Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 27
1.1. Современные представления о механизме смазочного действия при лезвийной обработке металлов 27
1.1.1. Кинетический аспект смазочного действия СОТС 27
1.1.2. Адсорбция и ПАВ в процессе резания 29
1.1.3. Механохимия и трибохимия. Их роль при изучении процесса резания 35
1.2. Активация СОТС внешними энергетическими воздействиями...37
1.2.1. Проблема управления активностью СОТС 37
1.2.2. Основные теоретические предпосылки активации СОТС .37
1.2.3. Применение методов внешней энергетической активации при обработке резанием 39
1.3. Влияние кислорода на процессы граничного трения и резания металлов 44
1.3.1. Влияние состава внешней газовой среды на процессы трения и износа 45
1.3.2. Совместное действие кислорода и других компонентов СОТС 50
1.3.3. Применение СОТС в распыленном состоянии 54
1.3.4. Влияние перекисей на процессы резания и граничного трения 55
1.4. Пластичные СОТС для обработки металлов резанием 56
1.4.1. Состави структура пластичных смазок 56
1.4.2. Присадки и наполнители в пластичных смазках 58
1.4.3. Области применения и типы пластичных СОТС 59
1.4.4. Трибологические свойства пластичных смазок 61
1.5. Стекловидные и стеклообразующие смазочные компоненты 62
1.6. Выводы по результатам аналитического обзора, постановка цели и задач исследования 65
1.6.1. Выводы по аналитическому обзору 65
1.6.2. Формулирование цели и постановка задач исследования...67
2 Выбор материалов для исследования 69
2.1. Обрабатываемые материалы 69
2.2. Поверхностно-активные вещества 69
2.3. Неорганические перекисные соединения 71
2.3.1. Обоснование выбора присадок-перекисей 71
2.3.2. Физико-химические свойства перекисей 73
2.4. Галогениды 76
2.5. Стекловидные и стеклообразующие материалы 80
3 Теоретических основы конструирования СОТС, содержащих поверхностно- и химически-активные компоненты 86
3.1. Механохимический подход к проблеме СОТС 86
3.2. Роль кислорода и неорганических перекисей в процессах образовании химических пленок на контактных поверхностях при резании металлов 91
3.2.1. Влияние воды и кислорода на процессы образования химических пленок при резании металлов 91
3.2.2. Влияние добавок неорганических перекисей на процессы образования химических пленок 95
3.2.3. Рабочая гипотеза о синергизме поверхностно-активных и химически-активных присадок в составе СОТС 97
3.3. Мономолекулярная адсорбция при формировании смазочного слоя молекулами ПАВ 107
3.4. Дериватография 114
4 Основные экспериментальные методики 130
4.1. Модельные испытания на машине трения СМЦ-2 130
4.2. Измерение размерного износа режущего инструмента 131
4.2.1. Методика эксперимента 131
4.2.2. Статистическое определение достоверности результатов по измерению величины размерного износа 136
4.3. Методика оценки шероховатости обработанной поверхности.. 137
4.4. Методика измерения средней контактной температуры 138
4.5. Установка для одновременного измерения средней контактной температуры, компонент силы резания и размерного износа инструмента 140
4.6. Установка и методика для экспресс-диагностики трибологических характеристик СОТС с использованием конического индентора142
4.6.1. Конструкция установки 142
4.6.2. Теория метода 144
4.7. Методика трибологического испытания пластичных смазочных материалов путем имитации сверления 146
4.8. Методика исследования структуры изношенной поверхности инструмента рентгеновским методом 149
5 Разработка техники применения активации СОТС внешними энергетическими воздействиями 151
5.1. Термическая активация 151
5.1.1. Обоснование техники применения СОТС в парогазовом состоянии 151
5.1.2. Экспериментальные исследования паровой смазки 153
5.1.3. Интерпретация результатов эксперимента 158
5.2. Электрохимическая активация 159
5.2.1. Насадок с гальванопарами 159
5.2.2. Сопловой насадок для гальванической активации и аэрации СОТС 167
5.2.3. Сопловой насадок с дисперсной активирующей массой и ультразвуковой депассивацией гальваноэлементов 168
