Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
РЕПИН Денис Сергеевич
ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ
БЫСТРОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ АКТИВИРОВАННОЙ
СОТС С КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИМИ
ПОЛИМЕРНЫМИ ПРИСАДКАМИ
специальность 05.02.07 - технология и оборудование
механической и физико-технической обработки
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Иваново - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Ивановский государственный университет
Научный
руководитель: заслуженный деятель науки и техники РСФСР,
доктор технических наук, профессор,
атышев Владимир Николаевич
Официальные
оппоненты: Марков Владимир Викторович,
доктор технических наук, доцент
ФГБОУ ВПО Ивановский государственный
энергетический университет имени В. И. Ленина, профессор кафедры технологии автоматизированного машиностроения
Можин Николай Афанасьевич
кандидат технических наук, доцент
ФГБОУ ВПО Ивановская государственная
текстильная академия, доцент кафедры
технологии машиностроительного производства
Ведущая
организация: Филиал ФГБОУ ВПО Московский государственный индустриальный университет в г. Кинешме
Защита состоится л25 мая 2012 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.062.03 при ФГБОУ ВПО Ивановский государственный университет по адресу: (153025, г. Иваново, пр-т. Ленина, д. 136, ауд. 1.)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ивановский государственный университет (153025, г. Иваново, ул. Ермака, д. 37/7).
Автореферат разослан л_________________ 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Новиков В.В
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Одним из более важных направлений повышения работоспособности режущих инструментов и совершенствование процессов обработки металлов резанием является широкое применение смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). Перспективным путем решения ряда этих задач является совершенствования СОТС, посредством введения в них различных по природе и химическому строению функциональных присадок. Присадки ВМС эффективны, благодаря глубокому и многостороннему воздействию на физико-химические и механические процессы и явления, происходящие в зоне резания. Также установлено, что процесс образования химически активных компонентов смазочной среды (атомов, ионов, свободных радикалов, ион-радикалов) можно интенсифицировать различными внешними энергетическими воздействиями на технологическое средство. Компоненты СОТС, подвергнутые предварительной активации, получают дополнительную энергию, что переводит их в метастабильное состояние. Это состояние характеризуется ослаблением или частичным нарушением внутримолекулярных связей, т.е. стимулируется деструкция СОТС с образованием активных атомов, радикалов и групп. Именно эти активные элементы образуют в зоне контакта пленки, которые в свою очередь экранируют адгезионное взаимодействие поверхностей инструмента и обрабатываемого материала.
Исследования выполнялись в рамках федеральной целевой программы Развитие научного потенциала высшей школы 2009 - 2011 по проекту № 2.1.2/11773.
Цель работы. Повышение стойкости быстрорежущего инструмента и улучшение качества обработанных поверхностей путем применения активированной СОТС с кислородсодержащими полимерными присадками.
Методы исследования. Работа выполнена на основе фундаментальных положений теории резания металлов, законов физики и химии с применением методов математической обработки экспериментальных данных, при помощи пакета статистической обработки Origin. Функциональные свойства СОТС при резании определяли путем изучения характеристик процесса резания (стойкостные показатели инструмента, усадка стружки, изучение зон вторичной деформации и т.д.), а также качество поверхности обрабатываемого материала (шероховатость поверхности, величину и знак остаточных напряжений).
Научная новизна работы:
1. Выявлена взаимосвязь изменения характеристик резания (стойкость режущего инструмента, усадка стружки, развитость зон вторичной деформаций) и воздействия на исследуемую СОТС коронным разрядом.
2. Установлены закономерности изменения шероховатости обработанных поверхностей, величины остаточных микронапряжений, при использовании в качестве СОТС полимерсодержащих средств активированных коронным разрядом.
3. Установлен механизм смазочного действия СОТС, имеющие в своем составе кислородсодержащие полимерные присадки.
Практическая значимость:
1. Разработана рекомендация по использованию кислородсодержащих полимерных присадок к СОТС для ОАО ИВХИМПРОМ
2. Определена оптимальная концентрация присадок ВМС в используемой эмульсии. Определены режимы работы ионизатора для данных концентраций. Изучены физико-химические свойства получаемых смазочных композиций.
3. Получены данные по влиянию полимерных присадок на характеристики процесса резания Ст. 45, 12Х18Н10Т и ВТ1-0.
Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертации соответствует следующим областям исследования, указанным в паспорте специальности 05.02.07 Ч технология и оборудование механической и физико-технической обработки: п.а2 Теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных физических и химических воздействий и п.а3 Исследование механических и физико-технических процессов в целях определения параметров оборудования, агрегатов, механизмов и других комплектующих, обеспечивающих выполнение заданных технологических операций и повышение производительности, качества, экологичности и экономичности обработки.
