Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор и постановка задачи исследования 9
1.1. Виды износа быстрорежущего инструмента 9
1.2. Использование СОТС в npoifeccax лезвийной обработки 11
1.3. Компоненты СОТС и экологические аспекты в их использовании. Экологически чистые и безопасные СОТС. Сухое резание, как дополнение к современным процессам обработки 13
1.4. Ионизация электрическим разрядом. Коронный разряд. Современные понятия о механизме воздействия коронного разряда на процесс металлообработки.
Устройства для практического применения сухого электростатического охлаждения 17
1.4.1. Ионизация электрическими разрядом 17
1.4.2. Коронный разряд 17
1.4.3. Современные понятия о механизме воздействия коронного разряда на процесс металлообработки 21
1.4.4. Устройства для практического применения .метода СЭО 23
1.5. Теоретические представления о физико-химическом механизме действия ионизированной газовой среды 28
7. б. Влияние кислорода на физико-химические процессы, протекающие при резании металлов 29
1.7. Использование распыленных ионизированных СОТС
при обработке металлов 31
1.8. Сопловое устройство, как способ повышения эффективности использования СОТС 38
1.9. Выводы по литературному обзору и постановка задачи исследования 40
ГЛАВА 2. Материалы и методики проведения экспериментальных исследований 42
2. /. Материалы и общая методика исследований 42
2.2 Методы металлографического и металлофизического анализов 44
2.3. Методы определения качества обработанной поверхности и стойкости режущего инструмента 44
2.4. Установка для активации газовых сред коронным разрядом 45
2.5. Исследование влияния активированных воздушных сред на процессы фрикционного взаимодействия металлов 47
ГЛАВА 3. Разработка сопловой насадки для подачи воздушных сред активированных коронным разрядом в зону резания 48
3.1. Экспериментальное определение геометрических параметров сопла 48
3.2. Исследование распределения микрочастиц по площади поперечного сечения несущей воздушной струи 59
3.3. Устройство для обогащения воздуха парами воды 65
ГЛАВА 4. Изучение основных функциональных характеристик активированных воздушных сред 69
4.1. Исследование охлаждающей способности ионизированной воздушной среды 69
4.2. Изучение смазочной способности активированных воздушных сред 76
4.3. Микродиффракционные исследования вторичных структур, полученных при трении 87
ГЛАВА 5. Исследование влияния воздушных сред активированных коронным разрядом на процесс лезвийной обработки 92
5. ]. Исследование влияния активированных воздушных сред пастойкостныехарактеристики быстрорежущего инструмента...92
5.2 Исследование зон вторичной деформации 99
5.3 Исследование микротвердости поверхности образцов после обработки резанием 102
5.4. Исследование влияния воздушных сред активированных коронным разрядом на шероховатость поверхности обработанного .материала 107
Общие выводы 114
Список использованной литературы
- Использование СОТС в npoifeccax лезвийной обработки
- Современные понятия о механизме воздействия коронного разряда на процесс металлообработки
- Методы определения качества обработанной поверхности и стойкости режущего инструмента
- Изучение смазочной способности активированных воздушных сред
Введение к работе
Быстрорежущие стали по-прежнему остаются одним их самых распространенных инструментальных материалов при обработке металлов резанием, несмотря на то, что они используются в промышленности уже более 80 лет. Основным показателем, отвечающим за эксплуатационные свойства режущего инструмента, является его работоспособность, которая характеризуется способностью инструмента "...выполнять свои функции, имея износ рабочих поверхностей меньший критериального значения"
Современные представления о причинах выхода из строя инструментов, изготовленных из быстрорежущих сталей, показывают наличие различных механизмов их изнашивания. Но установлено, что превалирующим видом является адгезионный износ, который может проявляться как независимый механизм, так и представлять собой первопричину абразивного и абразивно-химического изнашивания, пластического сдвига инструментального материала и диффузионного износа.
