Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 12
1.1. Влияние смазочночэхлажцакяцих технологических сред на процесс обработки материалов резанием 12
1.2 Масляные ООТС 16
1.2.1. Влияние углеводородного состава основы масляных ООТПС на их физико-химические свойства 17
1.2.2. Особенности смазочного действия масляных ООТС 21
1.3. «І^нкциональньїеітрисадкикмасляшлмООТС 22
1.3.1. Пзвфхностно-активные присадки 24
1.3.2. Химически активные присадки 26
1.4. ТЬердые смазочные материалы 32
1.4.1. Общая характеристика твердых смазочных материалов 32
1.4.2. Твёрдые слоистые смазки. Мягкие металлы ГЬлимерные и
композиционные материалы 33
1.5. Влияние технологических сред на процесс сверления 35
1.6. Влияние технологических сред на процесс внутреннего резьбонарезания 37
1.7. Ф1алоцианиновые соединения и возможность их использования в качестве трибоактивных присадок 41
1.8. Выводы по авалитическому обзору 46
2. Задачи исследования ивыборобьектов для изучения... 48
2.1. Задачи исследования 48
2.2. Выбор объектов для изучения 49
3. Texhиkaпpи^mшияиpюлoraчeckш суспензий 53
3.1. Растворимость присадок гетероциклических соединении в минеральных маслах. 53
3.1.1. Природа растворимости твердой фазы в жидких средах 53
3.1.2. Способы интшсифжкации процесса растворения и диспергирования частиц присадок 56
3.1.3. Влияние углеводородного состава минеральных масел на растворимость соединений, используемых в качестве присадок 58
3.1.4. Исследование сптических свойств суспензий 59
3.Z Ультразвуковое диспергирование присадок 66
3.2.1. Физическая природа ультразвукового диспергирования твердых частиц в жидких средах 66
3.2.2. Определение режима ультразвукового диспергирования присадок в масле 68
3.2.3. Влияние ультразвукового диспергирования на гранулометрический состав частиц присадок 69
3.24. Седиментационныи анализ дисперсности суспензий 78
3.3. Реологические свойства суспензий присадок 81
3.3.1. Влияние вязкости на трибологические свойства ООТС 81
3.3.2. Вязкость суспензий 82
3.3.3. Мето дика измерения вязкости 84
3.4. Обсуждение результатов и выводы к главе 3 89
4.1. Исследование ттдабологаческих свойств масляных суспензии на минитрибометреТАУ-1 91
4.2. Наследование трибологических свойств масляных суспензий на машине трения СМЦ-2 99
5. Трибологические исследования масляных суспензий на операции сверления 106
5.1. Характерные особенности процесса сверления и применяемый режущий инструмент 106
5.2. Динамометрический стенд для трибологических испытаний ООТС при обработке материалов 107
5.3. Влияния режимов ультразвукового диспергирования на трибологические свойства масляных суспензий при сверлении 117
5.4. Исследование влияния режимов обработки на трибологические свойства масляных суспензий при сверлении 122
5.5. Механизмы смазочного действия масляных суспензий 132
5.5.1. Механизм твердой смазки 134
5.5.2. Формирование граничных смазочных слоев 136
5.5.3. Применение модели «микрокапельного взрыва» 138
5.6. Исшлгания режущего инструмента на стойкость 146
6. Триюлогачбскиерсслцдования масляных суспензий на операции резьбонарезания 151
б. 1. 3<арактерные особенности процесса внутреннего резьбонарезания и применяемый режущий инструмент 151
6.2. Влияние режимов обработки на трибологическую эффективность суспензий при резьбонарезании 157
Обсуждение результатов и общие выводы 165
Литература
- Влияние углеводородного состава основы масляных ООТПС на их физико-химические свойства
- Влияние технологических сред на процесс сверления
- Ультразвуковое диспергирование присадок
- Исследование влияния режимов обработки на трибологические свойства масляных суспензий при сверлении
Введение к работе
Развитие мепагоюобрабатывающей промьппленности характеризуется повышенными требованиями к качеству обработанных поверхностей, точности размеров и формы поверхностей деталей машин, высокой ітроизводительно-сти оборудования. Расширяется номенклатура конструкционных материалов, обладающих повышенными физико-механическими свойствами. Среди них можно выделить такие материалы, как нфжавеюшие, жаропрочные, коррозионно-стойкие, композиционные, порошковые, полимерные и др.