Апробация работы. Основные положения диссертации были обсуждены на: II Международном научно-практическом семинаре Техника и технологии трибологических исследований (Иваново, 2009); Международной научно-технической конференции Состояние и перспективы развития электротехнологии (XV Бенардосовские чтения) (Иваново, 2009,2011); Региональной молодежной научно-технической конференции Актуальные проблемы трибологии (Иваново, 2008, 2009 и 2010, 2011).
Положения, выносимые на защиту:
1. Механизм действия активированных коронным разрядом полимерсодержащих СОТС при обработке металлов резанием.
2. Экспериментальные данные о влиянии активированных коронным разрядом полимерсодержащих СОТС на стойкостные показатели быстрорежущего инструмента, качества поверхности обрабатываемого материала.
3. Экспериментальные данные о процессах, происходящих в поверхностных слоях обрабатываемого материала после точения, с применением активированных полимерсодержащих СОТС.
4. Электронографические исследования контактной площади стружки для выявления различных соединений, благоприятно влияющих на трибологическую обстановку в зоне контакта инструмента и обрабатываемого материала.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ общим объемом 2,35 п.л., лично автору принадлежит 1,15 п.л., в том числе 2 публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, библиографического списка из 109 наименований. Содержит 120 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 11 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении содержится обоснование актуальности предлагаемой работы, сформулирована цель исследования, предложена методическая и теоретическая основа, обозначена научная новизна и практическая ценность.
В первой главе дается литературный обзор, отражающий результаты исследований механизма действия СОТС при резании металлов. Особый акцент делается на улучшение эффективности СОТС, по средствам введения в них различных присадок. Рассматриваются методы активации СОТС и их влияние на процессы механической обработки.
Изучению смазочного действия СОТС при резании металлов посвящены многие работы, выполненные научными школами М.И. Клушина, В.Н. Латышева и др.
Установлено, что процесс образования химически активных компонентов смазочной среды (атомов, ионов, свободных радикалов, ион-радикалов) можно интенсифицировать различными внешними энергетическими воздействиями на среду. Технологии физической активации СОТС находят все большее применение. Эти методы позволяют в значительной степени повысить активность СОТС и, тем самым, уменьшить расход ее через зону обработки, а значит и общую ее потребность. Коронный разряд является одним из таких методов.
Также стоит отметить, что одним из перспективных путей решения ряда задач, касающихся улучшения трибологической обстановки в зоне резания, является совершенствования СОТС посредством введения в них различных по природе и химическому строению функциональных присадок. Из многочисленных результатов исследований по данной проблеме следует отметить направление по использованию в качестве эффективных присадок к СОТС высокомолекулярных соединений, благодаря их глубокому и многостороннего воздействия на физико-химические и механические процессы и явления, происходящие в зоне резания. Полимерсодержащие среды, при операциях механической обработки, вступая в химическое взаимодействие с обрабатываемым материалом, образуют химические связи, которые по энергии значительно превышают силы связей, имеющих место при физической адсорбции низкомолекулярных компонентов СОТС. В результате этого, последние в большей степени снижают уровень поверхностной энергии деформируемого тела, что приводит к снижению усилий резания, повышению стойкости инструмента.
Изучение процессов, протекающих при ионизации СОТС, показало, что одновременно с заряженными частицами в струе ионизированного воздуха присутствует озон, который образуется из кислорода воздуха в коронном разряде. Озон является очень реакционоспособным соединением и как сильный окислитель наряду с ионами участвует в образовании оксидных пленок. Кроме того, продукты деструкции полимерной присадки, содержащиеся в СОТС, становятся более активными в присутствии кислорода. Как показывают результаты исследований, активация интенсифицирует окислительные процессы, повышает химическую активность среды, в результате чего происходит образование промежуточных неустойчивых соединений и различных радикалов, таких как О, ОН, СООН, Н2О2 и др.
Вторая глава посвящена материалам и общим методикам проведения экспериментальных исследований. В качестве обрабатываемых материалов использовались: конструкционная сталь 45, нержавеющая сталь 12Х18Н10Т и титановый сплав ВТ1-0. При выборе данных материалов учитывалась необходимость их применения в промышленности, наличие ценных конструкционных свойств, а также сложность механической обработки, нередко препятствующей их широкому применению.
В качестве режущего инструмента применялись: упорно-проходные резцы и спиральные сверла из быстрорежущей стали Р6М5 с геометрией: при точении нержавеющей стали: φ = 90, φ1 = 12, γ = 12, α = 6, α1=6; титановых сплавов: φ = 90, φ1 = 12, γ = 5, α = 10, α1=6; углеродистых сталей и алюминиевых сплавов: φ = 90, φ1 = 15, γ = 20, α = 6, α1 = 6, при сверлении - 2=118.