5.3. Устройство для механической активации СОТС путем диспергирования 171
5.4. Магнитная активация 173
5.5. Выводы по главе 5 176
6 Исследование влияния трибоактивных присадок на физико-химические и технологические свойства СОТС 177
6.1. Влияние присадок на физико-химические свойства СОТС 177
6.1.1. Электропроводность растворов ПАВ с присадками перекисей 177
6.1.2. Вязкость, электропроводность и рН 178
6.2. Влияние внешней среды на пластическую деформацию и разрушение обрабатываемого материала 182
6.3. Совместное использование ПАВ и перекисей в смазочных композициях 191
6.3.1. Исследование процесса трения фрикционной пары ВК8-12Х18Н10Т в среде ПАВ и с добавками неорганических перекисей 191
6.3.2. Модельные испытания смазочных материалов с использованием конического индентора 202
6.3.3. Исследование влияния ПАВ и неорганических перекисей на компоненты силы резания 204
6.3.4. Влияние концентрации ПАВ и неорганических перекисей на изменения силы резания, интенсивности изнашивания и средней контактной температуры 217
6.3.5. Исследование влияния износа резца на проекции силы резания и величину термо-ЭДС 243
6.3.6. Влияние ПАВ и неорганических перекисей на процесс стружкообразования 248
6.3.7. Влияние ПАВ и перекисей на величину наклепа обработанной поверхности и упрочнение стружки 263
6.3.8. Определение влияния ПАВ и неорганических перекисей на контактные процессы на передней поверхности режущего инструмента 267
6.3.9. Влияние ПАВ и неорганических перекисей на частоту образования элементов стружки 281
6.3.10. Влияние СОТС с присадками ПАВ и неорганических перекисей на шероховатость обработанной поверхности..285
6.4. Исследование влияния СОТС с присадками неорганических перекисей на износ режущего инструмента 291
6.4.1. Эксперимент при точении стали 12Х18Н10Т резцами со сменными пластинками из твердого сплава 291
6.4.2. Роль наростообразования в изнашивании твердосплавного инструмента 311
6.5. Влияние добавок перекиси водорода к водным растворам галогенидов на износ режущего инструмента и качество обработанной поверхности 314
6.6. Выводы по главе 6 325
7 Пластичные СОТС на основе ПАВ с трибоактивными присадками и наполнителями 329
7.1. Испытания стекловидных и стеклообразующих присадок и наполнителей 329
7.2. Пластичные СОТС на основе ПАВ с присадками 349
7.2.1. Пастообразные СОТС с присадками перекисей 349
7.2.2. Новые пластичные СОТС 352
8. Практическое использование результатов работы 361
8.1. Разработанные и усовершенствованные экспериментальные методики 361
8.2. Способы обработки, конструкции инструментов и устройств техники применения СОТС 362
8.3. Составы СОТС 363
8.4. Экологические результаты диссертационной работы 366
9. Обсуждение основных результатов работы и общие выводы 371
Литература 375
Приложения
- Применение методов внешней энергетической активации при обработке резанием
- Стекловидные и стеклообразующие материалы
- Роль кислорода и неорганических перекисей в процессах образовании химических пленок на контактных поверхностях при резании металлов
- Статистическое определение достоверности результатов по измерению величины размерного износа
Введение к работе
Развитие машиностроения связано с необходимостью применения новых конструкционных материалов со специфическими свойствами, такими как высокая механическая прочность, устойчивость к агрессивным средам, тугоплавкость, вязкость и другие. Обработка резанием новых металлов и сплавов оказалась весьма затруднительной, несмотря на значительные успехи, достигнутые в технологии резания, в изготовлении режущего инструмента, а также, несмотря на появление новых высококачественных инструментальных материалов. В связи с этим особое значение приобрела проблема разработки новых эффективных смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), применение которых позволяет повысить стойкость режущих инструментов, уменьшить шероховатость поверхности обрабатываемых деталей, повысить производительность процесса резания.
