Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы с целью постановки задачи исследования 8
1.1. Состояние обрабатываемости современных машиностроительных материалов 8
1.2. Роль технологических сред в системе резания . 11
1.3. Механизм действия технологических сред 13
1.4. Исследование и применение газовых технологических сред 19
1.5. Общие выводы по обзору литературы и постановка задач исследования 23
2. Методика проведения исследований 26
2.1. Общая схема методики исследования 26
2.2. Экспериментальные установки 28
2.2.1. Установки для физического моделирования взаимодействия парогазовой фазы технологических сред с обрабатываемым материалом 28
2.2.2. Установка для моделирования взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов 32
2.2.3. Генератор газовой фазы технологических сред . 35
2.3. Математическое планирование эксперимента 38
2.4. Исследование механики процесса резания 42
2.4.1. Методика исследования корней стружек 42
2.4.2. Методика определения сил резания 46
2.5. Методика исследования температурных зависимостей . 51
2.6. Условия проведения стойкостных испытаний 55
2. 7. Определение водорода в поверхностных слоях инстру мента и обрабатываемого материала 59
2.8. Методика проведения металлографических и микрорентге-носпектральных исследований 65
3. Теоретический анализ механизма действия среды в контактной зоне 68
3.1. Состояние вещества технологических сред в контактной зоне при резании 68
3.2. Термодинамические характеристики процессов взаимодействия компонентов среды с инструментальными и обрабатываемыми материалами 72
3.3. Некоторые вопросы физико-химической механики материалов применительно к процессу резания 79
3.4. Роль водорода в процессах упрочнения и разупрочнения. 84
3.5. Структурно-феноменологические схемы модификации поверхностей при резании 88
3.6. Выводы по главе 101
4. Экспериментальная часть исследования 104
4.1. Эксперименты по моделированию процессов, происходящих при резании 104
4.2.1. Взаимодействие металлов с парогазовой средой . 104
4.1.1. Моделирование адгезионно-диффузионных процессов . 116
4.2. Исследование стойкостных зависимостей 132
4.3. Механика процесса резания 143
4.3.1. Исследование корней стружки и определение параметров стружкообразования 143
4.3.2. Исследование сил резания 148
4.4. Исследование температурных зависимостей 158
4.5. Анализ полученных данных 166
4.6. Выводы по главе 177
5. Практическое применение результатов исследования . 180
5.1. Способы и устройства, разработанные для исследования и применения газовых технологических сред 180
5.1.1. Система подачи газа в зону резания 180
5.1.2. Способ обработки металлов 183
5.1.3. Способ повышения стойкости режущего инструмента . 187
5.1.4. Устройство для подачи СОЖ 191
5.2. Анализ экономической эффективности применения газовых технологических сред 194
5.3. Промышленное внедрение 203
Основные результаты и выводы по работе 208
Литература 211
Приложение I 226
- Общие выводы по обзору литературы и постановка задач исследования
- Установки для физического моделирования взаимодействия парогазовой фазы технологических сред с обрабатываемым материалом
- Термодинамические характеристики процессов взаимодействия компонентов среды с инструментальными и обрабатываемыми материалами
- Исследование корней стружки и определение параметров стружкообразования
Введение к работе
Согласно решениям ХХУІ съезда КПСС в 11-й пятилетке планируется увеличение выпуска продукции машиностроения не менее чем в 1,4 раза, при этом широкое применение находят материалы, обладающие повышенной прочностью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью, производительная обработка которых связана с рядом технологических затруднений и повышенным расходом режущих инструментов [і] .
Актуальность вопросов повышения стойкости режущих инструментов при обработке машиностроительных материалов подчеркнута в Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР № 145 от 18 февраля 1980 г. "О повышении технического уровня и конкурентоспособности металлообрабатывающего, литейного и деревообрабатывающего оборудования и инструмента". В данном документе конкретно указывается на необходимость создания прогрессивных видов режущего инструмента, увеличение его стойкости в 1,5-1,7 раза, обеспечив при этом повышение производительности труда в 1,3-1,5 раза.