Для исследования структурного состояния обрабатываемых материалов применялись методы металлографического и металлофизического анализов. Для изучения поверхностного натяжения СОТС использовался метод сталагмометра. Измерение остаточных напряжений проводилось с помощью прибора Ситон-тест. Для получения коронного разряда использовался, разработанный в ИвГУ, ионизатор. Изучение, образованных на границе раздела соединений и структур, полученных при резании с применением полимерсодержащих СОТС, проводилось с использованием электронной микроскопии методом тонких фольг.
Третья глава посвящена изучению процессов резания с использованием полимерсодержащей СОТС, активированной коронным разрядом различной полярности. На основании изучения литературных источников и физико-химических свойств полимеров были выбраны следующие вещества в качестве присадок к СОТС - это полиэтиленгликоль (ПЭГ) и поливиниловый спирт (ПВС) (табл. 1). Благодаря содержанию атомов кислорода, они обладают хорошей растворимостью в водных растворах. ПЭГ, и присадки на их основе является высокоэффективными полимерсодержащими СОТС, это доказано в результате проведенных исследований. Введение в состав СОТС ПВС приводит к улучшению их охлаждающих и антикоррозионных свойств.
Оптимальные концентрации полимеров в СОТС определялись по изменению поверхностного натяжения. Исследование поверхностного натяжения присадок, растворенных в СОТС, производили методом сталагмометра. Строились зависимости поверхностного натяжения от концентрации присадки.
Таблица1
Физико-химические свойства используемых веществ
Полимер | Химическая формула | Молекулярная масса | Плотность г/см3 | Температура деструкции, 0С |
ПЭГ | HO-(-CH2CH2О-)n-ОH | 1000 | 1,121,21 | 245 |
ПВС | [-CH2CH (OH)-]n | 8000 | 1,25 | 230 |
Полученные кривые имеют классический вид, который подразумевает два характерных участка. В области малых концентраций значение поверхностного натяжения быстро убывает. После достижения критической концентрации мицеллообразования (ККМ), поверхностная активность значительно снижается, и дальнейшее уменьшение поверхностного натяжения, за счет адсорбции молекул затруднено. По данным графикам были определены оптимальные концентрации растворенных полимеров, приводящих к наилучшему смазочному эффекту. Значение концентрации соответствуют точке ККМ. Для ПВС оптимальная концентрация в растворе составляет 0,6% по массе, а для ПЭГ - 3% по массе. С целью объяснения модифицирующего действия исследуемых присадок на СОТС, были изучены поверхностные свойства на границе обрабатываемый металл - СОТС. Для расчета использованы уравнения Юнга, Дюпре. К числу наиболее важных физико-химических явлений, происходящих в этих условиях, относится смачивание. Мерой смачивания служит краевой угол между смачиваемой поверхностью металла и поверхностью жидкости на площади смачивания.
Таблица 2
Физико-химические свойства | Эфтол | Эфтол+ПЭГ | Этол+ПВС |
Поверхностное натяжение, ,(103Н/м) | 44,92 | 43,21 | 40,05 |
Краевой угол, ,град (соs ) | 26 0,89879 | 20 0,93969 | 17 0,9563 |
Работа смачивания (10-3Н/м) | 40,37 | 40,6 | 38,29 |
Работа адгезии (103Н/м) | 85,21 | 83,84 | 78,31 |
Работа когезии (103Н/м) | 89,84 | 86,42 | 80,1 |
При статическом смачивании он связан с удельными свободными поверхностными энергиями взаимодействующих фаз тв.ж, тв, ж. уравнением Юнга. Исходным продуктом для изготовления водных СОТС являются эмульсол - Эфтол (ТУ 0258-137-05744685-00). Для проведения исследований были приготовлены три различных по составу СОТС: СОТС 1 - 5% раствор эмульсола Эфтол в дистиллированной воде (в соответствии с ГОСТ 6709-72); СОТС 2 - 5 % раствор эмульсола Эфтол + 0,6 % присадки ПВС; СОТС 3 - 5% раствор эмульсола Эфтол + 3% присадки ПЭГ. Все рассчитанные значения указанных выше характеристик поверхностных свойств СОТС с новыми присадками приведены в таблице 2. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующий вывод, что растворение используемых в качестве присадок ВМС в СОТС уменьшает ее поверхностное натяжение, что в свою очередь позволяет улучшить смачивание обрабатываемой поверхности. А, как известно, смачивание жидкостью поверхностей заготовки и инструмента является необходимой предпосылкой для выполнения смазочного, моющего, охлаждающего, диспергирующего и демпфирующего действий СОТС.