Большое разнообразие механических и физико-химических свойств металлов и сплавов, а также специфика различных видов механической обработки позволяет говорить о том, что наиболее эффективными являются специальные СОТС для обработки конкретных металлов и сплавов на определенных механических операциях. Однако условия современного машиностроительного производства не всегда позволяют применять специализированные СОТС. В связи с вышесказанным и с учетом получения наибольшего экономического эффекта в производстве СОТС сложились две тенденции: 1) производство многоцелевых (универсальных) СОТС в основном для мелкосерийного производства и 2) производство специальных СОТС для массового производства. Тем не менее, при высокой культуре и высоком техническом уровне производства применение обоих типов СОТС не исключает друг друга на предприятиях любого типа.
Процесс резания придает специфические особенности механизму действия внешней среды, что определяется высокими давлениями, значитель ным температурным полем, наличием ювенильных поверхностей, протеканием химических реакций, электрохимическими и адсорбционными процессами, высокими скоростями деформации и незначительным временем контакта стружки с режущим инструментом, диффузией компонентов смазочной среды, обрабатываемого и инструментального материа-лов.Используемые при обработке металлов резанием СОТС должны обладать высокой проникающей способностью, образовывать с большой скоростью химические и физически адсорбированные пленки достаточно эффективно разделяющие контактные поверхности и выдерживающие высокие давления в широком диапазоне температур, быть химически активными по отношений к обрабатываемому материалу и достаточно инертными — к инструментальному, не вызывать коррозию оборудования, легко удаляться с обработанной поверхности, быть нетоксичными, не обладать неприятным запахом, не терять рабочих свойств в течение продолжительного времени. Столь противоречивые требования, которые предъявляют к смазочному составу и отсутствие единой методики подхода к составлению рецептур СОТС говорит о сложности проблемы, необходимости совершенствования уже известных СОТС и изыскания новых возможностей формирования и применения СОТС.
В особую группу можно отнести окислительные СОТС, многочисленными исследованиями доказано значительное влияние кислорода на процессы резания и граничного трения. Проводятся работы по определению оптимальных концентраций кислорода в жидкостях. Однако практическое применение кислородосодержащих СОТС затруднено ввиду их интенсивного коррозионного воздействия на оборудование, оснастку и обрабатываемые поверхности. Попытки решить некоторые из перечисленных проблем, в частности, приводятся в настоящей работе.
Актуальность работы
Актуальность работы заключается в первую очередь в разработке теоретических положений, обосновывающих создание и оптимизацию состава смазочных композиций, содержащих поверхностно- и химически активные компоненты. На этой основе производится конструирование эффективных и экологически безопасных составов СОТС для обработки резанием труднообрабатываемых материалов, разработка способов и устройств, обеспечивающих процесс активации СОТС внешними энергетическими воздействиями. Актуальным является также применение пластичных смазочных материалов для операций механической обработки, являющихся материалами «разового использования» и не требующих процессов их регенерации и утилизации. Применение в качестве трибоактивных компонентов СОТС недорогих и эффективных стекловидных и стеклообразующих присадок к пластичным смазкам также направлено на исключение из производственного процесса таких компонентов смазочных материалов, которые являются нежелательными в экологическом, санитарно-гигиеническом и медицинском отношении.
Научная новизна
1. Выдвинуто научное положение о механизме совместного действия ПАВ и химически активных компонентов СОТС, основанное на представлении о граничном смазочном слое композитного строения.
2. Обосновано оптимальное соотношение поверхностно- и химически активного компонента СОТС (ПАВ и кислородсодержащего соединения).
3. Предложено использование неорганических перекисей металлов в качестве химически-активного компонента СОТС.
4. Предложено и научно обосновано применение стекловидных и стеклообразующих компонентов в составе пластичных СОТС для резания металлов.
5. Дано обоснование процесса активации СОТС внешними энергетическими воздействиями с позиций механохимии и трибохимии.
