Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА!. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И
1.1. Изнашивание быстрорежущего инструмента
1.2. Виды изнашивания
1.3. Применение СОТС для повышения стойкости инструмента із
1.4. Виды СОТС и их действие на процессы механической обработки \
1.5. Способы подачи СОТС \%
1.6. Ионизация СОТС 24
1.7. Современные понятия о механизме воздействия коронного разряда на процесс металлообработки 28
1.8. Использование распыленных ионизированных СОТС при обработке металлов 38
1.9. Действие ионизированной масляной СОТС на процессы контактного взаимодействия 43
1.10. Выводы и постановка задачи исследования 45
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 47
2.1. Материалы и общая методика исследований 47
2.2. Методы определения характеристик процесса резания и стойкости инструмента 51
2.3. Установка для активации и подачи СОТС 53
2.4. Выводы по главе 2 58
ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ЗОНЫ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АКТИВИРОВАННОЙ СОТС 59
3.1. Трибометрический стенд 59
3.1.1. Конструкция стенда 59
3.1.2. Режимы работы стенда 72
3.2. Изучение смазочной способности активированной масляной СОТС 73
3.2.1. Подготовка образцов 73
3.2.2. Режимы трения 73
3.2.3. Исследование коэффициента трения 76
3.3. Выводы по главе 3 84
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ И СТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТА g5
4.1. Стойкость инструмента 85
4.2. Исследование зон вторичных деформаций 90
4.3. Исследования шероховатости поверхности 93
4.4. Исследования усадки стружки 95
4.5. Выводы по главе 4 98
ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АКТИВИРОВАННОЙ СОТС И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОДОЗИРОВАИНОЙ ПОДАЧИ 99
5.1. Изменение физико-химических показателей масла при ионизации .. 99
5.2. Комплексный коэффициент эффективности \ 02
5.3. Выводы по главе 5 106
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ... , 107
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 108
ПРИЛОЖЕНИЕ 124
- Изнашивание быстрорежущего инструмента
- Материалы и общая методика исследований
- Трибометрический стенд
- Стойкость инструмента
- Изменение физико-химических показателей масла при ионизации
Введение к работе
диссертационного совета А.Г. Наумов
Актуальность работы. Повышение экономичности машиностроения неразрывно связано с ростом эффективности металлообработки и снижения затрат, связанных с износом металлорежущего инструмента. Износостойкость режущего инструмента на операциях точения в немалой степени зависит от применяемого смазочно-охлаждающего технологического средства (СОТС). В современном машиностроении предъявляются повышенные требования не только к функциональным, но и к экологическим свойствам СОТС, так как СОТС должна не только улучшать работоспособность инструмента и качество обработанной поверхности, но и не должна оказывать техногенного влияния на обслуживающий персонал и окружающую среду. При изготовлении СОТС стремятся уменьшить количество минерального масла и минимизировать, а иногда и исключить эффективные, но опасные для здоровья некоторые неорганические и органические компоненты СОТС.
Одним из способов создания экологически чистых СОТС является минимизация количества требуемых СОТС, в частности, это достигается введением микродоз СОТС воздушный поток с последующей его активацией электрическими разрядами.
Цель работы: Повышение работоспособности быстрорежущего инструмента путем применения ионизации воздушного потока, содержащего в своем составе микродозы индустриального масла И-20А, коронным разрядом различной полярности.
Методы исследования. Работа выполнена на основе фундаментальных положений теории резания металлов, законов физики и химии с применением методов математической обработки экспериментальных данных. Изучение механизмов действия СОТС на процессы контактного взаимодействия и трибологическое состояние зоны контакта в процессах лезвийной обработки металлов осуществлялось на основе современных методов электронной и металлографической микроскопии, компьютерной обработки результатов.
Научная новизна работы:
1. Установлены закономерности по влиянию количества вводимого в воздушный поток масла И-20А на износ инструментов, качество обработанных поверхностей, усадку стружки и величину зон вторичной деформации.
2. Выявлена взаимосвязь концентрации масла И-20А в воздушном потоке и подаваемого потенциала на коронирующем электроде со стойкостью быстрорежущего инструмента.
3. Выявлены закономерности изменения физико-химических показателей масла И-20А при воздействии на него положительными и отрицательными ионами.
Практическая ценность работы:
На основе выполненных исследований разработаны:
- конструкция сопла-инжектора для подачи микродоз вязких жидкостей, как компонента СОТС для усиления смазочного эффекта ионизированного воздушного потока, направленно в контактную зону (приоритет по заявке на выдачу патента РФ №2005107878/02(009436)).
- универсальный трибометрический стенд, позволяющий производить тонкие измерения момента трения, с выводом и последующей обработкой данных на компьютере.
- технология и рекомендации по использованию в качестве СОТС ионизированного воздушного потока, имеющего в своем составе микродозы масла И-20А.
- определены оптимальные режимы подачи ионизированного воздушно-масляного потока, обеспечивающие наибольшую износостойкость быстрорежущего инструмента
Научные и практические результаты работы реализуются в госбюджетных научно-исследовательских работах, выполняемых на базе трибологического центра ИвГУ.
Рекомендации по использованию результатов работы переданы на государственное предприятие "Завод "Ивмашприбор"
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научной конференции «Научно-исследовательская деятельность в классическом университете» (Иваново, 2003), научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодая наука в классическом университете» (Иваново, 2003 и 2004), межвузовских семинарах «Физика, химия и механика трибосистем» (Иваново 2003, 2004, 2005, 2006), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Москва 2005), на 1-ом научно-практическом семинаре «Техника и технологии трибологических исследований» (Иваново 2006).
Публикации. Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 5 статьях и 4 тезисах докладов. Приоритет по заявке на выдачу патента РФ №2005107878/02(009436)
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы (153 источника) и 3 приложений, содержит 130 страниц печатного текста, 10 таблиц, 55 рисунков и фотографий.
Изнашивание быстрорежущего инструмента
Износостойкость как механическая характеристика-металла зависит от фазового и химического составов, микроструктуры и ее изменения, которое происходит в сложной совокупности явлений, сопровождающих процесс резания. Анализ трудов Г.И. Грановского, A.M. Вульфа, Н.Н. Зорева, М.И Клушина и др. показывает, что механизм изнашивания бвістрорежущего инструмента носит сложный характер.
В процессе обработки металлов резанием наблюдаются различные механизмві износа режущей кромки инструмента, изготовленного из быстро-режущих сталей - адгезионный, абразивный, диффузионный, износ скольжения, пластический сдвиг при высокой температуре, деформации под действием напряжений сжатия. Основными видами износа быстрорежущих сталей являются: адгезионный [30, 36, 59, 67, 142], абразивный [98, 125, 142] и диффузионный износ [97, 98].
Материалы и общая методика исследований
Выбор данного типа масла обусловлен тем, при комнатньгх температурах масло И-20А обладает достаточно невысокой вязкостью по сравнению с другими маслами (29 - 35 мм2/с по ГОСТ 17479.4. см, ПРИЛОЖЕНИЯ), что облегчает его подачу в зону резания в распыленном виде. Так же данное масло имеет относительно не большую стоимость и свободно имеется в продаже.
Для исследования структурного состояния обрабатываемых материалов применялись методы металлографического и металл о физического анализов.
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 МШ. 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. Фотографирование велось на цифровой фотоаппарат. Измерение микротвердости проводилось на приборе ПМТ-3 по методикам, соответствующим ГОСТу 9450-76.
Трибометрический стенд
Фрикционные взаимодействия стружки с поверхностью инструмента при резании происходят значительно сложнее, чем трение узлов механизмов. Это связано с температурами, развивающимися в зоне резаш_я, а также с тем, что трение происходит с постоянно обновляющейся химически активной ювенильной поверхностью. Однако моделирование динамического контакта при резании на трущихся фрикционных парах часто используется для трибо-логических испытаний СОТС. Такие эксперименты позволяют изучить основные закономерности влияния защитных разделительных слоев испытуемой СОТС на контактные взаимодействия.
Стойкость инструмента
Испытания проводились при точении конструкционной стали 45,
Резание проводилось резцами постоянной геометрии из быстрорежущей стали Р6М5. Отбирались резцы равной твёрдости (HRC 61 - 62), Заточенные резцы доводились по передней и задней поверхностям карбидом бора на чугунном диске. При стойкостных испытаниях переточка быстрорежущих резцов велась на заточном станке в специальном приспособлении только по вспомогательной задней поверхности, что обеспечивало постоянство заданной геометрии и чистоты рабочих поверхностей резца.
Были проведены сравнительные исследования по определению стойкости режущих инструментов в средах положительно и отрицательно ионизированного воздуха с различным потенциалом заряда на, коронирующем электроде, а также с введением в воздушный поток нано и микродоз масла И-20А с расходом 0,2, 0,5 и 1 г/час с последующей ионизацией этого потока. Способ подачи СОТС в зону резания показан на рис.4.1. Эффективность методов подвода смазочно-охлаждающих жидкостей и их влияние на износ и стойкость режущего инструмента определялись путём сравнения интенсивности изнашивания и стойкости инструмента при подаче в зону резания сма-зочно-охлаждающей жидкости, представляющей собой 100 % масла И-20А.
При проведении экспериментов через равные промежутки времени измерялся износ по передней и задней поверхностям. За критерий износа была принята величина фаски износа по задней поверхности равная 0,6 мм рис.4.2.
Изменение физико-химических показателей масла при ионизации
Исследованиями [12] установлено, что в результате протекания химических реакций между компонентами в воздушной плазме, тепло, выделенное при этом, будет нивелировать охлаждающую функцию таких СОТС. На рис. 5.1 представлены результаты по изучению охлаждающего действия ионизированного воздушного потока, из чего следует, что активированный коронным разрядом воздушный поток практически не изменяет интенсивности охлаждения образцов по сравнению с неионизированным воздухом. Следовательно, положительное действие ионизированного коронным разрядом воздуха на процесс резания следует объяснять его смазочным действием.
Исследования физико-химических показателей индустриального масла И-20А показало, что ионизация вызывает изменения вязкости, поверхностного натяжения и угла смачивания (рис.5.2 - 5.3), Таким образом при использовании ионизации увеличивается проникающая способность масленой СОТС улучшая процесс механической обработки.
Исследования по изучению размеров частиц распыленного масла И-20А показали, что в неионизированном состоянии частицы имею размеры от 20 до 35 мкм, в ионизированном состоянии от 5 до 15 мкм не зависимо от знака потенциала на коронирующем электроде.