Были проведены стойкостные испытания при использовании кислородсодержащих полимерных присадок в СОТС как с применением, так и без применения активации коронным разрядом.
Таблица 3
Изменение стойкости инструмента
Знак заряда | базовая СОТС (Эфтол) | присадки | ||
ПВС | ПЭГ | |||
без коронного разряда | 0 | 1 | 1,16 | 1,13 |
в коронном разряде | + | 1,19 | 1,53 | 1,31 |
- | 1,6 | 2,29 | 1,99 | |
Как видно из представленных на рисунке 1 результатов исследований, активированные СОТС, имеющие в своем составе присадки полимеров, более эффективны, чем неактивированные. В таблице 3 приведены значения изменения стойкости инструмента при использовании данных присадок активированных коронным разрядом относительно базовой СОТС.
Рис.1.Диаграмма стойкости упорно-проходных резцов из быстрорежущей стали Р6М5 при точении стали 45 под действием коронного разряда различного знака на полимерсодержащие СОТС (v=1,1м/с, S=0,1мм/об, t=0,5мм): 1-без СОТС; 2-Эфтол;3-Эфтол+ПЭГ; 4-Эфтол+ПВС;5-Эфтол(+); 6-Эфтол+ПЭГ(+);7-Эфтол+ПВС(+); 8-Эфтол(-); 9-Эфтол+ПЭГ(-);10-Эфтол+ПВС(-) |
Использование полимерных присадок неактивированных коронным разрядом показало незначительную эффективность по сравнению с базовой СОТС. Предварительная активация позволяет повысить эффективность данных присадок по отношению к базовой СОТС. Причем как можно заметить, максимальная стойкость резцов наблюдалась при отрицательном знаке на коронирующем электроде с использованием в качестве присадки ПВС. В случае использования базовой СОТС, усиление эффективности наблюдается также при использовании отрицательного коронного разряда. Полученные результаты позволяют говорить о том, что присадки, проходя через зону действия коронного разряда, претерпевают деструкцию, т.е. происходят физико-химические процессы образования химически активных частиц - свободных радикалов и зарождение цепных реакций еще до контактной зоны. Далее осколки используемых молекул уже в виде активных радикалов попадают в зону контакта, значительно повышая стойкость резцов вследствие образования пленок окислов на границе раздела инструмент - обрабатываемый материал, а тепло образующееся при экзотермической реакции окисления повышает температуру стружки, делает ее более пластичной в тонких слоях, в результате чего уменьшается расход энергии на трение и диспергирование обрабатываемого материала.
Исследование влияния активированной коронным разрядом полимерсодержащей СОТС при резании на шероховатость обработанной поверхности стали 45, 12Х18Н10Т, ВТ1-0 показали, что в присутствии среды среднее значение высоты микронеровностей снижается по сравнению с применением базовой СОТС (рис.2).
Рис.2.Шероховатость поверхности стали 45 при использовании резцов из быстрорежущей стали Р6М5 под действием коронного разряда различного знака на полимерсодержащие СОТС (v=0,75м/с, S=0,1мм/об, t=0,5мм): 1-всухую; 2-эфтол; 3-Эфтол+ПЭГ; 4-Эфтол+ПВС; 5-Эфтол(-); 6-Эфтол+ПЭГ(-); 7-Эфтол+ПВС(-); 8-Эфтол(+); 9-Эфтол+ПЭГ(+);10-Эфтол+ПВС(+) |
Было замечено, что при увеличении скорости резания, средняя высота микронеровностей уменьшается. Активированные полимерсодержащие СОТС, улучшают трибологическую обстановку контактной зоны, что оказывает влияние на качество обработанной поверхности.
Были проведены стойкостные испытания при использовании полимерсодержащих СОТС как с применением, так и без применения активации коронным разрядом.
Проведены исследования по изучению продольной усадки стружки. В качестве обрабатываемого материала использовалась сталь 45, в качестве режущего инструмента применялись упорно - проходные резцы из быстрорежущей стали Р6М5 (HRC 60). Анализ результатов показывает, что при использовании активации полимерсодержащих СОТС коронным разрядом на низких (0,5м/с) и средних (0,75м/с) скоростях резания стали 45 снижает коэффициенты продольной усадки стружки. Данные свидетельствуют о том, что СОТС с присадками полимеров, подвергнутые предварительной активацией коронным разрядом, обладают лучшей смазочной способностью, экранируя адгезию обрабатываемого материала с инструментальным.