Апробация работы
Результаты, изложенные в настоящей диссертации, были представлены автором на следующих научных конференциях, совещаниях и симпозиумах: Науч.-техн. семинаре «Обработка резанием труднообрабатываемых материалов», г. Пенза, ДНТП, 1980; Научно-технич. конф. «Автоматизация производственных процессов в машиностроении», Фрунзе 1986; Международной научно-технич. конф. «Состояние и перспективы развития электротехнологии» («Бенардосовские чтения») — 1987, 1991, 2001, 2003 гг.; Всесоюзном координационном совещания ГКНТ по проблеме СОЖ, г. Новгород, 1984; Всеросс. науч.-техн. конф. «Проблемы технологии машиностроения 2000 года». Н. Новгород, ННГТУ, 2000; Междунар. научно-практич. симпозиуме СЛАВЯНТРИБО-6, С.-Пб, 2004; Ивановском городском трибологическом семинаре при Ивановском гос. ун-те, 1988-2004 гг.; ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Ивановского гос. энергетич. ун-та, 1977-2004 гг.
Применение методов внешней энергетической активации при обработке резанием
Сведения в этой области представлены главным образом трудами двух отечественных научных групп, возглавляемых проф. В.Н. Латышевым (г. Иваново) и Л.В. Худобиным (г. Ульяновск). Несколько видов энергетического активационного воздействия на СОТС было исследовано в работах Л.В. Худобина и В.И. Котельниковой: термическая, ультразвуковая и световая активация в ультрафиолетовом диапазоне [257-259]. Методом ИК-спектроскопии было показано, что нагрев масла, содержащего присадку «хлорэф», приводит при определенной температуре к выделению активного компонента присадки [258].
Ультразвуковые колебания способны, по-видимому, оказывать не только чисто механическое воздействие, [188]. Как предполагают, мощный ультразвук может вызвать химическое разложение присадок [257] и даже способен разлагать молекулы воды [ПО], в результате чего усиливается окисление и химическая модификация поверхностей трения. О возможном «механическом» воздействии ультразвука говорится в ряде работ [94, 160, 176].
В статье [161] приводятся данные скоростной съемки о том, что УФ-колебания, подведенные к зоне резания, могут вызвать «периодический полный отрыв лезвия резца от обрабатываемого материала». Данные другой работы высказывают предположение, о том, что ультразвук разрушает паровую пленку, образующуюся вследствие кипения СОТС, и тем самым улучшает режим охлаждения [94]. Предполагают, что наложение УЗ-колебаний на подводимую к абразивному кругу СОТС предотвращает образование паровоздушных пузырьков в порах круга, вследствие чего стойкость круга повышается в 3-5 раз [114, 256]. В другой публикации делается акцент на аспекте очистки УЗ-колебаниями пор круга [146].
Было высказано предположение о том, что влияние ультразвука на химическое состояние среды сводится к разрушению слабых внутримолекулярных связей [36, 267]. Известны результаты исследований влияния ультразвука на температуру в контактной зоне [171] и микротвердость обработанной поверхности [182].
Известны случаи применения магнитной активации СОТС как при лезвийной, так и при абразивной обработке металлов [87]. Предполагается, что эффект омагничивания связан с изменением надмолекулярной структуры жидкости. Эти изменения подтверждаются в экспериментах по изменению краевых углов омагниченных СОТС на поверхности металлов [72].
Омагничивание чистой воды приводило к повышению смачиваемости металла, а для водомасляных эмульсий, даже в малой концентрации, этой явление не было обнаружено. Видимо, следует считать, что предполагаемый эффект упорядоченности молекул воды нарушается в растворе или в дисперсной системе. [165, 257].
Попытку применения магнитной активации водных СОТС предприняли В.Н. Латышев и Н.Ф. Сучков [229]. Ими было исследовано влияние магнитной обработки водных растворов неорганических солей и ПАВ на проникающую способность ионов, вязкость, электропроводность и поверхностное натяжение жидкости. Активация проводилась системой постоянных магнитов. Было отмечено, что для разных составов СОТС влияние омагни-чивания проявляется по-разному. Действие магнитной обработки на силу резания оказалось неоднозначным. Отклонение сил резания в результате активации были как положительными, так и отрицательными и не превышали 20%.
