Содержание к диссертации
Введение
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 11
1 Методы динамического моделирования контактных взаимодействий в элементах трибосопряжений технологических систем при механической лезвийной обработке 11
2 Способы влияния на процессы трения и износа режущего инструмента, основанные на учете явлений структурной приспосабливаемое и совместимости контактирующих поверхностей трибосопряжений 12
3 Трение при наличии граничного слоя смазочного материала . 22
4 Современные СОТС, используемые на операциях механической лезвийной обработки. Активные препараты входящие в их состав. Назначение и классификация 25
5 Цель и задачи исследования 31
АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРОЦЕССЕ ТРЕНИЯ И ИЗНОСА ПАРЫ «РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ - ЗАГОТОВКА» 32
1 Управление и оптимизация параметров процессов, происходящих в трибосистеме. Способы их осуществления 32
2 Физические основы моделирования стружкообразования в процессе разрушения режущим клином 37
3 Реологическое представление контактных взаимодействий поверхностей при отсутствии смазочного материала в зоне трения 40
4 Реологическое представление контактных взаимодействий поверхностей при наличие активных сред в зоне трения 50
2.5 Результаты и выводы по главе 54
3 СПОСОБ ВЛИЯНИЯ НА ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ, ПОСРЕДСТВОМ ПРИМЕНЕНИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ С АКТИВНЫМИ ПРЕПАРАТАМИ ФУЛЛЕРОИДНЫМИ НАНОМОДИФИКАТОРАМИ 56
3.1 Основные эксплуатационные требования, предъявляемые к СОТС, применяемым в технологическом оборудовании 56
3.2 Классификация и основные характеристики активных препаратов, применяемых к СОТС 56
3.3 Применение наномодификаторов карбоновой группы (фуллероидных наномодификаторов) для решения триботехнических задач 67
3.3.1 Общее состояние проблемы получения и использования фуллероидных наномодификаторов 67
3.3.2 Подготовка и способы введения фуллероидных наномодификаторов в смазочные материалы 71
3.3.3 Механизм работы углеродных фуллероидных наномодификаторов в паре трения «режущий инструмент- заготовка» 72
3.4 Результаты и выводы по главе 75
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СОДЕРЖАЩИХ АП ФН С УЧЕТОМ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ И СОСТОЯНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБРАБОТАННЫХ ЗАГОТОВОК 76
4.1 Выбор методов и средств испытаний и контроля показателей качества поверхностного слоя обработанных заготовок 76
4.2 Триботехнический стенд ИВК «Задир» 79
4.3 Измерительно-вычислительные комплексы контроля параметров качества поверхностного слоя обработанных заготовок . Стендовые и натурные испытания СОТС с АП ФН 90
1 Результаты исследования образцов на стандартной четырех-шариковой машине трения ЧШМ 90
2 Исследования структурных изменений поверхностных слоев спиральных сверл под действием активных препаратов 97
Результаты и выводы по главе 99
РАЦИОНАЛЬНЫЙ ВЫБОР СОСТАВА АП В СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ 104
Алгоритм автоматизированной системы выбора рационального состава АП в СОТС 104
Технико-экономическое обоснование эффективности приме нения для лезвийной обработки СОТС, содержащей в своем составе АП ФН 110
1 Постановка вопроса оценки экономической эффективности . ... 110
2 Методика оценки экономической эффективности применения СОТС с АП ФН на операции сверления
3 Расчет экономической эффективности применения СОТС с АП ФН на операции сверления
4 Расчет интегрального экономического эффекта и срока окупаемости затрат и з
Результаты и выводы по главе 114
ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 116
ЛИТЕРАТУРА 118
ПРИЛОЖЕНИЯ:
Приложение 1 130
Приложение 2 132
- Методы динамического моделирования контактных взаимодействий в элементах трибосопряжений технологических систем при механической лезвийной обработке
- Управление и оптимизация параметров процессов, происходящих в трибосистеме. Способы их осуществления
- Основные эксплуатационные требования, предъявляемые к СОТС, применяемым в технологическом оборудовании
- Выбор методов и средств испытаний и контроля показателей качества поверхностного слоя обработанных заготовок
- Постановка вопроса оценки экономической эффективности .
Введение к работе
Ведущая роль в ускорении научно-технического прогресса отводится машиностроению как базе совершенствования техники и технологии, повышения производительности труда и качества продукции. Во всех отраслях машиностроения большой удельный вес составляет механическая обработка конструкционных материалов, позволяющая получать различные по форме и сложности изделия с высокими требованиями к точности и качеству их изготовления.