Повышение стойкости режущего инструмента остается одной из основных задач современного машиностроения. Г|ж возрастающем дефиците основных лепфующих элементов инструментальных материалов, таких как вольфрам, молибден, кобальт и др., решение этого вопроса во многом определяет эффективность процессов обработки металлов резанием. Существенное влияние на характер процессов резания материалов оказывают ООТС (смазочноч>хлаждаюшие технологические средства). Важным является как правильный выбор ООТС, так и способы их использования на металлорежущем оборудовании (техника применения).
В процессах обработки металлов резанием широко пгдаменяются ООТС на масляной основе. Важность проблемы разработки и применения новых масляных ООТС в машинс<лроительном производстве определяется не только эконсмической выгодой, но и тем, что устаревшие масляные ООТС, производимые ранее (например, сульфофрезол), не являются экологически безопасными.
Следует отметить, что за последнее время ассортимент масляных ООТС количественно и качественно изменился. Также значительно возросло их производство. Созданы высокоэффективные композиции с улучшенными технологическими свойствами. Цэименение ООТС выдвигается на первый план, когда создаются новые или совершенствуются существующие методы обработки резанием или появляются новые труднообрабатываемые материалы, как металлические, так и неметаллические. В этих случаях ООТС, с одной стороны, играет роль фактора, снижающего интенсивность силовой и тепловой напряженности процесса резания, а с другой, — роль средства, позволяющего своевременно удалять из зоны резания стружку и продукты износа инструмента, а также снизить вынужденные колебания технологической системы
Предметом настоящей работы является создание эффективных масляных ООТС для сверления и резьбонарезания — ответственных операций, для которых важно повысить их производительность при обеспечении надлежащего качества Эффективные ООТС должны обеспечивать на данных операциях хорошее смазочное, швстифицирующее, режущее и моющее действие. Немаловажное значение имеют также и экологические свойства ООТС.
В силу сложности геометрии и особенностей рабочего применения, сверла и метчики, как и другие осевые режущие инструменты, работают в сложных технологических условиях Для операций обработки отверстий осложнены проникновение ООТС в зону контакта и отвод стружки Всё это создаёт предпосылки для более глубокого изучения особенностей данных операций, разработки новых ООТС, применение которых позволило бы значительно повысить эффективность процесса резания.
Цри воздействии на зону резания различных ООТС происходит целый ряд сложных, взаимосвязанных физико-химических процессов, таких, например, как адсорбция, адгезия, і^азонасьіщение, всяникновение поверхностных трещин, облучение элементарными частицами, адсорбционное понижение прочности (эффект Ребиндера), термические, электрические, химические, электрохимические и др. процессы
Большой вклад в исследование вышеперечисзкнных процессов, происходящих в зоне резания, внесла Горьковская научная школа под руководством проф. МИ Клупшна и продолжающий ее традиции научный коллектив, работающий в Ивановском пх^университете под руководством проф. ЕН Латышева
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ
Применение эффективных и экологически безопасных СОТС позволяет уменьшить затраты на инструмент, повысить качество обрабатываемых изделий и производительность обработки. Кроме того, разработка и исследование новых типов функциональных присадок для ССЯС представляет собой особый научный интерес, связанный с физико-химическими механизмами действия этих компонентов, с техникой их применения. Тематика настоящей работы является важной ещё и по той причине, что для осевого быстрорежущего инструмента применение соответствующих СОТС является очень важным обстоятельством технологического процесса Хороший смазочный материал снижает вероятность поломки и износа осевого инструмента и, как слеяствие, уменьшает производственный брак и простой металлообрабатывающего оборудования. В силу изложенного тема настоящей диссертации является актуальной.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ tfe основании комплекса физико-химических и трибологических исследований предложить эффективные составы масляных СОТС, содержащих три-боактивные присадки гетероциклического типа, для операций обработки сталей сверлением и резьбонарезанием быстрорежущим инструментом.
НАУЧНАЯ НЭВИЗНА
Установлено, что применение исследованных присадок гетероциклической природы в составе СОТС на основе минерального масла позволяет повысить эффективность процесса сверления и резьбонарезания в углеродистых сталях.
Выявлено, что эффективность при обработке материалов резанием масляных ООТС с присадками гетероциклического типа можно повысить путем ультразвукового диспергирования присадок в масляной фазе.
Определены стимальные режимы УЗ-дитергирования исследованных смазочных композиций.
Установлено влияние концентрации и степени диспергирования гете-гюциклических присадок на кинематическую вязкость и оптическую плотность масляных суспензий.