Большая эффективность омагничивания СОТС была обнаружена Е.М. Булыжевым для случая абразивной обработки [46, 229]. Наряду с изменением физико-химических свойств жидкости, автор обнаружил магнитную коагуляцию шлифовального шлама. Воздействие магнитного поля приводило к повышению качества очистки эмульсии от загрязнений и улучшало показатели шлифования. Положительные результаты от наложения магнитного поля на СОТС были также получены В.Н. Макаровым с сотр. [154], а также А.С. Серебряниковым [210].
Обработка СОТС ионизирующими излучениями исследована относительно слабо, и это можно объяснить существующей здесь проблемой радиационной безопасности. По этой причине широкого внедрения таких методов в практику металлообработки, видимо, ожидать не следует, хотя изучение ионизационной активации безусловно является полезным в научном аспекте. В качестве примера исследования этого типа активации можно указать на работу Э.А. Умарова и др. [242] о влиянии гамма-облучения на износ резцов и шероховатость обработанной поверхности. Радиационной активации посвящена также работа Г.Н. Мещерякова с сотр. [164]. Авторы считают, что ионизирующее облучение обрабатываемого металла способствует своеобразному проявлению эффекта Ребиндера [163].
Электрические методы активации СОТС различаются способами подвода электроэнергии к объекту, интенсивностью воздействия и разными возможностями регулирования активирующего воздействия. Электрообработка СОТС особенно применима к дисперсным средам с жидкой полярной и неполярной дисперсионной средой. Так, можно концентрировать частицы у поверхности металла, вызывать их укрупнение в результате агрегирования, ускорять седиментацию и отделять от дисперсионной среды. Такова специфика активации коллоидных систем [77].
В начале 1960 годов М.Б. Гордон и В.В. Подгорков обнаружили эффект самопроизвольной электризации мелких капель СОТС, диспергированных воздушной струёй. Это явление было привлечено для объяснения повышения эффективности распыленных жидкостей по сравнению с обычным поливом [6, 116, 187].
Стекловидные и стеклообразующие материалы
Присадки стекол и стеклянных шихт использовались в составе СОТС при испытаниях в модельных условиях на трибометре, имитирующем процесс трения сверла о заготовку (см. разд. 4.7). В рабочую зону трения вводили модельные составы пластичных смазочных материалов с присадками и наполнителями. На первом этапе модельных исследований был выбран широкий спектр модельных составов СОТС: 1. С-5 (100% концентрация) 2. Паста для механической обработки металлов «КСОАМ», разработанная автором настоящей работы [20]. 3. С-5+ 50% добавка смеси оксидов Ві203, Мо03, Мп203, СоО. 4. Легкоплавкие стеклообразующие системы следующих составов:
Для стекол и шихт, перечисленных выше и выбранных в качестве модельных присадок для использования в поверхностно-активных пастах, важным параметром является температура их плавления. Мы предположили, что с трибологических позиций было бы предпочтительным, чтобы материал присадки находился бы в зоне резания в расплавленном состоянии. Это, во-первых, повышало бы проникающую способность такой среды, а во-вторых, следует ожидать, что в твердодисперсном состоянии эти компоненты могут обладать лишь абразивным действием, что было бы неблагоприятным для процесса трения. По этой причине выбор конкретных материалов производился с учетом температуры плавления этих порошков. Информация о температуре плавления является полезной и для интерпретации результатов испытаний данного типа присадок (табл. 4-9, 4-10).
Механохимический подход к конструированию смазочных композиций состоит в учете влияния сил, напряжений и трения на процесс формирования и разрушения смазочного слоя, на состояние тонких поверхностных слоев металла, деформируемого в активных средах, в условиях ограниченного доступа этих сред, столь свойственного для процессов металлообработки. Слабость прежних моделей состояла именно в том, что они принимали во внимание, как правило, лишь одну какую-нибудь причину реакции, отвлекаясь от всего сложного процесса диссипации энергии, что неминуемо вело к противоречиям при попытках обобщения модельных представлений. В последние десятилетия эта область науки расширилась в самых различных направлениях. Она включает, например, реакции, вызванные кавитацией в жидкостях, реакции в ударных волнах и т. д.
