем целесообразным использовать машины трения скольжения с точечным контактом, позволяющим развивать более высокие давления, чем при линейном контакте. Выбор машины трения скольжения, а не качения объясняется тем, что стружка скользит, а не катится по передней поверхности инструмента. По ГОСТ 9490-75 противоизносные и противозадирные свойства определяют на четырехшариковой машине трения по критической нагрузке Рк, нагрузке сваривания Рс, индексу задира И3 и показателю износа Du.
Влияние смазывающих свойств минерального масла без добавок и с присадками на стойкость сверел диаметром 5 мм из стали Р6М5 при обработке стали 45 с постоянным осевым усилием приведены в таблице 3.2 [61]. Скорость резания 33 м/мин, предельно допустимый износ по задней грани 0,3 мм.
Критическая нагрузка Рк характеризует способность смазывающего материала предотвращать быстрое изнашивание трущихся поверхностей. Нагрузка сваривания Рс характеризует предельную работоспособность смазочного материала. Это минимальная осевая нагрузка, вызывающая сваривание шариков (имеется в виду условное сваривание, при котором крутящий момент на шпинделе становится больше установленного).
Показатель износа Du характеризует противоизносные свойства исследуемого материала. Индекс задира И3 - безразмерная величина, которая показывает способность смазочного материала снижать изнашивание трущихся поверхностей при изменении осевой нагрузки от начальной (0,196 кН) до нагрузки сваривания.
В ряде опубликованных работ трибологические свойства жидкостей оценивают по коэффициенту трения в парах металл - металл или металл -абразивный инструмент. Следует отметить, что многие ученые отрицательно относятся к подбору эффективных составов жидкостей, в частности моторных и трансмиссионных масел, по их трибологическим характеристикам, полученным на основе испытаний на модельных установках. Однако широкое применение машин трения при разработке новых составов масел свидетельствует о целесообразности их использования. Подбор СОЖ с учетом их трибологических характеристик, полученных на машинах трения, поможет использовать при разработке СОЖ присадки, предназначенные для гидравлических жидкостей, моторных масел и т.п.
Проведенные нами модельные и станочные испытания более десяти составов водных и масляных СОЖ показали, что наиболее информативным показателем с точки зрения стойкости инструмента является не коэффициент трения, а нагрузка сваривания Рс, которая определяет предельную работоспособность смазочного материала. Она определяется по минимальной нагрузке, вызывающей сваривание шаров (имеется в виду условное сваривание, при котором крутящий момент на шпинделе становится больше установленного).
Были проведены специальные исследования по количественной оценке смазочных свойств СОЖ на четырехшариковой машине КТ-2, разработанной в Институте Машиноведения Академии Наук России (ИМАШ). На этой машине шпиндель вращается со скоростью 1 об/мин, чтобы избежать фрикционного нагрева. СОЖ нагревается от внешнего источника тепла. Опыты показали, что при увеличении температуры СОЖ с 20 до 100 С коэффициент трения возрастает в 1,77 - 3,25 раза, для масляных СОЖ коэффициент трения возрастает в меньших пределах - в 1,55 -1,67 раза. Дальнейшие испытания этих же СОЖ на металлорежущих станках не показали какой-либо связи между коэффициентом трения и технологической эффективностью СОЖ.
Более надежно на модельных установках противоизносные свойства СОЖ можно проконтролировать, измеряя износ шариков на четырехшариковой машине трения в течение одного - двух часов, создав постоянную осевую нагрузку на шпиндель. Эксперименты показали, что наименьший износ шариков имел место при использовании присадок Fenom и трибополимеробразующей присадки ТПТ. ТПТ улучшает приработку контактирующих поверхностей, образует на них полимер трения, который не содержит таких химически активных элементов, как сера, фосфор, хлор.
После дополнительных испытаний на металлорежущих станках нами была рекомендована трибополимеробразующая присадка для использования в качестве компонента СОЖ. В настоящее время ведутся перего воры с Институтом машиноведения АН России о цеховых испытаниях этой присадки на ЗИЛе.
Известно, что на выбор СОЖ оказывает влияние химический состав инструментального и обрабатываемого материалов. Для контроля смазочных свойств СОЖ при трении различных сочетаний инструментального и обрабатываемого материалов можно использовать машины трения, работающие по схеме «вращающий диск - неподвижный палец». Последняя схема выбрана по той причине, что диск или палец легче изготовить, чем шарики.
С точки зрения повышения стойкости режущего инструмента важное значение имеет максимальная (критическая) температура, при которой сохраняется работоспособность СОЖ. Она зависит от температуры десорбции атомов и молекул, входящих в её состав. Эксперименты показали, что одной из наиболее информативных характеристик смазочных свойств СОЖ является наблюдаемая энергия активации Еа процесса разрушения граничного смазочного слоя, которая характеризует способность смазочного материала образовывать прочные граничные слои, препятствующие металлическому контакту.