Газовые технологические среды, в частности водород, интенсивно влияют на процессы деформации и разрушения металлов,в связи с чем научный совет Президиума АН СССР "Новые процессы получения и обработки металлических материалов" (2.13.4.5.6.2) разработал комплексный координационный план основных научно-исследовательских работ по проблеме "Влияние водорода на свойства конструкционных материалов" на 1980-85 г.г. Согласно этому плану в Николаевском ордена Трудового Красного Знамени кораблестроительном институте проводятся работы по темам: "Исследование влияния газовой фазы СОЖ на обрабатываемость материалов резанием" (ГМ.12.422.), "Исследование методов повышения стойкости твердосплавного и быстрорежущего инструмента при резании труднообрабатываемых материалов" (ГіМ. 12.423.).
В июне 1981 года Президиум АН СССР, Государственный Комитет СССР по науке и технике, Госстрой СССР приняли Постановление № 78/202/106 "Об организации разработки "Комплексной программы научно-технического прогресса СССР на 20 лет". Этот документ послужил основой для составления республиканским Президиумом АН и Государственным плановым комитетом "Комплексной программы научно-технического прогресса и его социально-экономических последствий на 1986-2005 г.г. по Украинской ССР". Один из центральных разделов этой программы "Технический прогресс станкоинструментальной и металлообрабатывающей промышленности" включает тему "Создание и освоение в производстве прогрессивных конструкций режущего инструмента. Применение новых прогрессивных материалов", исполнителем которой включен Николаевский кораблестроительный институт, где в настоящее время выполняется работа: "Исследование применяемых режущих инструментов, используемых материалов, проектирование и внедрение установок для упрочнения режущего инструмента" ( № 2. Пр.682).
Автор является ответственным исполнителем работ по темам ГМ.12.422 и ГМ.І2.423, а также участвует в выполнении работ по теме № 2 Пр.682.
Под характеристиками обрабатываемости подразумевается:стойкость инструмента при заданной скорости, силы резания, температура, стружкообразование. Газовая фаза технологических сред это физико-химическое состояние среды непосредственно в зоне резания: перегретые водяные пары, газы атмосферы, газовые продукты диссоциации и термодеструкции компонентов жидких технологических сред (С0І), радикалы, ионы, активированные атомы, электроны. Состав газовой фазы технологических сред весьма разнообразный, он может включать азот, углерод, хлор, кислород, другие элементы и их всевозможные соединения.
В настоящей работе ставилась цель разработать методы улучшения обрабатываемости материалов, применяемых в современном машиностроении и судостроении на основе исследования механизма действия газовой фазы технологических сред.
Общие выводы по обзору литературы и постановка задач исследования
Развитие современного машиностроения тесно связано с освоением технологии обработки материалов с особыми физико-механическими свойствами, которые обладают низкой обрабатываемостью резанием. Улучшение обрабатываемости этих материалов остается актуальной проблемой машиностроения. 2. При решении этой проблемы представляется целесообразным применить концепцию системы резания как целостности (совокупности) происходящих одновременно и тесно взаимосвязанных механических, физических и физико-химических процессов. 3. Технологическая среда является одним из важнейших переменных факторов состояния системы резания, способных оказывать глубокое и разностороннее влияние на многие показатели ее функционирования, в частности, на силы резания и температуру - основные характеристики, определяющие обрабатываемость материалов. 4. Воздействие технологической среды на поверхностные слои режущего инструмента приводит к существенному их изменению вследствие образования вторичных структур и возникновения нового "третьего" тела - продукта развития адгезионно-диффузионных процессов. Элементы среды находятся в состоянии "магма-плазмы". 5. Газовые технологические среды и паро-газовая составляющая жидких сред обладают повышенной химической активностью, высокой проникающей способностью, сложным механизмом механо-хими-ко-физического действия на процесс резания.