Однако механические воздействия играют совершенно особую роль, когда речь идет о химических реакциях, в которых участвует хотя бы один твердый компонент, Наиболее важны среди них реакции, происходящие в процессе измельчения, истирания и при смазке. Для этой специальной области предложено название «трибохимия», которую можно определить следующим образом: трибохимия — это раздел трибологии, изучающий взаимодействие контактирующих поверхностей с химически-активной средой при трении [217].
Процессы перемешивания жидких сред и измельчение твердых материалов способствуют протеканию различных физико-механических и физико-химических процессов. Физико-химические процессы, сопровождающие механическое воздействие на обрабатываемый материал, обычно оцениваются его активностью. Активность среды можно рассматривать как результат протекания первичных и вторичных процессов, развивающихся как на поверхности, так и в объеме обрабатываемого материала. К ним относятся: процессы деформации и разрушения, инициированные кратковременным локальным внутренним нагревом с образованием активных фаз, процессы, спровоцированные внутренним тепловым толчком и напряженным состоянием, химические реакции, сопровождающие вторичные процессы, релаксационные процессы направленные па изменение внутренней энергии обрабатываемой среды.
Измельчение твердых материалов сопровождается процессами деформации. Ф. Боуден с сотр. [273] установил, что при деформации среды температура в локальных микрообластях сдвига повышается до 1500 Однако время существования таких высоких температур очень мало.
И. Эшелби и П. Пратт [278] показали, что существенное повышение температуры в деформируемом и разрушаемом теле достигается только в том случае, когда скольжение сдвиговых слоев одновременно направлено по многим плоскостям. Такая картина, по мнению авторов, наблюдается при больших скоростях деформации, в результате которого инициированная температура близка к температуре плавления или парообразования.
Согласно гипотезе Дубова [91], в области интенсивного сдвига отдельные пары дислокаций с активными векторами Бюргерса способны аннигилировать с восстановлением совершенно новой структуры, выделяя при этом энергию порядка энергии дислокаций. Разрушение структуры сопровождается выделением другой энергии — «поверхностной», которая также превращается в тепло. Оценка величины температурного поля, возникающего на поверхности разрушения, проведена П Фоксом. [280] путем определения количества продуктов разложения при разрушении термически неустойчивых материалов.
Фазовые переходы, происходящие при диспергировании, сопровождаются появлением высоких давлений. Рядом исследователей [276, 277, 288] установлено, что на поверхности трущихся тел, кроме высоких температур, развиваются достаточно большие давления, достигающие значений (10...18)-10 Па. Эти давления, так же как и температуры, рассматривают как эффективные, так как это в конечном итоге приводит к изменению структуры и образованию вакантных мостиков в кристаллической решетке твердого тела. Увеличение числа вакансий в кристаллической решетке при деформации и разрушении среды изменяет ее проводимость (эффект Степанова А.В. [296]). Аномальное ускорение деформации наблюдается при знакопеременном нагружении металлов [296]. Установлено, что диффузионная подвижность в металлах при импульсном механическом нагружении плотных решеток выше, чем у рыхлых. Авторы полагают, что аномальное ускорение диффузии вызвано разной скоростью возрастания точечных дефектов в кристаллах, возникающих при движении дислокаций в процессе пластической деформации материалов. Изменение физических и химических свойств обрабатываемой среды связано с перераспределением координационного числа и изменением межионных расстояний. Механическая активация среды вызывает нарушение геометрии близлежащего окружения ионов, приводит к снижению энергии электростатического взаимодействия между ионами и создает благоприятные условия для повышения химической активности.
Установлено [39-41], что скорость протекания механохимических реакций непосредственно в условиях механического взаимодействия имеет место, когда хотя бы один из компонентов смеси находится в механически активированном состоянии. При деформировании, диспергировании и трении тел возникает весьма интенсивная люминисценция.
Роль кислорода и неорганических перекисей в процессах образовании химических пленок на контактных поверхностях при резании металлов
Вода и кислород — непременные компоненты окружающей среды при резании, в качестве СОТС применяется чистая, свободная от примесей вода, возможно протекание нижеприведенных физико-химических процессов. Попадая в зону резания или области, к ней примыкающие, вода нагревается и переходит в газообразное состояние, выделяя растворенный кислород. Другие газообразные компоненты воздушной среды, растворенные в воде, ввиду их малой химической активности в отношении процесса резания, рассматриваться не будут.
Смесь паров воды и кислорода, способная проникнуть достаточно глубоко в зону резания, подвергается воздействию электронов, эмиттируемых со свежеобразованных металлических поверхностей, и каталитическому действию разогретых металлов или их соединений. В результате этого смесь водяного пара и кислорода частично изменяет свой состав и химическую активность. Взаимодействие паров воды и кислорода с электронами можно описать следующими уравнениями [139, 142]: где Ї — электрон, эмиттируемый ювенильной поверхностью стружки; Н20, 02 — возбужденные молекулы воды и кислорода.
При условии адсорбции воды на поверхности твердого тела и молекулярного кислорода, находящегося в основном состоянии, может происходить присоединение к нему одного электрона с образованием однозарядного отрицательного иона 02 [66]:
Действие электрона на ион 0 2 приводит к образованию двухзаряд-ного иона О2 , входящего в состав перекисей. Ион 02 обладает меньшей прочностью, чем молекула кислорода, еще менее прочен ион 02 , что можно видеть из табл. 3-1.
Однако, чем выше температура в контактной зоне, тем менее вероятно образование ионов 02 02 и более вероятна реакция (3-3). При взаимодействии перекиси, образовавшейся по реакции (3-2), с парами воды, окислами переходных металлов и металлическими поверхностями, происходит ее распад с выделением кислорода в активной форме.
В итоге в зоне резания имеются пары воды и молекулы кислорода в «обычном» и активном состоянии.
Вода, являясь сильным полярным адсорбатом, играет важную роль в случае поверхности ионных твердых тел. При адсорбции воды, которая идет обычно очень интенсивно, на поверхности образуются гидроксильные группы ОН, что существенно влияет на химические и электронные свойства материала [169]. На чистой поверхности большинства элементарных твердых тел адсорбированной воды не очень много, но после формирования первого окисного слоя, происходящего под действием активного кислорода, начинается притяжение воды.
Связывание воды может происходить различным образом. В кристаллическом поле иона переходного металла к ее связыванию, но не сильному, обычно приводит поляризация молекулы воды в электрическом поле поверхности ионного твердого тела.
Адсорбция воды на окислах или других многовалентных ионных твердых телах оказывается энергетически предпочтительной, поскольку в результате граница кристалла покрывается одновалентными группами в согласии с правилом валентностей Л. Полинга [189]. С энергетической точки зрения является более логичным то, что поверхность ионного твердого тела покрыта слоем полярных молекул, которые могут ориентироваться таким образом, чтобы нейтрализовать поверхностные электрические поля.
Химическая активность поверхности твердого тела сильно зависит от наличия или отсутствия на ней воды [189]. Если на поверхности твердого тела адсорбируются несколько монослоев воды, то такая поверхность легко подвергается воздействию каких-либо коррозионных агентов, которые могут вступать в химические реакции с твердым телом. Примером этого могут служить прежде всего галоиды, которые практически не проявляют химической активности к металлам в отсутствие воды или водного пара. Даже воздействие наиболее активного из них — фтора — ограничивается лишь образованием плотной пленки фтористого соединения, которая предохраняет металл от дальнейшего разъедания [173].
Хорошо согласуются с вышеприведенным данные по коррозионному воздействию хлоридов на аустенитные нержавеющие стали, находящиеся в напряженном состоянии [149]. В данной работе указывается, что необходимым условием коррозионного воздействия хлоридов является наличие кислорода, причем наибольшая коррозия наблюдается при определенных оптимальных соотношениях хлорида и кислорода.
В присутствии воды возможно также проявление поверхностью твердого тела электрохимической активности, так как окислители и восстановители в водной среде могут стать особенно активными, а неоднородность поверхности будет приводить к возникновению циркуляции потоков.
Статистическое определение достоверности результатов по измерению величины размерного износа
Для определения достоверности результатов по измерению величины размерного износа была проведена серия опытов по точению стали 12XI8H10T резцами оснащенными пластинками твердого сплава Т5К10 с 0,2% раствором С-5 в дистиллированной воде. При этом принимались все необходимые меры, указанные выше, для обеспечения равных условий проведения эксперимента. Величины многократно измеренных размерных износов hp (в мкм) составили выборку объемом п = 16: hp = 129; 118; 140; 133; 127; 121; 130; 122; 115; 118; 132; 128; 130; 128; 129; 128. Среднее выборки и стандартное отклонение составили соответственно
Рассчитываем величину относительной погрешности применяемого метода оценки износа, для чего используем параметр вариации для приведенной выборки измерений
Из опыта выполнения исследований износа режущего инструмента мы знаем, что реальный разброс результатов измерений при оценке износа по параметру фаски износа по задней поверхности составляет десятки процентов. Это дает нам возможность заключить, что использованная нами методика размерного износа является высоко достоверной и обладает гораздо большей надежностью, чем альтернативная методика оценки износа по задней поверхности.
Эффективным средством для улучшения качества обработанных поверхностей служит применение в технологических операциях СОТС. Применение СОТС при резании труднообрабатываемых материалов, как правило, улучшает качество обработанной поверхности, причем высота шероховатости падает с увеличением поверхностной и химической активности СОТС по отношению к обрабатываемому материалу [100].
В исследовании использовалась заготовка, имеющая несколько контрольных поверхностей 1 и канавки 2 для выхода резца в положение между опытами (рис. 4-3). Количество контрольных поверхностей равнялось количеству составов испытываемых СОТС. Это было необходимо для поддержания постоянной скорости и глубины резания. Замеры шероховатости обработанной поверхности производились в середине контрольного кольца в восьми точках, равномерно расположенных по периметру кольцевой поверхности.
Для увеличения достоверности результатов и исключения влияния износа режущего инструмента на разброс результатов измерения шероховатости, последнее контрольное кольцо протачивалось с эталонной СОТС, т. е. с жидкостью, с которой обработка велась на первом контрольном кольце.
Замеры всегда производились от одной и той же точки "О" помеченной на торце детали и в одном и том же направлении "А" напротив делительных рисок 3. Такой порядок замеров шероховатости обработанной поверхности был необходим для объективной оценки величины шероховатости, исключения погрешностей, вызванных изменениями жесткости системы СПИД. Величина шероховатости обработанной поверхности измерялась на профилометре модели 253 и профилографе-профилометре модели 201, профиль микронеровностей записывался в увеличенном масштабе.
Измерение контактной температуры в зоне резания производилось известным методом естественной термопары (рис. 4-4). Для этой цели цилиндрическая заготовка с помощью пластмассовых изолирующих вставок изолировалась от зажимных устройств станка, а выводящие контакты подводились к так же изолированному инструменту и к ртутному токосъемнику (рис. 4-5). Сигнал от заготовки к токосъемнику подавался по стальному стержню — контактному валу — внутри шпинделя станка. На торце контактного вала был укреплен контактный диск токосъемника. Такая конструкция позволяла до минимума снизить переходные сопротивления и получить достоверный и хорошо воспроизводимый сигнал. Регистрация сигнала производилась самопишущим прибором КСП-4. Токосъемник был закрыт плотным кожухом, необходимым для уменьшения выброса паров ртути в окружающую атмосферу.
Тарировку естественной термопары производили в лабораторной печи. Поскольку большинство экспериментов по исследованию влияния различных составов СОТС на температуру производилось в сравнительном плане, сравнивали большей частью не температуры, а величины термо-ЭДС, что позволяло избежать дополнительных погрешностей при тарировке.
Одновременное измерение средней контактной температуры, компонент силы резания и размерного износа инструмента является полезным с методической точки зрения, поскольку такой комплексный подход к эксперименту позволяет исключить погрешности, возникающие при применении другого инструмента и заготовки и несколько изменяющихся других условий обработки, которые неизбежно возникали бы в случае , если бы эксперимент выполнялся бы в две стадии. Схема установки изображена на рис. 4-6. В данной установке, помимо описанных выше методик регистрации размерного износа (см. разд. 4.2) и э.д.с. естественной термопары (см. разд. 4.4), реализовано измерение компонент силы резания с помощью универсального токарного динамометра УДМ-600.