Одним из важных факторов снижения трудоемкости обработки и интенсификации процесса резания является использование на операциях лезвийной обработки эффективных поверхностно- и химически активных сма-зочно-охлаждающих технологических средств {СОТС). Широкий спектр обрабатываемых материалов, отличающихся своими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками, большая номенклатура инструментальных материалов, конструктивные и геометрические особенности различных видов инструмента, специфические условия выполнения различных операций, а также большое количество выпускаемых промышленностью СОТС с разнообразным функциональным действием требуют определения оптимальных условий применения технологических сред, их состава и концентрации.
Результаты лабораторных исследований, опытно-промышленные испытания ряда современных водосмешиваемых и масляных СОТС показали их высокую эффективность для повышения обрабатываемости различных материалов. Это выражается повышением стойкости режущего инструмента, в среднем, в 2...3 раза, интенсификацией режимов резания на 20...50% при сохранении технологической стойкости инструмента, снижением энергосиловых затрат на 20. ..30%, повышением точности обработки на 1...2 квалитета и снижением шероховатости обрабатываемых поверхностей по сравнению с традиционными составами промышленных эмульсий.
В наибольшей степени высокие функциональные свойства современных СОТС проявляются при оптимальном сочетании технологической среды, обрабатываемого материала, режущего инструмента и условий обработки на конкретной операции. Оптимизация условий обработки в значительной сте- пени способствует интенсификации процесса резания, возможности автоматизированного получения рациональных режимов обработки.
Анализ результатов современных исследований, связанных с построением моделей процессов трения при резании лезвийным инструментом с отсутствием СОТС в зоне резания или ограниченным количеством СОТС в виде пленок, не позволяет с достаточной полнотой отобразить указанные процессы трения и износа инструмента. Основным недостатком существующих моделей, описывающих процессы трения при резании с СОТС, является рассмотрение процесса с позиции квазистатической теории. Поэтому применение комплексного динамического подхода позволит существенно расширить возможности технических расчетов и в сочетании с эмпирически полученными коэффициентами на основе стендовых и натурных испытаний, с использованием вычислительных средств создать информативные работоспособные модели процесса трения при резании лезвийным инструментом с СОТС.
Проблема осуществления управляемого трения и износа элементов режущего лезвийного инструмента технологических систем в настоящее время решается различными способами: созданием специальных инструментальных материалов; модификацией поверхностного слоя - за счет нанесения покрытия; изменением характеристик смазочной среды посредством СОТС с добавлением антифрикционных препаратов (АН) и (ПАВ); применением специальных инженерных решений и пр. Однако применением каждого из указанных способов решаются, как правило, частные задачи. Необходимо разработать комплексный подход, охватывающий все этапы, начиная с проектирования, изготовления и эксплуатации режущего инструмента с СОТС, с учетом работоспособности пары: инструментальный - обрабатываемый материал, производительности, надежности и ресурса инструмента.
Цель диссертационной работы. Основной целью исследований, выполненных в работе, является повышение работоспособности режущего осевого лезвийного инструмента (спиральных сверл) за счет применения СОТС, содержащих активные препараты - фуллероидньте наномодификаторы.
Объект исследования. Объектом исследования в диссертации являются спиральные сверла, работающие в условиях граничного трения в зоне ре-
7 зания при ограниченном доступе СОТС, работа которых соответствует требуемому периоду стойкости при заданной производительности.
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы основные положения динамики трибосопряжений технологических систем для граничного трения, основные положения теории трения и изнашивания конструкционных и инструментальных материалов, принципы прикладной механики, методы системного анализа, оптимизации динамических параметров пары трения «инструментальный - обрабатываемый материал», развитые в задачи мониторинга и диагностики.
Научные положения и выводы, полученные аналитически, подтверждены экспериментально положительными результатами применения в производственных условиях. Достоверность результатов исследования контактных взаимодействий трибосопряжений подтверждена удовлетворительным соответствием результатов с основополагающими решениями, полученными в работах по процессам трения в трибосопряжениях технологических систем механической лезвийной обработки, а также результатами исследований других авторов. Новизна выполненных технических решений подтверждается соответствующими техническими актами, приложенными в работе.
На защиту выносятся: результаты теоретических и экспериментальных исследований параметров пары «инструмент - заготовка» и характеристик работоспособности режущего инструмента; принцип действия и конструкции триботехнического стенда «Задир», а также, методики измерения с применением измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) «Профиль» и «Latimet Automatic» для оценки параметров качества поверхностного слоя режущей кромки инструмента и обработанной заготовки; предложенная модель процесса трения и изнашивания, учитывающая с необходимой полнотой влияние АП в СОТС на параметры трения и износа режущего инструмента; система комплексного мониторинга параметров качества и диагностики состояния поверхностного слоя пары «инструмент - заготовка» для обеспечения требуемой работоспособности инструмента; выдвинутая, экспериментально обоснованная и инструментально подтвержденная, модель действия АП ФН на СОТС на водной основе и поверхности режущего инструмента; созданная и апробированная на практике эффективная система адаптации АП ФН в водных СОТС на основе дифференцированного учета их физико-химических свойств.