Применение смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) при металлообработке, как показывает практика, оказывает эффективное влияние на повышение стойкости инструментов. Физико-химический механизм действия СОТС достаточно сложен и, в основном, обусловлен изменением условий взаимодействия поверхностей режущего клина инструмента с обрабатываемым материалом, что выражается, прежде всего, в изменении условий контактирования. Общепринято, что при резании металлов активные в химическом отношении поверхности инструмента и стружки вступают в химическую реакцию с компонентами СОТС, в результате чего образуются защитные пленки, экранирующие адгезию между ювенильными поверхностями инструментального и обрабатываемого материалов.
Одновременно с этим, постоянно ужесточающиеся требования защиты окружающей среды и обслуживающего персонала от техногенных воз-
8 действий выдвигают на первое место безопасность СОТС и простоту ее
утилизации. Таким образом, разработка новых составов СОТС и способов их подачи в зону резания, позволила бы улучшить экологию процессов металлообработки без ухудшения технологических характеристик по сравнению с традиционно используемыми составами смазочно-охлаждающих композиций. Изучение механизмов воздействия таких СОТС на процессы стружкоотделения и стойкость инструментов является актуальной научной проблемой.
Использование СОТС в npoifeccax лезвийной обработки
Одним из основных видов борьбы со всеми видами износа инструмента является применение СОТС. Использование СОТС обеспечивает отвод теплоты от режущего инструмента и заготовки, уменьшает энергетические затраты на упруго-пластические деформации, уменьшает трение между передней поверхностью резца и стружкой, между задней поверхностью резца и заготовкой, а также облегчает процесс стружкообразования.
Процесс резания металлов с использованием СОТС сопровождается рядом физико-химических явлений, происходящих на контактируемых поверхностях обрабатываемого материала и режущего инструмента. По мнению автора работы [73] действие смазочного материала при резании металлов протекает по радикально-цепному механизму, заключающемуся в следующем: в процессе резания вскрываются физически чистые юве-нильные поверхности, эмитирующие электроны и кванты света, которые бомбардируют молекулы СОТС с последующим образованием свободных атомов и химических радикалов. Последние вызывают цепные реакции. Так, например, взаимодействие экзоэлектронов с парами воды выглядит следующим образом [73]: е + Н20- Н20 + е (1.1) і Н. +ОН. В результате взаимодействия гидроксильных радикалов образуется перекись водорода, эффект которой обусловлен способностью выделять активный кислород: ОН. + ОН. - Н202 (1.2) Н202 - H20+j 02 (1-3) 02 - О. + О. (1.4) где е - электрон, эмитируемый ювенильной поверхностью стружки; Н20 , 02 - возбужденные молекулы воды и кислорода; Н., ОН., О. - химические радикалы. Образование химических радикалов может также происходить под действием различного рода излучений, термического пиролиза, ионизирующих излучений, вследствие прохождения электрического тока через СОТС. При низких температурах ювенильные поверхности имеют свободные валентности, и поэтому образование радикалов может происходить посредством механического разрушения молекул: v + 02- vOO (1.5) где v - свободная валентность на ювенильной поверхности; 02 - молекула адсорбированного кислорода; vOO - перекисный химический радикал. Высокая реакционная способности химических радикалов обеспечивает образование защитных пленок, которые уменьшают силы резания, экранируют адгезию между трущимися поверхностями, способствуют отводу теплоты от зоны контакта и тем самым уменьшают износ режущего инструмента.
Активная защитная роль оксидных пленок в большей степени определяется контактной температурой. При низких температурах толщина пленки 5 изменяется по логарифмическому закону [101]: 5 = 5о(1-ека) (1.6) где 5 - постоянная предельная величина; К - постоянная скорости гетерогенной реакции; S - поверхность раздела, 1 см; t - время. При высоких температурах, когда кислород в пленке обладает высокой диффузионной способностью, толщина пленки возрастает по линейному закону: 5=— D-gradC (1.7) Р где D - коэффициент диффузии, р - плотность оксида, М - молекулярная масса оксида, С - концентрация кислорода по толщине пленки.
Более 95% выпускаемых промышленностью СОТС представляют собой жидкости, содержащие минеральные масла, которые составляют основу композиций (70 - 90% и более). Наряду с минеральными применяются также синтетические и растительные масла. Последние в большей степени соответствуют экологическим требованиям. Кроме того, в состав СОТС входят присадки различного функционального назначения: проти воизносные, противозадирные, анти окислительные, антикоррозийные, антипенные.
В качестве противоизносных присадок к СОТС используются фосфаты, соли аминов, осерненные жиры и другие соединения. Концентрация таких присадок обычно составляет 0.5 - 15%.
Противозадирные присадки представлены в основном хлор- и серосодержащими соединениями, например, хлорированные парафины. СОТС содержат от 0.5 до 20% таких соединений в зависимости от условий применения композиций.
Эффективными антиокислительными присадками к СОТС являются соединения типа ароматических аминов, фенолов и др. В СОТС они входят в составе 0.1 - 0.2%.
Достаточно высокие антикоррозийные свойства СОТС придают дисульфиды, аминофосфаты, диалкилдитиофисфаты и др. Ингибиторы коррозии в СОТС обычно добавляют в концентрации 0.1 - 2%.
В качестве антипенных присадок в основном используют полиме-тилсилоксановые жидкости, которые применяют в количестве 0.001 -0.02%.
Таким образом, современные СОТС представляют собой сложные многокомпонентные системы, содержащие различные присадки, многие из которых оказывают негативное влияние на организм человека и экологию в целом. Так, работами М.И. Клушина, Ю.Н. Кундиева, Тихонов В.М. и др.[59, 60, 61] показано, что при работе с масляными СОТС на повышенных режимах резания, при обработке труднообрабатываемых материалов и при разбрызгивании СОТС образуется масляный туман.
Современные понятия о механизме воздействия коронного разряда на процесс металлообработки
Природа повышения стойкости режущего инструмента в присутствии коронного разряда до конца не изучена. Существует ряд гипотез, объясняющих причину увеличения стойкостных характеристик инструмента.
В работе [6] положительное влияние от использования коронного разряда на операциях точения объясняется охлаждающим эффектом, т.е. увеличением коэффициента теплопередачи среды резания. Это приводит к снижению температуры на режущей кромке инструмента и поверхностях обрабатываемого металла.
В ионизированном газе перенос тепла осуществляется как за счет нейтральных, так и за счет заряженных частиц. Вклад в теплопроводность положительных ионов относительно невелик, поскольку значения энергии, переносимой нейтральными молекулами и положительными ионами сопоставимы. Вклад в теплопроводность электронов гораздо выше, поскольку их скорость значительно превышает скорость тяжелых частиц. Теплопроводность ионизированного воздуха увеличивается с ростом температуры.
Авторы работы [8] И.Д. Ахмедзянов, В.И. Ильин, В.Г. Кирий связывают повышение стойкости режущего инструмента с изменениями структурного состояния рабочей поверхности резца под действием коронного разряда. Металлографические и рентгеноструктурные исследования быстрорежущей стали марки Р6М5 и твердого сплава марки ВК8, подвергнутых воздействию коронного разряда, показали, что на рабочих поверхностях формируются частицы новой фазы монокристаллического строения.
Кроме того, этими же авторами в восьмидесятых годах были проведены стойкостные испытания, где в качестве в качестве СОТС использовался воздушный поток, ионизированный коронным разрядом. В результате было установлено: 1) при резании в потоке ионизированного воздуха стойкость резцов увеличилась в два раза по сравнению со стойкостью при резании в потоке нейтрального воздуха; 2) применение коронного разряда обеспечило более стабильное дробление стружки, что объяснялось ее ох-рупчиванием в результате образования нитридов;
Ученые В.Н. Латышев, В.В. Подгорков, А.Е. Солодихин, В.Н. Поду-раев придерживаются гипотезы значительного влияния ионизированной среды на уменьшение трения между рабочими поверхностями инструмента, обрабатываемого материала и стружки, за счет образования оксидных пленок. По данным авторов, ионизация такого воздуха способствует образованию значительного количества гидроксильных радикалов. В результате их взаимодействия образуется перекись водорода, положительный эффект которой в процессах резания обусловлен способностью выделять активный кислород: ОН. + ОН. - н2о2 н2о2 - н2о + у2 о2 02 - О. + О. где е - электрон, эмитируемый ювенильной поверхностью стружки; Н20 , 02 - возбужденные молекулы воды и кислорода; Н., ОН., О. - химические радикалы.
Принцип работы установок для повышения работоспособности режущего инструмента заключается в активации коронным разрядом воздушной струи, подаваемой в зону резания. В этих установках по-разному решены проблемы зажигания коронного разряда и подачи воздушной струи. Различные варианты таких установок в настоящее время широко используются как в России, так за рубежом (рис. 1-6), а сам принцип применения ионизированных и озонированных сред в качестве СОТС при обработке металлов резанием запатентован в различных странах мира (Россия, США, Япония, Швеция).
В 70 годах японскими исследователями запатентовано устройство для охлаждения зоны резания посредством коронного разряда [144]. Разряд возникает в неоднородном поле между катодом - иглой и охлаждающейся поверхностью инструмента. Катод помещен в концентрический ци линдр диаметром 30 мм из диэлектрического материала. Образующиеся в результате разряда электроны фокусируются магнитным полем, наведенным электромагнитным кольцом, которое находится между электродом высокого потенциала и поверхностью инструмента в цилиндрическом корпусе. Испытания устройства охлаждения при точении стали, содержащей в своем составе никель, хром, молибден, показали, что износ инструмента уменьшается в среднем на 40% по сравнению с резанием в отсутствии коронного разряда.
Методы определения качества обработанной поверхности и стойкости режущего инструмента
Изготовление шлифов, предназначенных для металлографических исследований, осуществлялось на станке модели СШПМ. Доводка шлифов производилась на пластинах алмазного проката, в состав которого входят синтетические алмазы марки АСМ и металлическая связка Ml П. Использовались пластины зернистостью 80/63, 60/40, 28/20, 7/5, 3/2. Полировка образцов осуществлялась на алмазной пасте АСМ зернистостью 2/1, 1/100, нанесенной на плотную бумагу.
Изучение структуры корней стружек обрабатываемых материалов производилось с помощью химического травления в реактиве: азотная кислота — 4%, спирт этиловый — 96%.
Для предотвращения искажений исследуемых структур во время травления протравленные шлифы промывались свободным погружением в этиловый спирт с последующей просушкой на воздухе.
Металлографические исследования проводились МИМ-8, РЭМ-200Э при ускоряющем напряжении 20 кВ. Фотографирование велось на пленку «Микрат-300». Измерение микротвердости проводилось на приборе ПМТ-3 по методикам, соответствующим ГОСТу 9450-76.
Методы определения качества обработанной поверхности и стойкости режугцего инструмента.
Эксперименты по определению работоспособности инструмента из быстрорежущей стали и качества обработанной поверхности проводились на токарно-винторезном станке мод. 16К20. Подача S равнялась 0,1 мм/об, глубина резания t - 0,5 мм.
Определение стойкости режущего инструмента при различных условиях точения проводилось при помощи замера износа по главной поверхности резца с помощью МПБ-2 через равные промежутки времени. За критерий износа, при котором эксперимент заканчивался, было принято считать его критическую величину равную 0,6 мм.
Шероховатость поверхности обработанного материала измерялась профилографом - профилометром «Абрис», снабженным программным обеспечением. Измерялось среднее арифметическое отклонение профиля.
Активация воздушной среды осуществлялась специально сконструированной установкой посредством электрических разрядов. Для получения униполярно ионизированного воздуха применялся прибор (ионизатор) рис.11, принцип работы которого заключался в зажигании коронного разряда.
Ионизатор состоит из блока питания, рассчитанного на сетевое напряжение 220 В, и сопла, внутри которого расположен рабочий электрод. Универсальность прибора в том, что он способен генерировать коронный разряд как отрицательной, так и положительной полярности. Кроме того, ионизация воздушного потока осуществляется без дополнительного привлечения нагнетательных систем. Ионизатор снабжен регулирующими устройствами, которые позволяют плавно изменять напряжение корони-рующего электрода от 0 до 17 кВ и давление ионизируемого воздушного потока от 0 до 0,5 105Па. Ток заряженных частиц, также фиксируемый прибором, зависит от напряжения коронирующего электрода и лимитируется 100 мкА.
В таблице отражены основные отличия изготовленного ионизатора и наиболее часто применяемого на данный момент в промышленности ионизатора «Варкаш».
Исследования проводились на минитрибометре по схеме «диск -диск». В качестве материала для статичного диска использовалась закаленная сталь 45 (HRC 60); вращающийся диск изготавливался из стали 45. Выбор материалов объясняется тем обстоятельством, что трущиеся узлы механизмов часто изготавливают из стали 45, а микротвердость закаленной стали 45 сопоставима с микротвердостью быстрорежущего инструмента. Химический состав сталей приведен в таблице 2. Перед началом каждого эксперимента диски обрабатывались наждачной бумагой № I, а затем притирался в индустриальном масле И40-А около 10 минут. По применяемой схеме, вращающийся с угловой скоростью — w, диск контактирует со статично закрепленным под действием нормальной нагрузки FN
Устройство минитрибометра позволяет снимать момент силы трения в зависимости от времени, получаемого в виде трибограммы.
Ионизирующая установка монтировались на минитрибометр таким образом, чтобы расстояние от сопла до зоны контакта не превышало 20 мм.
Усиление смазочной способности активированной воздушной среды посредством привнесения в зону резания сжатого воздуха и воздуха обогащенного парами воды требует разработки специфической сопловой насадки. Поток на выходе из сопловой насадки должен иметь как можно меньший угол разлета с целью точечного попадания в зону резания. С целью добиться максимальной концентрации воздушного потока в зоне резания при прохождении его через сопло, проводились эксперименты по определению наиболее эффективных геометрических параметров сопловой насадки, а также рабочих режимов подачи воздуха, а именно давления на входе в сопло воздушной струи Р и угла рассеяния потока воздуха сопловой насадкой. Угол рассеяния определялся по диаметру D пятна рассеяния на мишени в зависимости от расстояния L от сопла.
Резервуар для воды представлял собой цилиндрическую емкость. Соединительный элемент резервуара с соплом немного смещен относительно оси симметрии с целью создания в резервуаре турбулентного потока. При таком характере движения воздуха молекулы воды, находящейся в резервуаре, подхватываются потоком и перемещаются в объем сопла.
Экспериментальная установка (рис.13) представляла собой направляющую (2), на которую стационарным образом крепилось сопло (3) с резервуаром для частиц контрольного вещества, которое позволяет контролировать процесс рассеивания струи (4) и передвижная мишень (1). Мишень покрывалась пленкой с липкой внешней поверхностью.
Изучение смазочной способности активированных воздушных сред
Для исследования охлаждающей способности ионизированного газового потока были проведены сравнительные эксперименты, в которых рассматривалось влияние на охлаждение нагретого образца 1) воздушного потока; 2) потока униполярно заряженных частиц (как положительных, так и отрицательных); 3) ионизированного воздушного потока; 4) ионизированного воздушного потока с повышенным содержанием водяных паров.
Экспериментальная установка для определения охлаждающей способности сред состоит из четырех основных частей: 1. Ионизирующее устройство; 2. Система подачи воздуха под давлением; 3. Система нагрева; 4. Система контроля нагрева / охлаждения. Принцип работы установки заключался в следующем.
Образец из стали 3 размером 26 мм х 14 мм х 10 мм помещался на электрическую плитку мощностью 300 Вт, поверхность которой была заи-золирована от воздействия потока заряженных частиц тепло про водящей керамической (ЗігОз) пластиной толщиной 0,7 мм. Нагрев образца производился от начальной (комнатной) температуры to = 20С до tK = 250С со скоростью 8 град/мин. Температура образца регистрировалась милливольтметром с помощью медь - константановой термопары. Для того, чтобы исключить воздействие заряженных частиц на термоток, термопара изолировалась от внешней среды, а сам спай помещался в стеклянный ка пилляр, запаянный с торца. При этом невысокая теплопроводность стекла, а также наличие воздушного промежутка между термопарой и стенками капилляра влияли на инертность показаний термопары. Для увеличения теплопроводности капилляр заполнялся индустриальным маслом. Спай термопары в стеклянном капилляре монтировался в отверстии диаметром 3 мм, расположенном на расстоянии 0,8 мм от поверхности образца, подвергаемой в дальнейшем воздействию ионизированного воздуха.
Внешний вид установки по исследованию охлаждающей способности активированных воздушных сред. 1- компрессор, 2- баллон с ресивером для сглаживания перепадов давления, 3- электроизоляционная пластина из керамического стекла, 4- образец из стали 45, 5- сопловое устройство, 6- медь-константановая термопара, 1- нагревательный элемент, 8- милливольтметр.
Градуировка прибора по соответствию милливольт к градусам по шкале Цельсия проводилась по двум точкам: точка плавления льда и точка кипения дистиллированной воды при нормальном давлении.
Воздушный и ионизированный потоки поступали к поверхности образца через дозвуковое сопло с выходным отверстием диаметром 1 мм. Такое выходное отверстие позволяло фокусировать поток таким образом, чтобы не оказывать воздействия на нагревательный элемент. Сопло размещалось нормально к поверхности образца на расстоянии !с — 10 мм.
Скачки давления воздуха в системе от работающего компрессора сглаживались с помощью ресивера, установленного на баллон. Компрессор приводился в действие посредством электронасоса. Давление Р на выходе из баллона регистрировалось манометром; объем воздуха, прошедшего за минуту через поперечное сечение трубопровода Qv , определялся с помощью ротаметра, подсоединенного в систему последовательно.
В экспериментах по исследованию охлаждающей способности потока заряженных частиц напряжение U на коронирующем электроде ионизатора, выполненного в форме иглы, достигало 14 кВ. Для обеспечения стекания заряженных частиц с образца, и поддержания рабочего режима коронного разряда образец заземлялся. Сила тока заряженных частиц I за счет изменения напряжения на электроде менялась от 0 до 100 мкЛ и регистрировалась на приборной шкале блока питания.
Определение температуры образца проводилось с интервалом Ат в 1 минуту от t к = 250 С до момента, когда с течением времени температура образца оставалась неизменной. Нагревание образца проводилось непрерывно в течение всего эксперимента, т.е. исключалась возможность естественного охлаждения образца путем теплообмена с окружающей средой.
Поскольку в ряде работ [6, 8, 144] отмечается охлаждающая способность отрицательной короны, в первой серии были проведены эксперименты по сравнению охлаждающей способности потоков положительно заряженных и отрицательно заряженных частиц. Большую охлаждающую способность отрицательной плазмы с физической точки зрения можно было бы объяснить наличием в ней электронов, тештопроводящая способность которых значительно выше, чем у ионов за счет большей подвижности [124]. Чтобы поменять знак заряженных частиц, изменялась полярность электрода.