ФАКТИЧЕСКАЯ ШЮЭСГЬ
Даны рекомендации по практическому использованию ООТС — масляных суспензий присадок гетероциклических соединений. Определены оптимальные концентрации присадок, режимы их УЗ-диспергирования. Успепшо прошли производственные испытания ООТС присадок органических соединений на ОАО <<ИВГЖМАШ> г. РЬанова
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные положения диссертационной работы докладывались на
Межвузовском семинаре «Физика, химия и механика трибосистем» 22-23 мая 2003 г. РЬаново, РЬановский гос. ун-г, X и XI Международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии (Бенардооовские чтения)»
2001 г., 2003 г. №аново, Ивдаовскийгос. энергетич. ун-т;
Международной научной конференции «Мэлодая наука — XXI веку» 19-20 апреля 2001 г. №аново, Ивановский гос. ун-г,
Научных конференциях Фестиваля студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодая наука в классическом университете» 15-19 апреля
2002 г., 21-25 апреля 2003 г. Иваново, №ановский гос. ун-г,
6-й Международной конференции «Молекулярная биология, химия и физика неравновесных систем» 27 мая - 2 июня 2002 г. Иваново - Плес, Ивановский гос. хим-тех. ун-т,
Всероссийской конференции «Современные проблемы машиностроения и транспорта» 8-10 октября 2003 г. Ульяновск Ульяновский гос. технич. ун-т,
Всерсюсийской научно-технической конференции «Цэоблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий» 9-10 сентября 2003 г. Рыбинск, Рыбинская гос. авиац тех-нологач. акад. V-ой Международной конференции по лиотрогшым жидким кристаллам. 22-25 сентября 2003 г. (РЬаново, ИїГУ).
ОСГОБГОЕтдРТЖАНИЕДИЗС^ ВГПР7ГУТ<^Т14ХПЕЧАТТЪ1ХРАБаГАХ
Березина ЕВ, ІІигоринСА Физико-химические и трибологические исследования присадок гетероциклической молекулярной структуры для масляных СОТС при резании металлов // Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. №аново, ИГЭУ, 2001, Т. 1. С 229.
ПигоринС.А Экстремальный характер изменения смазочного эффекта при резании металлов в зависимости от скорости резания // Молодая наука — ЗОЗвеку: Тез. докл. Междун. научн конф. Иваново, 19-20 апреля 2001г.: В 7ч. 4.6. Физика Маїематика №форматика №аново: №ГУ,
2001. С. 49-50.
3. Шигорин С. А Ихледование трибологических свойств ряда ССУТС при об работке материалов резанием // Молодая наука в классическом универси тете: Тез. докл. научных конф. Фестиваля студентов, аспирантов и моло дых ученых Иваново, 15-19 апреля 2002 г.: В бч. — Иваново: ИэГУ,
2002. —Ч. 3. С 66.
ЛатышевВ.Н, ШигоринСА О природе элгктрических явлений при трении и резании металлов // 6-я Междунар. конф. «Молекулярная биология, химия и физика неравновесных систем». Сб. статей. Иваново-Плэс, ИГХГУ. 27 мая-2 июня 2002 г., с. 196-200.
Березина ЕВ, Быкова RB, ЖарниковаНВ, УсольцеваНВ, Пиго-рин С. А Ихгледование физико-химических и триболэгических особенностей присадок гетероциклических соединений // Физика, химия и механика трибосистем: Межвуз. сб. научн. тр. / Пэд ред. ВН Латышева Іваново: Изд-во №ГУ, 2002 г., с. 91-93. ІІигоринСА Трибологические исследования масляных суспензий гетероциклических соединений. Молодая -наука в классическом университете: Тезисы докладов научных конференций фестиваля студентов, аспирантов и молодых ученых Иваново, 21-25 апреля 2003 г.: В 7 ч. РЬаново: РЬГУ, 2003. Ч 3. С. 98.
Годлевский В А , ЦЬгоринСА, Березина ЕВ Трибологические характеристики масляных суспензий гетеровдкличеоких соединений // №учно-иазіедоі*ательская деятельность в классическом университете: РЬГУ — 2003: Материалы научной конференции , №аново, 19—21 февраля 2003 г. —Иваново: №ан гос. ун-т, 2003, С. 14-16.
Икгорин С.А., Латышев ВН Влияние ультразвуковой активации масляных СОТС с присадками гетероциклических соединений на их трибологические свойства // Тез. докл. Междунар. научн.-техн. конф. «Состояние и перспективы развития электротежологии (Бенардосовские чтения)». Иваново, ИГЭУ, 2003. В2 т. Т. 2. С. 124.
9. Латышев ВН, ІІигоринС.А, Годлевский ВА, Березина ЕВ О возмож- ности использования ультразвука для диспергирования присадок и активации масляных СОТС // Современные проблемы машиностроения и транспорта- Материалы Всеросс. научно-технич. конф. (г. Ульяновск, 8-Ю октября 2003 г),—Ульяновск, УлГТУ; 2003, С. 48-53.
10. ІІигоринС.А, Годлевский В А, Березина ЕВ, Латышев ВН Фталоциа- ниновые соединения и возможность их использования в качестве трибоак- тивных присадок к СОТС // Тез. докл. Всеросс. научно-техн. конф. «Г|хь блемы определения технологических условий обработки по заданным по казателям качества изделий» Рыбинск, РГАТА 9-Ю сентября 2003 г.
И. Березина ЕВ, Годлевский В А, Клюев MB, ШігоринС.А Оэавнитель-ные исследования трибологических характеристик присадок — металло-полимерных комплексов и производных фталоцианина // «РЬвесгия вузов. Сер. химия и химическая технология», 2003 г., вып. 8, Т. 44.
12 ІІигоринС.А, Березина ЕВ, Латышев ВН Влияние режимов ультразвукового диспергирования масляных суспензий с присадками гетероциклических соединений на их трибологические свойства // Тез. докл. V Ме~ ждунар. научи конф. по лиотропным жидким кристаллам. РЬаново, №ГУ. 2003. С. 64.
Влияние углеводородного состава основы масляных ООТПС на их физико-химические свойства
ООТС на масляной основе широко применяются при различных операциях обработки материалов резанием. Они. обеспечивают большой эффект, особенно при обработке труднообрабатываемых сталей и сплавов, при тяжелых режимах обработки, при особых требованиях к качеству поверхности изделия.
Масляные ООТС ітредставляют собой очищенные нефтяные масла (нафтеновые или парафиновые) вязкостью при 5(9 С 2-40ш/с и индексом вязкости не менее 60 без присадок или с присадками различного функционального назначения. Минеральное масло в составе масляных СОТС может занимать 60-99 % масс. Иногда в качестве основы масляных СОТС используют синтетические и растительные масла или их смеси с нефтяными маслами.
Однако, несмотря на преимущества синтетических масел в технологических свойствах, из-за высокой стоимости этих масел их используют чаще в виде добавок к минеральным маслам, а не в качестве основы масляных ООТС [107, 154]. В некоторых случаях базовую углеводородную основу масляных СОПРС составляют из двух-трех минеральных масел
Цзи выборе базовых минеральных масел к ООТС учитывают, прежде всего, их физико-химические свойства (вязкость, индекс вязкости, групповой углеводородный состав) и обусловленные ими смазочные, антиокисзжгель-ные и другие характеристики, поскольку они оказывают значительное влияние на трение и износ трущихся поверхностей режущего инструмента Іфоме того, в зависимости от природы и свойств базовые масла обладают различной пгжемистостью присадок различного функіщонального назначения.
Базовые минеральные масла представляют собой смесь высокомолекулярных углеводородов — нафтеновых, парафиновых, асфальтенов, ароматических и нафтено-ароматических, которые оказывают значительное влияние на различные свойства масляных ООТС [106].
Нафтеновые углеводороды являются важнейшей составной частью большинства масел и в зависимости от природы нефтяного сырья их содержание изменяется в пределах 30-70 % объёма Масла, богатые нафтеновыми углеводородами, наиболее устойчивы к окислению кислородом воздуха [16]. Согласно [106], нафтеновые углеводороды легко окисляются молекулярным кислородом при повышенных температурах. Эти соединения легко окисляются, причем склонность их к окислению не зависит от свойств исходной нефти, степени очистки масла, но возрастает с увеличением молекулярной массы соединений. Цэодуктами окисления нафтеновых углеводородов являются пгхимущественно кислоты и гидроксикислотьг [28, 106, 107]. Противоизнос ные свойства нафтеновых углеводородов улучшаются с утяжелением их фракционного состава и молекулярной массы Коррозионная агрессивность их высока, она усиливается по мере облегчения фракционного состава [34].
Ароматические и нафтеяо-ароматические углеводороды в зависимости от природы нефти находятся в маслах в количестве 10-55 % объема Они состоят в основном из алкилнафтшо-аромагаческих и алкилароматических систем с конденсированными кольцами. Эта группа углеводородов наиболее реакционноспособна Ароматические углеводороды без боковых цепей устойчивы к окислению. С увеличением числа циклов в молекуле и уменьшением числа атомов углерода в боковых цепях окисляемость ароматических углеводородов уменьшается. Вязкость их возрастает с увеличением среднего числа ароматических циклов в молекуле, одновременно увеличивается крутизна кривой зависимости вязкости от температуры [16,146,160].
Цютивоизносные свойства ароматических углеводородов улучшаются с увеличением среднего числа ароматических циклов в молекуле. Ароматические углеводороды, содержапщеся в маслах, заметно превосходят нафтеновые по их способности предупреждать задир и износ трущихся поверхностей [60, 66, 71, 110]. Коррозионная агрессивность ароматических углеводородов уменьшается с увеличением среднего числа ароматических циклов в молекуле и уменьшением числа атомов углерода в боковых цепях.
Известно, что выделенные из масла ароматические углеводороды всегда содержат сернистые соединения [193, 195]. Смазочные, антиокислительные и противокоррозионные свойства нафтеновых углеводородов заметно улучшаются после добавления к ним ароматических углеводородов [191].
Содержание парафиновых углеводородов в различных маслах колеблется в широких пределах и может достигать 50 %. В маслах гіресібладают парафиновые углеводороды нормального строения [21]. Эта группа углеводородов отличается химической стойкостью и трудно поддается окислению [107]. Структурно-групповой состав масел оказывает сильное влияние на эффек тивность действия химически активных присадок, вводимых в масла с целью улучшения их смазочных и технологических свойств [106].
В состав минеральных масел также входят природные малорастворимые ПАВ и асфальтосмолистые вещества [106, 107, 160]. Кисяюродсодфжащие соединения в маслах представлены фенолами, жирными и нафтеновыми кислотами. Последние относят к важнейшим природным ПАВ, их содержание в маслах может доходить до 3%. Асфальтосмолистые вещества содержатся в маслах в незначительном количестве и представляют собой сложный конгломерат из нейтральных смол, асфальтенов, карбонов, асфальтогеновых кислот и их ангидридов и др. Фракционный состав нефтяных масел в значительной степени определяет их физико-химические и эксплуатационные свойства
Плотность непосредственно не определяет экстшуатационнък свойств масел, но она дает некоторое представление о химическом составе сырья, из которого получено масло, и о степени его очистки. Так при равной вязкости масла из парафинистых нефтей имеют наименьшую плотность, а масла из ароматических нефтей — наибольшую. С увеличением степени очистки масел, т. е. по мере удаления из них смолистых веществ и полициклических аренов, их плотность уменьшается. Общим для масляных фракций из любых нефтей является увеличение плотности с ростом температуры кипения [107, 191].
Влияние технологических сред на процесс сверления
1) Цэоцесс сверления вязких материалов является достаточно трудоемкой операцией и практически невозможен без применения смазочно-охлаждающих жидкостей. При этом в известных литературных источниках вопрос о применении ООТС при сверлении освещен недостаточно.
2) Большинство работ по сверлению включают вопросы, связанные с исследованиями геометрических параметров режущего инструмента и режимов резания и почти не содержат данных по исследованию динамики сил резания, качества обработанной поверхности и обоснованного выбора эффективных ООТС при обработке различных материалов.
3) Номенклатура ООТС, специально разработанных для операции сверления, ограничена и включает в основном нефтяные масла, масляные эмульсии, керосин, эмульсии с галогенсюодержащими присадками (последние являются токсичными веществами).
Работы В.Н Латышева и его учеников [88, 90, 95 и др.] посвящены
1) исследованию динамических и стойкостных зависимостей при обработке сверлением различных материалов с применением различных ООТС;
2) выявлению наиболее эффективных СОГГС и установлению оптимальных концентраций различных присадок при их применении; 3) определению влияния различных ООТС на качество обработанных поверхностей. Основное внимание в данных работах уделено влиянию состава и концентрации присадок на эффективность сверления: осевую силу, крутящий момент, стойкость режущего инструмента, качество обработанных поверхностей.
Результаты исследований в работе [96] по влиянию глубины сверления на величину крутящих моментов при постоянной скорости резания и подаче показали, что с увеличением глубины сверления крутящие моменты возрастают неодинаково при обработке различных материалов. При сверлении нержавеющей стали 12Х18Н9Т и СЧ 21—40 крутящие моменты соответственно возрастают от 180 до 400 кгсм и от 100 до 173 кг-см, то есть в первом случае крутящий момент возрастает в 2,2 раза, аво втором случае лишь в 1,6 раза
Аналогичная зависимость наблюдается и при сверлении стали 45. Значительное увеличение крутящего момента, а, следовательно, и трения в зоне резания при сверлении стали 12Х18Н9Т с бусловливается адгезией режущих кромок сверла в вязкой аустенитной стали. Силы адгезии с увеличением глубины сверления быстро возрастают, ухудшаются условия отвода отделяемого припуска металла, возрастает тепловая напряженность в зоне резания В этих условия даже вьюокоэффективные галогеносодержащие ООТС не обеспечивают стабильности процесса резания.
№ экспериментальных данных видно, что внешняя технологическая среда оказывает большое влияние на величину крутящего момента при сверлении. Так, например, применение состава «Сульфорицинат Е по сравнению с 5% эмульсией позволяет уменьшить величины крутящих моментов при сверлении сталей 12Х18Н9Т и 45 соответственно в 1,3 и 3,16 раза Таким образом, влияние внешней среды при сверлении нфжавеющих сталей проявляется в меньшей степени, чем при сверлении смычных конструкционных сталей.
В работе [96] было установлено, что концентрация присадок в составе СОГС оказывает большое влияние на величину крутящих моментов, однако для разных обрабатываемых материалов это влияние различно. ЬЬпример, при сверлении стали 18ХГТ и стали 3 в среде хлористого бария, с увеличением концентрации присадки с 0,5 до 5,0% (в 10 раз), крутящие моменты уменьшаются ссютветственно с 215 до 160 кг-см и со178 до 100 кг-см, или в 1,34 и 1,78 раза
Различное влияние химического состава и концентрации ООТС на величины крутящего момента при резании можно объяснить неодинаковым характером деформирования стружксоэделения, связанным с разными физико-механическими свойствами материалов. Снижение значений крутящих моментов при увеличении концентрации СХУТС свидетельствует о том, что при сверлении решающее влияние имеет смазочная способность ООТС.
Анализ литературы показывает, что на сегадняшний день имеется достаточно мало работ, посвященных изучению влияния различных технологических сред на процесс резьбонарезания. I-fa данной технологической операции в основном применяются ООТС на основе минеральных масел с присадками вьжхжсмолекулярных соединений. Среди присадок наибольшее распространение получили полимерные соединения и поверхносгно-активнью вещества
Т\ж нарезании резьбы в различных обрабатываемых материалах применение эффективных ООТС позволяет значительно снизить трение и адгезию к режущим инструментам, величину крутящего момента, повысить ишооостойкость режущего инструмента и качество резьбовой поверхности. К настоящему времени в ряде работ показана возможность определения эффективности действия масляных ООТС по силовым параметрам процесса внутреннего резьбонарезания метчиками. В работах [88, 90, 95, 96, 112 и др.] приводятся результаты экспериментальньгх исследований по влиянию состава ООТС на величины крутящих моментов и качество поверхности при нарезании резьбы в нфжавеющих и углеродистых сталях В некоторых из них, например [113, 149], отмечается наличие тесной корреляционной связи между полученными силовыми параметрами при резьбонарезании в среде различных ООТС и качеством резьбовой поверхности. Результаты экспериментов показывают, что применение СОТС при резь-бонарезании значительно снижает крутящий момент по сравнению с резанием без СОТС. Водные растворы эмульсии и поверхностно-активньк веществ уменьшают крутящий момент и трение примерно в 2 раза Составы типа «сульфофрезол» в смеси с керосином, препараты «ЕВ и Лаурилсульфат соответственно в 4,0, 3,3; 2,5 раза [96]. Осциллограммы крутящих моментов при резьбонарезании с применением указанных выше ООТС, представленные в той же работе, показывают, что процесс резания идёт более устойчиво без срывов и колебаний, что можно обьяснить отсутствием нароста
В работе [116] представлены результаты исследований влияния состава ООТС на температурно-силовью характеристики процесса резьбонарезания. Денные исследований показали, что в зависимости от состава применяемой ООТС крутящий момент при нарезании резьбы в стали 12Х18Н10Т может изменяться на 10-20%. Было установлено, что химически активные ООТС снижают крутящий момент в большей степени при нарезании крупных резьб, т. е. их трибологичесжие свойства полнее проявляются при более тяжёлых условиях резания.
Ультразвуковое диспергирование присадок
В связи с этим на основе анализа рекомендуемых методов интенсификации растворения и диспергирования частиц твёрдых материалов в жидких средах нами была предпринята попытка ультразвукового диспергирования частиц присадок в масляной фазе с целью их измельчения и равномерного распределения по объёму суспензии. Для выбора оптимальных режимов ультразвукового диспергирования частиц твёрдой фазы в углеводородной среде целесообразно проанализировать физическую сущность этого процесса
В настоящее время разработано достаточно много методов получения материалов высокой степени дисперсности, и одним из основных методов является метод ультразвукового диспергирования [5].
В ряде научных работ высказываются различные предположения по физической сущности процесса разрушения и диспергирования твердых тел в однородной среде при воздействии ультразвуковых колебаний. Встречается утверждение, что процесс диспергирования в ультразвуковом поле обусловлен различными ускорениями точек дитергаруемой фазы в среде растворителя [4, 5]. В ряде работ авторы приходят к выводу, что процесс диспергирования связан с резонансным механизмом разрушения диспфгируемой фазы
Расзтросгранение звуковых волн в различных средах сопровождается необратимыми потерями энергии. В жидких средах наибольшие потери обу-словлены внутренним трением (вязкостью) жидкости.
На поглощение звуковой энергии в различных средах оказывают влияние и различного рода релаксационные процессы Цж прохождении звуковой волны нарушается распределение молекул по положениям равновесия. Возникающие релаксационные процессы, стремящиеся восстановить состояние равновесия, связаны с поглощением энергии звуковой волны
Пэедполагается, что при ультразвуковой обработке основная роль в разрушении и диспергировании твёрдых тел и агрегатов высокомолекулярных соединений в углеводородной среде принадлежит явлению кавитации. Ш основании данных [4], процессы диспергирования в ультразвуковом поле протекают по-разному у различных веществ в различных средах. Цхщессы дезинтеграции могут приводить к структурному разрушению молекул органических соединений. При этом возможно образования свободных атомов и радикалов, то есть —процесс активации ООФС [91,115].
Придавая процессу кавитации особое значение, как определяющему фактору при разрушении и диспергировании молекул органических соединений и их агрегатов в углеводородной среде, можно предположить, что механизм дезинтеграции состоит в разрушающем действии кавитационных ударов. В мощных ультразвуковых полях, создаваемых в жидкости, генерация высокой плотности энергии осуществляется не за счёт первичного звукового поля, а вследствие вторичных эффектов, возникающих в жидкости при распространении волны конечной амплитуды [4, 128, 181]. Главными из этих эффектов являются кавитация и акустические течения.
Согласно [4, 25, 128] процесс диспергирования протекает в две фазы Пзрвая фаза состоит в возникновении трения диспергируемых частиц о жидкость — основу ООТС при наложении ультразвуковых колебаний, и их взаимного соударения. Взаимное трение и соударение частиц друг об друга только ускоряет процесс их диспергирования. Данный этап оказывает значительное влияние на процесс измельчения частиц и их равномерного распределения в основе СОГС.
Вторая фаза представляет собой истинное ультразвуковое диспергирование, поскольку новые микропоры и полости появляются за счёт воздействия самого ультразвука, что подтверждается увеличением скорости диспергирования с повышением интенсивности ультразвуковой обработки.
Следовательно, кавитационные удары способствуют разрушению агрегатов молекул присадок органических соединений в углеводородной основе СОТС. Гзи этом происходит измельчение частиц твердой фазы суспензии из-за столкновения частиц и трения их о жидкость, обтекающую их поверхность при колебаниях пульсирующих кавитационных пузырьков.
Диспергирования присадок и эмульсий широко применяется в технологии смазочных материалов. С применением высокодисперсных твёрдых смазок в качестве присадок к консистентным смазкам существенно повышается износостойкость узлов трения машин и механизмов. При этом не рекомендуется увеличивать время ультразвукового диспергирования твёрдо-смазочных материалов в жидкой среде более ЗСМО мин, поскольку может происходить агрегация частиц и содержание мелких фракций в растворе снижается [4, с. 311].
Исследование влияния режимов обработки на трибологические свойства масляных суспензий при сверлении
Стояла задача выбора оптимального режима УЗ-диспергирования присадок. Перед обработкой отверстии суспензии с различным содержанием при садки (КАБ «К») подвергались ультразвуковой обработке при различных режимах, как и в случае испытания суспензий на минитрибометре. При трибо-логических испытаниях суспензий на операции сверления также исследовалось влияние двух параметров ультразвукового диспергирования — частоты и мощности. Цзлями данных исследований являлись: 1) выявить каким образом концентрация присадок влияет на трибологические свойства масляных суспензий; 2) определить наиболее эффективные режимы ультразвуковой обработки суспензий; 3) провести сопоставление полученных результатов с результатами трибометрических испьпаний.
С применением диспергированных суспензий производилось сверление отверстий в заготовках из стали 45 сверлами Р6АМ5 диаметром d =4,2 мм на глубину / = 8мм при подаче s =О,08мм/об со скоростью 0,026м/сек. ГЬ результатам исследований были построены линейные зависимости работы резания от концентрации присадки в составе суспензий (рис. 28). Из графиков видно, что с увеличением кошхентрации присадок в составе суспензий наблюдается снижение работы резания при сверлении. ГЬмимо концентрации, большое влияние на эффективность суспензий оказывает режим их ультразвукового диспергирования, что отражается на графиках и в параметрах линейной модели Дс) (рис. 28).
Лучшие результаты получены при диспергировании присадок с частотой 44 кГц при мощности Р = 0,5 Ртах. Практически такой же результат получен при диспергировании присадок с частотой 44 кГц при максимальной мощности Р=Рт!1Х. При диспергировании присадок с частотой у = 22кГц на максимальной мощности Р =Ртах наблюдается менее интенсивное снижение работы резания, чем при диспергировании на частоте v = 44 kHz
Из соотношения приведённых на графиках коэффициентов регрессии можно заметить, что с увеличением частоты диспергирования с 22 кГц до 44 кГц происходит увеличение трибологической эффективности масляных суспензий на 30%. Из графиков (рис. 28) видно, что увеличение мощности диспергирования результата не дает, хотя по данным литературы, например [4], увеличение мощности должно приводить к большему измельчению частиц твердой фазы в жидкой среде.
Хзтя в работе [4] сказано, что частота ультразвукового диспергирования не влияет на степень измельчения частиц твёрдой фазы, на основе наших экспериментальных данных можно говорить о том, что частота ультразвукового диспергирования частиц присадок оказывает большое влияние на эф-фективность суспензий.
Следующая серия испытаний масляных суспензий при обработке материалов резанием состояла в исследовании влияния времени ультразвукового диспергирования частиц присадок в масляной фазе на триболоіическую эффективность суспензий. Для этого были подготовлены масляные суспензии двух присадок — КАБ 2«3»Т и КАБ «К с концентрацией 2,0% (масс).
Литературные данные дают основание предположить, что увеличение времени дишергирования должно способствовать большему измельчению частиц твердой фазы Диспергирование суспензий производилось последовательно в 6 этапов в течение 2, 3, 5, 10, 15, 2Q минут. Был выбран найденный нами ранее огггимальный режим диспергирования (v = 44k№; Р=Ртах)- ГЪ-сле каждого этапа диспергирования производилась обработка нескольких отверстий диаметром d= 4,2 мм сверлом Р6АМ5 в заготовке из стали 45 со скоростью 0,0825 м/с (375 об/мин). Рассчитывали средние значения работы резания. ГЪ этим данным были построены гистограммьі зависимости работы резания от времени ультразвукового диспергирования (рис. 29).
Из гистограмм, приведённых на рис. 29 можно увидеть небольшое снижение работы резания с увеличением времени ультразвукового диспергирования. Однако значимого результата получить не удалось. №ибольшее снижение работы резания с увеличением времени диспергирования удалось получить при диспергировании присадки КАБ2«3»Т. ГЪ результатам приведён ных гистограмм можно говорить о положительном влиянии увеличения времени ультразвукового диспергирования на трибологические свойства суспензий и о влиянии природы присадок на снижение работы резания и коэффициента трения.
1) Режим и продолжительность ультразвукового диспергирования являются определяющими факторами в повышении эффективности масляных суспензий. Удалось установить, что существуют отимальные режимы диспергирования присадок при подготовке суспензий. Так в нашем случае наиболее интенсивные режимы и продолжительность ультразвукового диспергирования суспензий показали наилучшие результаты при их трибологиче-ских испытаниях, что подтверждает наши теоретические предположения.
2) Влияние ультразвуковой обработки на эффективность смазочного действия суспензий при резании можно объяснить на основе микрокапюглярной модели контактной зоны Уменьшение размеров частиц, по нашему мнению, должно способствовать лучшему проникновению частиц присадок в межпо-вфхностную сеть капилляров в зоне резания, что способствует лучшему осуществлению механизма смазочного действия.
№ операции сверления производились трибологические испытания масляных суспензий присадок КАЯ-Ж 5«3», КАБ 2«3»Т, КАБ «К и КАЯ-3 4«Ж»Ш Данные присадки вводились в масляную основу в количестве 0-2,0% (масс.). Сверление производилось в заготовках из стали 45 сверлами Р6АМ5, диаметром d = 4,2 мм, на глубину / = 8ммсподачей s =0,08 мм/об.
В ходе трибологических исследований суспензий при сверлении изменялась скорость резания и составляла 0,026; 0,0352; 0,05; 0,0824; 0,11; 0,156 м/с, что при данном диаметре сверла равно следующим частотам вращения шпинделя станка соответственно —120, 160, 230, 375, 500, 700 об/мин.