Поскольку применение полимерных присадок к СОТС дало положительный эффект на процесс точения используемых материалов, то целесообразно было провести исследования при других видах обработки. Так было решено изучить эффективность данных СОТС на процессе сверления. Для исследования влияния активированных СОТС коронным разрядом на процесс сверления, была изготовлена приставка для измерения сил резания и крутящего момента. Ионизатор размещался на установке как показано на рисунке 3.
Были проведены эксперименты по определению крутящего момента при использовании полимерсодержащих СОТС как с применением, так и без применения активацией коронным разрядом. В качестве СОТС были использованы все те же вещества, с той же концентрацией, что и в предыдущих экспериментах. Данные полученные для стали 45 представлены на (рис.4). В результате проведенных исследований установлено, что активированная полимерсодержащая СОТС, улучшает смазочные свойства базовой и неактивированной полимерсодержащей СОТС, способствует уменьшению крутящего момента.
Рис.3.Схема подачи ионизированной СОТС в зону резания 1 - обрабатываемый материал, 2 - режущий инструмент, 3 - емкость для подачи СОЖ, 4 - ионизатор |
Так, использование в качестве присадки ПВС уменьшает Мкр по сравнению с базовой СОТС с 0,84 до 0,54 Н*м при сверлении стали 12Х18Н10Т. При сверлении стали 45 значение Мкр для Эфтола составил 0,69Н*м, активированная полимерсодержащая СОТС позволила снизить Мкр до 0,45 Н*м. При обработке титанового сплава ВТ1-0 были полученные следующие значения Мкр 0,39Н*м для базовой, использование активированной СОТС уменьшило Мкр до 0,26 Н*м.
Изучалось влияние активированных коронным разрядом полимерсодержащих СОТС на высоту микронеровностей Rа обработанной поверхности. Исследования проводились при сверлении стали 45, нержавеющей стали 12Х18Н10Т, титана ВТ1-0 сверлами, изготовленными из быстрорежущей стали Р6М5. При сверлении стали 45 с использованием активированной полимерсодержащей СОТС среднеарифметическое отклонение профиля Ra снижается относительно базовой СОТС на 42% при использовании Эфтол+ПВС(-) и на 35% с Эфтол+ПЭГ (-), при использовании положительной короны уменьшение Ra составило около 20% для обоих полимеров.
При обработке нержавеющей стали 12Х18Н10Т с использованием активированной полимерсодержащей СОТС так же было замечено снижение Ra, хотя и не такое значительное, как при сверлении стали 45. При использовании Эфтол+ПВС(-) уменьшение шероховатости составило 40%, а с Эфтол+ПВС(-) 23%.
Рис.4.Диаграмм крутящего момента при сверлении стали 45 с использованием активированных и неактивированных коронным разрядом полимерсодержащих СОТС (V=9,5 м/с, t = 3,35 мм, S = 0,1 мм/об): 1) без СОТС; 2) Эфтол; 3) Эфтол (+);4) Эфтол(-); 5) Эфтол+ПВС ; 6) Эфтол+ПЭГ; 7) Эфтол+ПЭГ(+); 8) Эфтол+ПЭГ(-); 9) Эфтол+ПВС(+); 10) Эфтол+ПВС(-) |
При положительно коронирующем электроде снижение Ra для присадки ПВС составило 30%, а для ПЭГ 11%. Было отмечено положительное влияние шероховатости обработанной поверхности активированных полимерсодержащих СОТС при обработке титанового сплава ВТ1-0. Использование Эфтол+ПВС(-) позволило уменьшить Ra на 37%, а Эфтол+ПЭГ(-) на 33%. Положительная активация используемых СОТС дала снижение Ra - Эфтол+ПВС(+) на 29%, а Эфтол+ПЭГ(+) на 27%.
Четвертая глава посвящена изучению механизма действия активированных СОТС с полимерными присадками при резании металлов. Исследованы зоны вторичных деформаций и определена микротвердость после обработки резанием. Корни стружек были получены методом падающего резца. Режущий инструмент был изготовлен из быстрорежущей стали Р6М5, в качестве обрабатываемого материала использовалась сталь 45. Свободное резание происходило при следующих параметрах: для стали 45 - V= 0,5 м/с., S= 0,1 мм/об.
В данном эксперименте использовались различные варианты технологических сред: точение без СОТС, с подачей активированных и неактивированных СОТС. При обработке стали 45 с использованием различных технологических средств наблюдался нарост. Из полученых данных можно проследить, что активированные полимерсодержащие СОТС оказывают положительное действие, на процесс резания, по сравнению с резанием без СОТС и с применением неактивированной СОТС снижая величину зон вторичных деформаций.