Научная новизна результатов исследований заключается в следующем: предложена и обоснована единая концепция обеспечения работоспособности трибосопряжения «инструмент - заготовка» при наличие СОТСсАП; описан и исследован механизм оценки влияния параметров трибоси-стемы «инструмент - заготовка» на показатели динамического качества; предложен системный подход и эффективная методика исследования характеристик процесса резания лезвийным осевым инструментом при оценке влияние активных антифрикционных модификаторов к СОТС на показатели качества; разработаны методы комплексной оценки свойств поверхностного слоя пары трения «инструмент - заготовка», основанные на использовании специальной аппаратуры и новых измерительно-вычислительных комплексов (ИВК); адаптирован принцип действия активных наномодификаторов карбо-новой группы - фуллероидных материалов на показатели износостойкости режущего осевого лезвийного инструмента. Практическая полезность работы.
Разработанная система адаптации АП ФН в СОТС, применяемых на операциях механической лезвийной обработки, позволяет обеспечить высокую работоспособность режущего инструмента, а также добиться параметров качества и точности обработанных заготовок.
Система, работая совместно с ИВК «Профиль», позволяет осуществлять оценку микрогеометрии поверхности; работая совместно с ИВК «Latimet Automatic», позволяет проводить визуальный мониторинг поверхностей тре-
9 ния и оценку микротвердости; с ИВК «Задир» - осуществлять оценку трибо-технических характеристик СОТС.
Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты исследований, полученные автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками ПИМаш - В.М. Петровым, В.А. Никитиным; СПбГПУ - С.Г. Чулки-ным.
При этом лично автору принадлежат: обоснование направления исследований; постановка задач и разработка методологии исследований; планирование и проведение экспериментальных исследований, связанных с триботехническими испытаниями на триботехнических стендах, металлорежущем оборудовании и комплексной оценкой параметров качества на приборах и ИВК; разработка модели для оценки комплексного влияния АП ФН на проектируемые СОТС; обобщение экспериментальных исследований, построение на их основе моделей и установление основных закономерностей исследуемых процессов; разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий в промышленности на основе СОТС с АП ФН.
Реализация результатов. Предложенные методы комплексной оценки основных эксплуатационных параметров качества пары трения «инструмент - заготовка» и методы проектирования СОТС с АП ФН нашли применение в машиностроении на операциях механической лезвийной обработки, при разработке новых СОТС на водной основе, содержащих наномодификаторы карбоновой группы фуллероидные материалы (ОАО Концерн «Силовые машины» ЛМЗ, ЗАО Завод «Композит»).
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс и использованы при подготовке профилирующих дисциплин на технологическом факультете ГОУ ВПО ПИМаш, таких, как: «Резание, станки и инструменты» - по разделу «Применение модификаторов и антифрикционных препаратов для создания СОТС с особыми свойствами». «Взаимозаменяемость и стандартизация» и «Метрология» - по разделу «Методы и средства контроля параметров точности и качества». «Основы технологии машиностроения» - по разделу «Влияние параметров точности и качества на основные эксплуатационные характеристики пар трения».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в период с 2001 г. по 2006 г. на ряде научно - технических конференций, симпозиумов, совещаний и на семинарах: Международной научно-практической конференции «Автоматизация технологических процессов в машиностроении. Режущий инструмент и оснастка» (г. С.Петербург, 2003); Международной научно-практической конференции «Технологии третьего тысячелетия» (г. С.-Петербург, 2003); 6-ой Международной практической конференции - выставке «Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций»; Международном симпозиуме по транспортной триботехнике «Триботехника на транспорте»; «Транстрибо - 2001, 2002, 2005» (г. С.Петербург, СПбГТУ, 2001, 2002, 2005); Международной научно-практической конференции «Качество поверхностного слоя деталей машин» (г. С.-Петербург, 2003); Международной научно-практической конференции, посвященной 300 - летаю Санкт-Петербурга: «Безопасность водного транспорта» (г. С.-Петербург, 2003).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 131 наименований и содержит 135 страниц текста, включая 10 таблиц, 36 рисунков и два приложения, которые подтверждают работоспособность разработанных алгоритмов и внедрение результатов диссертационной работы на отраслевом уровне.