Механизм действия их изучен далеко не полностью. 6. Излагаются все новые аспекты действия водорода: явление водородного износа, действие водорода как ПАВ, явление водородо-фазового наклепа и др. В этой связи, целесообразно рассмотреть вопросы применения водорода с целью улучшения обрабатываемости материалов. 7. Литературные сведения о применении кислорода в качестве технологической среды в ряде случаев противоречивы,требуют даль нейшего исследования и уточнения условий эффективного его применения. Основываясь на выводах по обзору литературы задачи исследования формулируются следующим образом: 1. Разработать систему, характеризующую механизм действия газовой фазы технологических сред: - определить основные механо-физико-химические процессы взаимодействия газовой фазы с материалом режущего инструмента и обрабатываемой детали; - рассмотреть характер наиболее вероятных окислительно-восстановительных реакций в практически целесообразном диапазоне температур; - теоретически исследовать вопросы физико-химической механики деформации и разрушения материалов при воздействии газовых технологических сред. 2. На основе выводов из теоретических построений провести экспериментальное исследование влияния газовых сред на улучшение параметров обрабатываемости материалов, применяемых в судовом машиностроении: - определить стойкостные зависимости при различных составах газовых технологических сред; - рассмотреть влияние газовых сред на силовые и температурные характеристики процесса резания; - исследовать процессы стружкообразования и стружкодробле-ния жаропрочных материалов ; - проанализировать структуру поверхностей трения инструмента и сопутствующие адгезионные явления.
Разработать и предложить практические способы улучшения обрабатываемости жаропрочных сталей и сплавов: - создать приемлемую для производственных условий систему подачи окислительных и восстановительных газовых сред (взрыво-пожа-робезопасную, компактную, экономичную); - определить оптимальные условия применения окислительных и восстановительных сред; - разработать способы улучшения обрабатываемости,в том числе и по параметру стружкообразования; - разработать способы повышения стойкости режущих инструментов на основе проведенного теоретического анализа и установленных зависимостей.
Установки для физического моделирования взаимодействия парогазовой фазы технологических сред с обрабатываемым материалом
Создание установки для моделирования воздействия парогазовой фазы ТС объясняется необходимостью проверки эффективности воз действия тех явлений, которые следуют из теоретического анализа процесса резания: - образование новых химических соединений и диффузионных слоев согласно термодинамическим расчетам ; - понижение прочности материала вследствие внедрения атомов водорода, азота, углерода и других; - существенное влияние градиента температуры на диффузионный поток водорода; - электролитическое насыщение водородом поверхностных слоев и их охрупчивание. Установка, представленная на рис.2.2.1 позволяет производить нагрев образцов вследствие омического сопротивления в жидкой среде.
Меняя состав среды и материал образцов можно определить характер диффузионного слоя, образующийся при температуре 1200 К, характерный для наиболее напряженных участков зоны резания [103, 100] . Конструкция установки позволяет помимо нагрева производить насыщение образцов водородом. Установка содержит блок выпрямителя, блок электротермического нагрева и рабочую зону. Блок электронагрева (рис.2.2.1) состоит из пускателя (I) с вмонтированным предохранителем типа АК50-ЗМГ, регулировочного трансформатора РНО 250-5 (2), выпрямителя ВСГ-ЗА (3), позволяющего получать величину тока до 200 А, при напряжении до 6 В. Блок снабжен следующими контрольно-измерительными приборами: индикаторная лампа КМ-І (Л), амперметр МПЛ-4В (5) с пределом измерения 0-75 А, вольтметр Э34 (6) с пределом измерения 0-300 В, приборы 5 и 6 показывают величину тока и напряжения подаваемого на выпрямитель (3). Амперметр Э140 (7) и вольтметр М5-2 (8) фиксируют выходные параметры блока. температурного градиента при электролитическом наводороживании образцов
Для создания градиента температуры на исследуемых образцах (а в дальнейшем и обрабатываемой детали), применен экспериментальный комплекс, включающий высокочастотную индукционную установку ВИУ-ЗО, принципиальная блок-схема которой приведена на рис. 2.2. 3. Основные параметры установки: потребляемая мощность 15 кВт, диапазон рабочих частот тока на индукторе 2 f 6 кГц. Измерительные приборы установки ВИУ-ЗО помещены в блоке преобразователя. Продолжительность нагрева до заданного градиента температур устанавливается с помощью реле времени. Требуемая площадь нагрева поверхности обеспечивается конструкцией индуктора нагревательного устройства. Для деталей цилиндрической формы применялся индуктор прямолинейного типа, его установка в рабочей зоне показана на рис.2.2.2.