Таблица 4
Значения угла сдвига при точении стали 45
Применяемая СОТС | без СОТС | Эфтол | Эфтол(+) | Эфтол(-) | Эфтол+ПВС | Эфтол+ПЭГ | Эфтол+ПЭГ(+) | Эфтол+ПВС(+) | Эфтол+ПЭГ(-) | Эфтол+ПВС(-) |
Угол сдвига , град | 11 | 14 | 17 | 17 | 17 | 16 | 19 | 18 | 24 | 28 |
Таким образом, активация СОТС с присадками полимеров позволило уменьшить величину зон вторичных деформаций, что подтверждает ее хорошую смазочную способность. Были определены углы сдвига для стали 45 с использованием различных СОТС. Результаты расчетов представлены в таблице 4.
Величину деформированного слоя определяли по распределению твердости с поверхности вглубь материала. В качестве обрабатываемых материалов использовались сталь 45, 12Х18Н10Т, ВТ1-0. Из построенных зависимостей можно сделать вывод, что максимальное значение микротвердости на поверхности. При продвижении вглубь образца, она плавно понижается до значения микротвердости матрицы.
При использовании в качестве обрабатываемого материала стали 45 наибольшие значения микротвердости было зафиксировано при резании без использования СОТС (40-42 мкм). С использованием в качестве как неактивированных, так и активированных СОТС снижает не только поверхностное значение твердости, но и глубину деформированного слоя. Наименьшее значение микротвердости и глубины деформированного слоя было получено при использовании ПВС и ПЭГ в качестве исследуемых присадок, активированных отрицательным зарядом (20-22 мкм).
Исходя из данных полученных при измерении микротвердости стали 45, можно сделать вывод, что активированные полимерсодержащих СОТС более благоприятно влияют на процесс стружкообразования, чем неактивированных. Полученные данные при резании нержавеющей стали 12Х18Н10Т, показали, что глубина деформированного слоя при резании без СОТС составила (43-45 мкм). Применение активированных полимерсодержащих СОТС, способствовало уменьшению микротвердости и глубины деформированного слоя (20-25 мкм). Наилучшие результаты были получены при использовании в качестве присадки к СОТС ПВС активированной обоими знаками. По изменению микротвердости титана ВТ1-0, можно судить, что величина зоны деформации уменьшается при действии в зоне резания активированных коронным разрядом полимерсодержащих СОТС. Так при резании без применения СОТС глубина деформированного слоя ВТ1-0 составила 48-50 мкм. Использование же активированных полимерсодержащих СОТС позволило уменьшить глубину деформированного слоя до 18 мкм.
Весьма низкая теплопроводность титановых сплавов и присущая им относительно высокая температура рекристаллизации, а также значительная жаропрочность, обусловливают большую величину фактора упрочнения стружки при их резании, а, следовательно, большую величину углов скольжения, малую усадку стружки и сравнительно невысокую интенсивность пластического деформирования срезаемого слоя при превращении его в стружку.
Были произведены исследования остаточных напряжений в поверхностных слоях стали 45 и титанового сплава ВТ1-0 после обработки инструментом изготовленного из быстрорежущей стали марки Р6М5. Для стали 45 были выбраны следующие параметры резания: V = 0,5 м/с, S = 0,1 мм/об, t = 0,5 мм; для титанового сплава: V = 0,35 м/с, S = 0,1 мм/об, t = 0,5 мм. При резании стали 45 напряжения в поверхностном слое были сжимающими. Наименьшие остаточные напряжения по всей глубине залегания наблюдались после обработки с применением отрицательно активированной полимерсодержащей СОТС (рис.5). Далее по уменьшению значимости полученных эффектов идут положительно активированные и неактивированные СОТС. Было замечено незначительное уменьшение остаточных напряжений при использовании неактивированных полимерсодержащих СОТС. Наибольшие сжимающие напряжения наблюдались при использовании положительно активированной полимерсодержащей СОТС. Из полученных данных можно сделать вывод, что отрицательно активированные СОТС уменьшают остаточные напряжения, что свидетельствует об облегчении процесса резания. При положительной активации происходит увеличение остаточных напряжений, следовательно, процесс резания ухудшается. Уменьшение остаточных напряжений, при применении отрицательно активированной полимерсодержащей СОТС, связано с облегчением процесса деформации металла в ходе резания, а это, в свою очередь можно объяснить возникновением активных радикалов в зоне обработки. Изучение остаточных напряжений в поверхностных слоях титанового сплава ВТ1-0 выявили присутствие растягивающих напряжений.
| отрицательная активация |
Рис.5. Остаточные напряжения после точения стали 45 (V = 0,5м/с, S = 0,1 мм/об., t = 0,5 мм) |
При использовании неактивированных СОТС, изменение остаточных напряжений зафиксировано не было. Положительная активация способствовала незначительному увеличению поверхностных растягивающих напряжений, изменения наблюдаются на глубине 150350 мкм. Причем стоит заметить, что эмульсия при данной активации наоборот, уменьшает напряжения. Введение отрицательно активированных сред способствует снижению напряжений на глубине от 150 до 300 мкм на величину. Здесь, как и в исследовании остаточных напряжений стали 45, можно предположить, что возникновение активных радикалов в процессе деструкции полимерных присадок приводит к изменению остаточных напряжений на поверхности обработанного материала.