Использование методики полнофакторного эксперимента при проведении исследования влияния СОЖ на процесс резания
При проведении исследований процессов резания целесообразно использовать основы математической теории эксперимента. Планирование позволяет выбрать наиболее характерные или близкие к ним условия протекания сложных процессов, получить их математическую модель и значительно сократить объем экспериментальных исследований.
Получаемые значения результатов эксперимента, согласно правилам регрессионного анализа, кодируются в виде значений уровней переменных факторов, которые в нашем случае, например, отображены в уравнение (2.5). Чтобы исчерпать все возможные комбинации независимых переменных факторов X], х2, х3, ... , xit варьируемых на двух уровнях, за план эксперимента принимается полный факторный эксперимент типа 2й, где п — число независимых переменных. Если число переменных факторов принято к 3, то общее число исследуемых точек факторного пространства N=16.
Основываясь на том, что эмпирические значения у не связаны между собой, считаем, что ошибки эксперимента распределены нормально и имеют одинаковые дисперсии. Коэффициенты уравнения (38) определяются на основе эксперимен- тальных данных способом наименьших квадратов. Для облегчения решения получаемой при этом способе системы линейных уравнений применяется матричная алгебра.
Для упрощения расчетов матриц, превращения их в единичные, т.е. чтобы коэффициенты при у в системе линейных уравнений были равны +1,-1, произведем кодирование при помощи уравнения: Zj = 2(lnxi -lnximax)/(lnximax -1пхы„)+1, (39) где X; - значения варьируемых факторов (г,, є2, є3). Результаты кодирования сводятся в таблицу. После подстановки Z, вместо ХІ уравнение (39) принимает вид у = Ъ0 + b}Z,+ b2Z2 + b3Z3. (40) В каждой точке факторного пространства (к=1, 2, ..., N) проводится по три опыта, среднее значение которых обозначено)/. Коэффициенты апроксимирующей функции определяются по формуле: N . bt = l,Zaya/N. (41) k=l После подстановки числовых значений получим: у = Ъ0 +diZi + b2Z2 + b3Z3 + ... (42) Для оценки полученных результатов экспериментального исследования необходимо определить и проанализировать дисперсии, значимости коэффициентов bi и проверить адекватность постулированной математической модели. Оценка дисперсии производится по формуле: Sk2 = lf(m-l)Z(yi-y)\ (43) i=l где т — число испытаний в каждой точке факторного пространства.
В связи с тем, что физико-химические процессы в зоне резания, пластические деформации и тепловые явления связаны со скоростью резания нами было изготовлено специальное устройство, позволяющее нарезать резьбу с использованием различных СОЖ на вертикально-сверлильном станке и производить мгновенную остановку метчика. Крутящий момент от шпинделя станка передавался метчику через быстросменный патрон и специальный патрон, чека которого входила в шпоночный паз на хвостовике метчика. Две мощные пружины выталкивали чеку в заданный момент времени, и метчик мгновенно останавливался. Разъемные образцы для нарезания внутренней резьбы делались из двух плотно прилегающих шлифованных по поверхности стыка пластинок, которые зажимались в тисках. Плоскость разъема совпадала с осью метчика. После нарезания резьбы и остановки метчика образцы вместе с метчиком осторожно, чтобы не повредить корни стружек, извлекались из приспособления. Из них вырезались образцы шириной около 10 мм вместе со стружкой, которые заливались полистеролом или оловом. Микрошлифы металла изучался на микроскопе при увеличении от 30 до 300 раз и фотографировались.
Микрофотография сечения корня стружки, полученная при обработке стали 45 со скоростью резания 9 м/мин с использованием 5%-ной эмульсии ЭТ-2, показана на риснке 4.1. Обработка стали происходила в условиях интенсивного наростообразования. Опережающая трещина отсутствовала. Наименьшая скорость перемещения частиц - у поверхности передней грани. Вязкость деформируемого металла в граничном слое зависела от сил внутреннего трения.
Образование стружки при нарезании резьбы в ковком чугуне даже без использования СОЖ (рисунке 4.2.) происходило без застойных явлений на передней поверхности инструмента при скоростях резания 3, 9 и 27 м/мин. Большее завивание стружки из ковкого чугуна, т.е. меньшее значение ее радиуса, указывает на ее большую пластическую деформацию.
На поверхностях контакта режущего инструмента и заготовки образовывались прочные металлические связи и формировались мостики сварки. Течение металла в стружку происходило на поверхности металла, расположенной выше микронеровностей на передней поверхности инструмента с преодолением сил внутреннего трения. При появлении нароста высота микронеровностей возрастала в несколько раз.