Термодинамические характеристики процессов взаимодействия компонентов среды с инструментальными и обрабатываемыми материалами
Анализ термодинамических свойств на основе рассмотрения энергетических характеристик системы и ее энтропии позволяет определить возможный конечный результат химического взаимодействия между компонентами материалов режущих инструментов, обрабатываемым материалом и технологической средой, что в итоге позволяет предсказать составы и агрегатное состояние технологических сред, более рационально (обоснованно) выбирать марку инструментального материала. Такой подход к определению конечного результата химического взаимодействия веществ и материалов в зоне резания, хотя и несколько условен - равновесия процессов в действительности нет, все же дает возможность определить вероятную направленность процессов, что подтверждается и зарубежными исследованиями в этой области [147] . В настоящее время при обработке резанием жаропрочных материалов применяют, в основном, твердые сплавы, основу которых составляют карбиды вольфрама, титана, кобальт (WO , ТсС , Со ) и быстрорежущие стали, на железной основе с добавлением легирующих присадок: 2-9 % W , до Ч % С Г , около 0,8-1,0 % С , а также V , Со и некоторые другие элементы. Рассмотрим более подробно термодинамические аспекты взаимодействия данных материалов с основными элементами продуктов диссоциации технологических сред, присутствующих в зоне обработки. Направление наиболее вероятного протекания реакций определяется с помощью &G .
Это термодинамическая функция, характеризующая изобарно- изотермический потенциал процесса, представляющий часть энергии системы, которая может превратиться в максимально полезную работу. Д г определяется из уравнения Гиббса-Гельмгольца, имеющего в конечных приращениях вид: где АН - изменение тепловой функции (энтальпии); AS - изменение энтропии. Для нахождения AG , Д// и AS при любой температуре, необходимо знать их зависимость от этого параметра. Изменение энтальпии определяется из уравнения Кирхгофа: п.-- число молей /-го вещества участвующего в реакции щества соответственно до начала реакции и после ее завершения. Формула для расчета энтропии вещества как функции температуры находится путем интегрирования уравнения второго начала термодинамики для обратимого процесса. В окончательной форме уравнение принимает вид: При стандартных условиях Т = 298 К и /?= 1,01325 v Ю5 Па Для изменения энтропии термодинамической системы получим: Подстановкой выражений (3.2.4) и (3.2.6) в уравнение Гиббса-Гельм-голыда получаем: или окончательно: где &, = J- (вид фазы вещества; агрегатное состояние вещества). Общее условие реализации процессов в системе, направленное на достижение состояния стабильного равновесия определяется соотношением при T=consi . При этом константа равновесия образования комплекса определяется из уравнения Вант-Гоффа: где A&r - термодинамический потенциал реакции при данной температуре ; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура
Подсчет значений термодинамического потенциала для любой реакции определяется с учетом известных величин термодинамического потенциала образования каждого химического соединения, входящего в уравнение. Если обозначить уравнение химической реакции или физического процесса в общем виде где B/t В&,..., 8/, 3f,Br..,Bj - химические символы элементов и веществ ; /zff/z&t...t/zt-,/z/t/ig,.../z/ - соответствующие им коэффициенты, указывающие минимальное количество молекул, при котором взаимодействие происходит без остатка, то изменение термодинамического потенциала определится из уравнения
Исследование корней стружки и определение параметров стружкообразования
Исследуя систему резания, необходимо определить изменение выходных параметров через характеристики, определяющие состояние системы: степень пластической деформации металла - , коэффициент внешнего трения - AJL , условия образования нароста, угол условного сдвига - СЛ, , коэффициент усадки стружки - , что определяет, в частности, силы резания и дает более полное представление о механике процесса. Перечисленные выше характеристики определялись с помощью устройства для мгновенной остановки процесса резания, описанного в разделе 2.4.1. Полученные характеристики приведены в таблице 4.3.1.1.