Для выявления полученных в ходе резания структур, были сняты дифракции с поверхности стружки. После расчетов межплоскостных расстояний пленок, образованных при резании с использованием активированных полимерсодержащих СОТС были получены следующие результаты :при резании без использования СОТС значения межплоскостных расстояний соответствовали оксиду железа Fe3O4. При использовании СОТС с присадками полимеров сохранялось наличие оксида Fe3O4, а так же наблюдались линии, соответствующие межплоскостным расстояниям FeO и Fe(OH)2, не зависимо от знака на электроде.
Также было произведено экспериментальное изучение структуры и топографии поверхностей прирезцовой стороны стружки стали 45. Изучались изменения внешнего вида поверхностей, образованных при резании с использованием в качестве СОТС, активированной коронным разрядом полимерсодержащей СОТС и вид вторичных структур, образовавшихся в результате протекания в контактной зоне физико-химических процессов между компонентами внешней среды и трибосопряженными металлическими поверхностями. Проведенными исследованиями установлено, что при резании стали 45 на обработанной поверхности фиксировались фрагменты структур, отличных от матричного металла. Наибольшее количество этих фрагментов отмечено при наличии отрицательно активированной полимерсодержащей СОТС. С учетом выше изложенного, наблюдаемые фрагменты были классифицированы как вторичные структуры, образованные в результате взаимодействия компонентов внешней среды с ювенильными поверхностями в контактной зоне.
Предварительная активация СОТС содержащей присадки ВМС коронным разрядом приводит к изменению топографии рассматриваемых поверхностей по сравнению с резанием без использования активации. Это наблюдалось как при положительном, так и при отрицательном потенциале на коронирующем электроде. Напрашивается следующий вывод, что полимер находящиеся в СОТС проходит стадию деструкции, и соответственно разрушается с образованием активных радикалов. Образовавшиеся радикалы, попадая в контактную зону резания, вступают в химические реакции. Как видно из расчета межплоскостных расстояний продуктом этих реакций является различные модификации оксида железа FeO, Fe3O4. Образование новых фаз на трибосопряженных металлических поверхностях контактной зоны происходит при физико-химических взаимодействиях применяемых СОТС, или их компонентов, с ювенильными металлическими поверхностями. Характерным признаком химического превращения является изменение запаса энергии в реагирующих веществах.
Основные результаты и выводы:
1. Установлено, что применение метода активации коронным разрядом СОТС с кислородсодержащими полимерными присадками, позволяет увеличить стойкость инструмента при обработке стали 45 в 1,9 - 2,3 раза по сравнению с применение базовой СОТС; улучшает характеристики процесса резания и качество обработанных поверхностей.
2. Установлено положительное влияние активированных полимерсодержащих СОТС на процесс сверления материалов. При использовании данных СОТС зафиксировано уменьшение величины крутящего момента на 35-45%, при уменьшение шероховатости обработанной поверхности на 30-40% по отношению к базовой СОТС.
3. Активированные присадки увеличивают условный угол сдвига и уменьшают поверхностное значений твердости с 250 до 225 кг/мм2 и глубину деформированного слоя, что объясняется изменением условий взаимного перемещения трибосопряженных поверхностей инструментального и обрабатываемого материала.
4. Установлено, что максимальное уменьшение величины остаточных напряжений составляет величину порядка 20% по сравнению с базовой СОТС и порядка 10% по сравнению с положительно активированной СОТС.
5. Исследование влияния коронного разряда на полимерсодержащие СОТС при обработке металлов резанием показало, что при отрицательном знаке на коронирующем электроде эффект от данных присадок был значительным по сравнению с положительным знаком.
6. Выявлен механизм действия кислородсодержащих полимерных СОТС на процесс резания, который заключается в интенсификации образования в зоне контакта оксидов типа FeO, Fe3O4 , которые оказывают эффективное действие по уменьшению адгезионных взаимодействий между инструментальным и обрабатываемым материалом, улучшающим трибологическую обстановку контактной зоны.
7. Расчетный экономический эффект от внедрения технологии охлаждения и смазки быстрорежущего инструмента путем применения активированных коронным разрядом полимерсодержащих СОТС составил 2592,76 руб. на 1 станок в год, по сравнению с базовой СОТС (Эфтол).