Методы динамического моделирования контактных взаимодействий в элементах трибосопряжений технологических систем при механической лезвийной обработке
Обработка металлов резанием является в настоящее время наиболее распространенным методом окончательного формообразования поверхностей изделий. Устойчивость процесса резания в широком диапазоне технологических режимов является одним из основных условий достижения требуемого качества и точности обработанной поверхности заготовки. При анализе устойчивости механической системы необходимо рассматривать в комплексе как сам процесс механической обработки, связанной с деформациями, разрушением обрабатываемого материала, трением кромок режущего инструмента об обработанную поверхность и сходящую стружку, так и структуру технологической системы. Данный подход включает анализ динамических явлений, происходящих в технологической системе в целом. В свою очередь, динамическая характеристика процесса резания, как свойство динамической системы станка, представляет собой зависимость изменения силы резания от вызвавшего это изменение относительного смещения заготовки и инструмента. Данный подход подробно рассмотрен в работе [30,31 ].
По своему физическому существу процесс стружкообразования характеризуется смещением во времени изменения силы резания по отношению к вызвавшему это изменение фактору. Приращение силы резания может быть получено в линейном приближении как сумма отдельных изменений, вызванных различивши факторами.
Управление и оптимизация параметров процессов, происходящих в трибосистеме. Способы их осуществления
Трибосистема «режущий инструмент - заготовка» (в дальнейшем трибосистема) относится к числу сложных [16]. Понятие «сложная система» является всеобъемлющим, используемым при описании систем различной природы (технических в узком смысле, энергетических, биологических, социальных и пр.), то, как справедливо отмечено в работе Н.П. Бусленко [16], дать общее определение «сложной системы» не представляется возможным. В работе Дж. Касти [62] дано определение понятия «сложность», которое характеризуется: математической структурой неприводимых компонент (подсистем) и способом, которым эти компоненты связаны между собой. При этом различают статическую (структурную) сложность и динамическую, связанную с поведением системы во времени. С точки зрения такого подхода, трибосистема является не только статически сложной (многокомпонентной, многосвязной, с большим числом переменных фиксированных промежуточных состояний и пр.), но и динамически сложной, поскольку ее поведение существенным образом зависит от изменения ряда параметров процесса трения и изнашивания во времени. В дальнейшем, при рассмотрении трибосистемы, термин «сложная система» будет заменяться одним - «система».
Одной из важнейших характеристик всякой системы, в том числе описывающей трибосопряжения, является ее структура. Под структурой системы понимается совокупность элементов и связей между ними, которые определяют ее состояние, исходя из распределения функций и целей, поставленных перед системой.
Рассмотрим структурные особенности трибосистемы в целом (см. рис. 2.1). Главной особенностью является то, что она не автономна и не замкнута [16, 62]. Действительно, система «режущий инструмент - заготовка» взаимодействует через систему базирования и закрепления с заготовки и режущего инструмента, которые через смазывающую среду - СОТС или поверхностные пленки, называемые третьим телом, образуют вместе трибосопряжение.
Основные эксплуатационные требования, предъявляемые к СОТС, применяемым в технологическом оборудовании
Основные виды функциональных присадок, применяемых при производстве СОТС, следующие: вязкостные или загущающие (разгущающие), корректирующие вязкостно-температурную характеристику; увеличивающие параметры «маслянистости» - антифрикционные, противоизносные и противозадирные присадки; депрессорные; приработочные; антиокислительные; антикоррозионные; моющие (диспергирующие) присадки; противопенные; консервационные и др. [6, 15, 95]. Однако все эти функциональные присадки к СОТС определяют работу пары «режущий инструмент - заготовка», как правило, в штатных условиях граничного трения и не учитывают реальное состояние физико-химических характеристик обрабатываемой заготовки. Они одинаково применяются как для заточенных режущих инструментов, так и для изношенных, хотя условия смазывания для различных стадий эксплуатации режущего инструмента сильно отличаются. При этом задача оптимизации работы этих узлов уже утрачивает детерминированный характер. В этом и заключается основное отличие АП от традиционных присадок к СОТС.
В настоящее время насчитывается несколько десятков наименований АП, отличающихся ло механизмам действия и призванных обеспечить снижение потерь на трение, уменьшить скорость износа режущего инструмента, повысить показатели качества обработанных поверхностей [23, 24, 113]. Представленные на рынке АП применяются, чаще всего, в виде наполнителей в СОТС. При этом классификация подобных препаратов достаточно условна. Оправдано разделение препаратов по структуре входящих в АП активных составляющих (см. рис. 3.1), свойствам и характеру действия (см. рис. 3.2) основных компонентов, оказывающих воздействие на поверхности пары трения «режущий инструмент - заготовка» [95].
Среди групп АП следует выделить: металлосодержащие; препараты на базе хлорпарафиновых соединений; политетрафторэтилен (ПТФЭ) -содержащие; содержащие серпентинит (геомодификаторы трения) эпиламные (эпиламоподобные); металлоорганические; содержащие дисульфид молибдена и угяеродосодержащие (карбоновая группа). Наиболее перспективными АП, применяемыми в смазочных и антифрикционных материалах, в настоящее время являются наномодификаторы карбоновой группы - фуллероидные наномодификаторы (ФИ): фуллереновая сажа, фуллерены, нанотрубки, астралены и т. д. [91, 95].
Выбор методов и средств испытаний и контроля показателей качества поверхностного слоя обработанных заготовок
Проведение натурных испытаний на реальных объектах новых разработанных СОТС является обычно трудоемкими и дорогостоящими. Поэтому для определения рационального состава АП в СОТС или параметров качества поверхностного слоя материала заготовки на практике широко используют различные стенды и машины трения.
Условно все триботехнические испытания можно разделить на две группы: испытания, проводимые на машинах трения, и натурные испытания на реальных объектах в целом [68, 69].
Схемы испытания, машины трения и характеристики износа различаются по кинематическому признаку. При этом целесообразно использовать классификацию, предложенную И.В. Крагельским [69]. В соответствии с данной классификацией (см. рис. 4.1) машины трения делятся на машины возвратно - поступательного и поступательного движения. Кроме того, внутри каждого класса имеется две группы: машины торцевого трения и трения по образующей. На стендовых испытаниях необходимо обеспечить одинаковые условия образования пленок на поверхности и тепловой режим образцов. В связи с этим для унификации результатов лабораторных испытаний на машинах трения применяют устройства, обеспечивающие испытания образцов с коэффициентом взаимного перекрытия Kej [69], стремящимся к единице или нулю (см. рис. 4.2). В реальных трибосопряжениях пары трения значения Квз располагаются между этими двумя пределами. Под коэффициентом взаимного перекрытия (Квз) понимается отношение контурных площадей трения контактирующих элементов пары трения к квадрату условной контурной площади трения, получаемой перемещением этих элементов вокруг центра вращения.
Восемь типов машин [69] (или схем) трения позволяют производить испытания с сохранением различных видов разрушения поверхностей трения, так как характеры разрушения и степень износа при поступательном и возвратно-поступательном движении и различных коэффициентах перекрытия существенно отличаются. Перед началом испытаний необходимо классифицировать исследуемую пару трения по параметру коэффициента перекрытия и схеме движения.
Постановка вопроса оценки экономической эффективности
Несмотря на постоянное совершенствование конструкции режущего инструмента, вопросы снижения его износа при резании продолжают оставаться открытыми.
Одним из современных направлений повышения износостойкости и улучшения работоспособности режущего инструмента является применение СОТС с АП. Сущность его состоит в том, что под воздействием АП на режущих кромках образуются самовосстанавливающиеся пленки этих добавок, которые изменяют условия трибоконтакта, в том числе уменьшают коэффициент трения и износ. Одними из таких добавок к СОТС являются углеродные наномодификаторы, представляющие собой высокодисперсную форму кластеров углерода, обладающих способностью формировать на поверхности трения упорядоченную структуру и адсорбировать молекулы смазочной среды, что, в целом, улучшает взаимодействие между собой подобных пленок. В связи с этим было разработана опытная масла СОТС, содержащее в своем составе АП ФИ.
В ноябре 2004г.- январе 2005г. были проведены натурные испытания, целью которых являлось сравнение энергетической экономичности и обеспечение точности и качества механической лезвийной обработки заготовок ОАО ЛМЗ на штатном СОТС - Укринол 1 и СОТС, содержащем в своем составе углеродный наномодификатор.
Испытания показали, что основные энергетические и динамические параметры процесса резания, включая показатели экономичности и точности, при работе на заданных режимах резания на штатной и опытной СОТС, удовлетворяют требованиям нормативной документации технологического процесса (по точности достигаемых размеров и шероховатости поверхности).
Сравнительно кратковременный характер испытаний не позволил достичь наработки режущего инструмента, необходимой для оценки влияния наномодификатора на износ режущей кромки сверла. Такая оценка запланирована при проведении длительных эксплуатационных испытаний. Представленные результаты являются предварительной оценкой эффективности применения экспериментальной СОТС с АЛ ФН, содержащего в своем составе углеродный наномодификатор, на сверлильной операции.