Наибольший коэффициент усадки стружки наблюдается при точении стали ІХІ2Н2ВМФ-Ш всухую. Предварительное наводороживание инструмента несколько снижает эти показатели, еще более заметное влияние на них оказывает газообразный водород. Применение кислорода при точении твердым сплавом ВК-8 на скоростях выше 130 м/мин (2,16 м/с) вызывает увеличение , & , по сравнению, например, с обработкой всухую или с водородом.
Влияние предварительного разупрочнения обрабатываемого материала на , Iй Уц было определено при точении стали XI8HI0T, подвергнутой наводороживанию в течение 5 и 25 минут. Разное время обработки вызывает различную степень насыщения водородом. Значения 1л /и , отражающие степень пластической деформации срезаемого слоя металла, уменьшаются с увеличением продолжительности насыщения.
Рассматривая текстуру стружки (рис.4.3. I.I, 4.3.1.2), можно заметить, что зерна металла вытянулись в направлении под некоторым углом смещения ( Yf ) относительно плоскости сдвига элементов ( у ). Однако, графически измерение угла текстуры стружки вызывает большие погрешности. Поэтому аналитически по формуле 2.4.1.2 были вычислены условные углы сдвига ( у ) (приведены в таблице 4.3.I.I). С применением газовых сред у несколько уве-личивается.
Рисунки 4.3.I.I и 4.3.1.2 дают возможность проследить образование нароста. Наибольших размеров нарост достигает при тех условиях резания, когда устанавливается максимальное значение среднего коэффициента трения между стружкой и передней гранью инструмента. Это и зафиксировано на рис.4.3.1.I,а. Резание сплавом ВК-8 стали ІХІ2Н2ВМФ-Ш на воздухе сопровождается образованием нароста, чему соответствует наибольший коэффициент трения при данной скорости резания (табл.4.3.1.I). С применением водорода (рис.4. 3.1.1,в) нарост также виден, но меньшей величины и ему соответствуют полученные из расчетов меньшие значения , /U и d , т.е. водород не увеличивает, а несколько снижает адгезионное взаимодействие при резании. Аналогичным образом изменяется действие СОЇ ("Аквол-Ю") в результате насыщения ее водородом (рис.4. 3.1.1,д,е). Применение только "Аквол-Ю" увеличивает нарост.
Точение того же материала быстрорежущей сталью Р6М5 ( рис. 4.3.1.2 ) показало, что применение кислорода (рис.4. 3.1.2,6) не оказывает влияния на образование нароста по сравнению с обработкой всухую. Подача C0I "Аквол-Ю" свободным поливом резко увеличивает нарост (рис.4.3.1.2,в), а обогащение технологической среды кислородом (рис.4. 3.1.2,г) еще более способствует этому. Увеличение нароста на скоростях резания (до 50 м/мин), при которых Составляющие силы резания определяли с помощью методики,рассмотренной в разделе 2.4.2. Условия проведения эксперимента и полученные результаты указаны в таблице 4.3.2.1. При определении составляющих силы резания использована общепринятая в теории резания форма их выражения: Коэффициенты силовых зависимостей представлены в таблице 4.3.2.2.
Подача кислорода при обработке инструментом из быстрорежущей стали снизила Р, (рис.4. 3.2.3) и Рх соответственно на 4,5 % и 8,6 %. Причем, замечено, что с увеличением скорости резания, в указанном диапазоне, действие окисляющей среды на силу Pg становится более существеннее. Окислительная среда на скоростях обработки до 50 м/мин (0,83 м/с) способствует образованию на контактных поверхностях резца окисных пленок, препятствующих развитию адгезии и тем самым уменьшает силы резания. Полностью устранить схватывание в практически применяемом диапазоне скоростей,по всей видимости, невозможно, но газовая среда, подаваемая извне, существенно ограничивает поверхность этого взаимодействия.
Аналогичные результаты были получены при дополнительном насыщении C0I кислородом. Зафиксировано снижение силы резания Рх в среднем на 9 %, причем, с уменьшением подачи S и глубины резания v это влияние снижается в связи с высокой механической прочностью окисных защитных пленок при умеренных режимах обработки.