Основное содержание диссертации отражено
в следующих публикациях
1. Репин Д.С., Маршалов М.С., Латышев В.Н., Наумов А.Г., Раднюк В.С., Курапов К.В., Жуковский С.А., Ткачук О.В. Экспериментальные исследования трибологических явлений при резании материалов // Трение и износ. - 2010. - Т. 31. - № 5. - C. 500Ч510, (автора - 0.1 п.л.)
2. Репин Д.С., Латышев В.Н., Наумов А.Г. Влияние активированных полимерсодержащих СОТС при обработке металлов резанием // Металлообработка. - 2011. - №4(65). - С. 2-4, (автора Ц 0,1 п.л.)
3. Репин Д.С. Влияние коронного разряда на эффективность по-лимерсодержащей СОТС при обработке металлов резанием // Материалы межд. научн.- техн. конф. Состояние и перспективы развития электротехнологии, 1-3 июня Иваново : ИГЭУ, 2011. - С. 341-343 (автора - 0,2 п.л.)
4. Репин Д.С., Латышев В.Н. Полимерные и кислородсодержащие присадки к СОТС при металлообработке // Техника и технологии трибологических исследований: тез. докл. 2-го междунар. семинара. 22-23 октября Иваново : Иванов.гос.ун-т, 2009. - С. 63, (автора - 0,03п.л.)
5. Репин Д.С., Латышев В.Н. Исследование СОЖ с полимерными присадками // Физика, химия и механика трибосистем. Межвуз. сб. научн. тр. Иваново : Иванов.гос.ун-т, 2008. - Вып. 7. - С. 146Ч148, (автора - 0,1 п.л.)
6. Репин Д.С., Латышев В.Н. Влияние полимер- и кислородсодержащих СОТС на эффективность резания металлов // Физика, химия и механика трибосистем: Межвуз. сб. науч. тр. Иваново : Иванов.гос.ун-т, 2009. -Вып. 8. - С. 147-149, (автора - 0,1 п.л.)
7. Репин Д.С., Латышев В.Н. Исследование эффективности активированных коронным разрядом полимерсодержащих СОТС при обработке металлов резанием // Физика, химия и механика трибосистем. Межвуз. сб. научн. тр. Иваново : Иванов.гос.ун-т, 2011. - Вып. 10. - С. 102Ч106, (автора - 0,15 п.л.)
8. Репин Д.С. Колебания температуры при резании материалов // Материалы межд. научн.- техн. конф. Состояние и перспективы развития электротехнологии, 27-29 мая Иваново : ИГЭУ 2009. - С. 134, (автора - 0,06 п.л.)
9. Репин Д.С., Латышев В.Н. Влияние полимерных присадок и озона введенных в СОТС на температуру резания при точении стали 45 // Тез. докладов научных конференций фестиваля студентов, аспирантов и молодых ученых Молодая наука в классическом университете, 20 - 24 апреля Иваново : Иванов.гос.ун-т, 2009. - С.69, (автора - 0,03 п.л.)
10. Репин Д.С., Латышев В.Н. Влияние СОТС с полимерными присадками на качество поверхности // Тез. докладов научных конференций фестиваля студентов, аспирантов и молодых ученых Молодая наука в классическом университете, 20-30 апреля Иваново : Иванов.гос.ун-т, 2010. - С.53, (автора - 0,03 п.л.)
11. Репин Д.С., Латышев В.Н. Полимерные присадки к СОТС // Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (поиск - 2010), Иваново : ИГТА, 2010. - С. 148, (автора - 0,03 п.л.)
12. Репин Д.С., Латышев В.Н. Шероховатость поверхности при использовании полимерсодержащих СОТС // Физика, химия и механика трибосистем: Межвуз. сб. науч. тр. Иваново : Иванов.гос.ун-т, 2010. - Вып. 9. - С. 150-153, (автора - 0,15 п.л.)
РЕПИН Денис Сергеевич
ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ
БЫСТРОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ АКТИВИРОВАННОЙ
СОТС С КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИМИ
ПОЛИМЕРНЫМИ ПРИСАДКАМИ
специальность 05.02.07 - технология и оборудование
механической и физико-технической обработки
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Отпечатано с оригинала макета, представленного автором
Подписано в печать: 20.04.2012
Формат 6084 1/16. Бумага писчая.
Усл. печ.л.1.16. Уч.-изд. л.0.9. Тираж - 100 экз.
Издательство Ивановский государственный университет
153025, г. Иваново, ул. Ермака, 39
тел. (4932) 93-43-41
E-mail:publisher@ivanovo.ac.ru
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям