автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Исследование работоспособности быстрорежущего инструмента при направленной микродозированной подаче СОТС в зону контакта

Ивановский государственный университет

На правах рукописи

Чиркин Сергей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ БЫСТРОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ НАПРАВЛЕННОЙ МИКРОДОЗИРОВАННОЙ ПОДАЧЕ СОТС

В ЗОНУ КОНТАКТА

Специальность: 05.03.01 - процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор ЛАТЫШЕВ В.Н.

Иваново 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................5

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ......................................8

1.1 Изнашивание быстрорежущего инструмента.........8

1.2 Применение СОТС для повышения стойкости ^инструмента...................................10

1.3 О некоторых проблемах при использовании СОТС......13

1.4 О возможности применения микрокапсулированных СОТС..........................................21

1.5 Механизмы высвобождения содержимого микрокапсул........................................2 6

1.6 Микрокапсулированиё и методы получения микрокапсул........................................28

1.7 Выводы по литературному обзору и постановка задачи исследования...........................35

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..........'...............38

2.1 Материалы и общая методика исследований.......38

2.2 Методы металлографического и металлофизичес-кого анализов.................................4 0

2.3 Методы определения характеристик процесса резания и стойкости режущего инструмента......41

2.4 Методика термографического анализа............42

2.5 Изучение микрокапсулированных СОТС при трении скольжения.....................................42

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИКРОКАП-

СУЛИРОВАННЫХ СОТС..............................43

3.1 Получение микрокапсулированных СОТС...........4 3

3.2 Возможность создания направленного дрейфа, микрокапсул...................................4 6

3.3 Изучение механических свойств "микрокапсул в режиме одноосного сжатия.......................53

3.4 Исследование микрокапсулированных СОТС

при нагреве...................................60

3.5 Исследование микрокапсулированных СОТС термографическими метадами.........................67

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

»

МИКРОКАПСУЛИРОВАННЫХ СОТС......................78

4.1 Исследование микрокапсулированных СОТС при трении ...........................................78

4.2 Оптимизация состава микрокапсулироранных СОТС

при точении труднообрабатываемых материалов... 90 4.3 Влияш*е микрокапсулированных СОТС на износо-

стойкость режущего инструмента при точении.....95

4.4 Влияние МК СОТС на величину шероховатости обработанной поверхности.......................103

4.5 Распределение температур в режущем клине инструмента п]эи резании с использованием микрокапсулированных СОТС............................113

ГЛАВА 5.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДЕЙСТВИЯ МИКРОКАПСУЛИРОВАННЫХ КОМПОНЕНТОВ СОТС.........................117

5.1 Исследование магнитных полей в зоне резания... 117

5.2 Проникающая способность микрокапсул...........128

5.3 Механизмы разрушения микрокапсул..............130

5.4 Действие микрокапсулированной СОТС на

процессы контактного взаимодействия...........135

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..................................147

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................150

ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................168

ВВЕДЕНИЕ

Тенденции развития современного машиностроения показывают, что обработка металлов резанием остается наиболее предпочтительной для окончательного формирования размеров и конфигурации деталей. Несмотря 'на значительный прогресс в развитии таких альтернативных методов, как точное литье, штамповка, использование энергетических полей (лазерные лучи, плазма, электрохимическая и электрофизическая обработка и др.), такая тенденция обусловлена возрастающими требованиями к точности размеров, качеству обработанных поверхностей, экономикой процессов металлообработки. В связи с этим заметно возрастает роль режущего инструмента, в значительной степени определяющего эффективность обработки резанием.

Несмотря на то, что быстрорежущие стали (БС) используются

/

в промышленности как инструментальный материал более 80 лет, они продолжают играть важную роль в металлообработке [6Г]. Это связано с тем, что БС обладают всеми необходимыми свойствами для резания металлов, а именно: незакаленные заготовки инструментов легко обрабатываются обычными методами давления и резания [79], обладают высокими значениями твердости и теплостойкости, вязкости и прочности [30, 61].

Одним из основных показателей, оказывающих влияние на эксплуатационные свойства режущего инструмента, является его работоспособность, которая характеризуется способностью инструмента "...выполнять свои функции, имея износ рабочих поверхностей меньший критериального значения" [25]. Исследованиями [59, 79] установлено, что динамика затупления режущих кромок инструмента представляет собой интегральный показатель сложных стохастиче-

ских процессов физико-химического взаимодействия между инструментальным и обрабатываемым материалами в зоне их контактирования. Уменьшение этих взаимодействий может привести к значительному повышению работоспособности инструментального материала.

Анализ научных изысканий показывает, что большое влияние на износостойкость инструмента оказывают свойства смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), занимающие превалирующее положение среди методов, повышающих износостойкость ВС, т.к. практически ни одна операция механообработки не обходится без применения смазочного материала в той или иной его форме. Конструированию новых составов СОТС, исследованию их эффективности при обработке металлов и влиянию на износостойкость инструментов посвящена научная деятельность академиков В.Н.Латышева, Т.Н.Лоладзе, докторов Н.Н.Зорева, М.И.Клушина, М.Б.Гордона, Л.В.Худобина и др. По их мнению, наряду со своими служебными характеристиками, большое внимание требуется уделять технике применения СОТС.

Существующие методы подачи СОТС, а именно: полив зоны контакта свободно падающей струей, струей под давлением, использование различных .туманов, аэрозолей, пара, предварительное периодическое нанесение СОТС на обрабатываемую поверхность детали или инструмент, подача СОТС через каналы в теле инструмента и др. требуют дальнейшего совершенствования. Это обусловлено экономическими аспектами техники применения, действиями СОТС или продуктами ее термического разложения на человека, использованием специального оборудования. Физические и химические процессы, протекающие в зоне контакта при резании металлов, изучение механизмов действия СОТС показывают, что для эффективного ее

действия требуются микродозы смазочного материала. Это наглядно подтверждено работами М.Б.Гордона по использованию туманов при резании металлов; В.Н.Латышева, установившего, что микродобавки галогенов в СОЖ значительно улучшают трибологические характеристики процесса стружкоотделения; В.А.Годлевского, предложившего теорию "микрокапельного взрыва", и др. Таким образом, разработка новых составов СОТС, способных выполнять свои функции при минимальных количествах, а также техника их применения, является актуальной задачей науки на современном этапе.

Как новый вид в технике применения СОТС можно рассматривать работы по транспортированию СОТС, заключенного в микросферы из желатиновой оболочки - микрокапсулы, имевших размеры 100150 мкм. Такой способ подачи хладагента [143], смазочных компонентов (четыреххлористого углерода [43, 129], олеиновой кислоты [188], турбинного масла [189]) был одновременно предложен в конце 80 - начале 90-х годов группой российских ученых под руководством академика В.Н.Латышева, а также американскими и японскими исследователями.

Настоящие исследования посвящены разработке новых высокоэффективных способов техники применения СОТС в виде микродоз, изучению на микроуровне механизмов действия этих СОТС на процессы контактного взаимодействия металлов. Полученные результаты объясняются с точки зрения последних достижений в области физики и химии.

1. Литературный обзор и постановка задачи исследования 1.1. Изнашивание быстрорежущего инструмента. A.M. Вульф [28] отмечает, что в процессе обработки металлов резанием реализуются различные механизмы формоизменения режущей кромки инструмента. Одним из характерных видов износа при обработке быстрорежущим инструментом является адгезионный износ, под которым понимается отрыв силами адгезии на микровыступах частиц поверхности инструментального материала в процессе взаимодействия с обрабатываемым материалом [50, 59, 79].

Исследуя физическую сущность процесса В.А. Жилин [47] указывает, что под действием напряжений в местах фактического контакта металл испытывает упругую и пластическую деформации, способствующие разрушению защитных окисных пленок [28] и сопровождающиеся движением дислокаций и вакансий [47]. При этом частично разрушаются наименее устойчивые электронные конфигурации и сильно активируются поверхностные атомы. Высвободившиеся электроны - экзоэлектроны - участвуют в построении новых конфигураций, часть из которых объединяет атомы, принадлежащие разным монокристаллам. Таким образом, совершается адгезионное взаимодействие с образованием узлов схватывания. Согласно [47], термодинамический процесс схватывания вероятен постольку, поскольку он ведет к уменьшению свободной энергии, т.е.

AF = 2F - F > 0 (1)

П гр N '

где Fn - поверхностная энергия,

Frp - энергия упругого искажения решетки на образовавшейся границе.

Период времени, необходимый для схватывания разноименных материалов, расчитывается из условия активации поверхности более твердого тела

Т = LJL.& ,2)

v N„

где N - число разрывов связей, необходимое для образования прочного соединения; N обычно равно (0.7-г-О.9) -N ;

N0 - число связей на единице поверхности;

Е - энергия единичной связи.

Исследованием [79] установлено, что при рызрыве адгезионных связей в результате того, что прочность на разрыв материала режущего инструмента всегда значительно выше, разрушение наступает в тонком слое обрабатываемого материала. Однако, ввиду неоднородности структуры и химического состава, наличия пор и других причин, существует вероятность отрыва частиц инструментального материала.

Для теоретического расчета адгезионного износа A.M. Вульф [28] ориентировочно принимает, что толщина вырванных частиц на пройденном пути L пропорциональна контактному напряжению и обратно пропорциональна твердости инструмента:

v-T= const

Ik Н2

(3)

где V-! = Ь (V - скорость резания; Т - время работы инструмента до условного затупления); Н - твердость инструментального материала;

Н2 - твердость контактных слоев стружки;

г - степень изменения интенсивности износа с измене нием контактной твердости.

По мнению С.Г.Энтелиса [111], периодически повторяющиеся схватывания и разрушения адгезионных соединений приводят к циклическому нагружению инструментального материала, что способствует образованию усталостных трещин и его разрушению.

Существование адгезионного вида изнашивания инструмента экспериментально подтверждено работами [3, 39, 106, 172]. В.Н. Андреев [3], Г.И. Грановский и H.A. Шмаков [39] установили наличие на контактной поверхности стружки частиц инструментального материала в местах повышенной пластической деформации и локальных температур. Адгезионный отрыв частиц инструментального материала показывает фотограммы стружек и обработанной поверхности после резания радиоактивным резцом, приведенные в работе [52] .

Наличие адгезионного износа быстрорежущего инструмента обусловлено, в первую очередь, свойствами инструментального материала. Известно [4], что степень адгезионных взаимодействий в значительной мере определяется "сродством" обрабатываемого и инструментального материалов. Быстрорежущая сталь по своим свойствам находится в более близком "сродстве" с обрабатываемыми материалами, чем такие инструментальные материалы [41], как твердый сплав, минералокерамика и др. Д. Бакли [11] отмечает, что адгезионное взаимодействие имеет место даже в том случае, когда соединяются металлы, обладающие, плохим "сродством" и слабой активностью друг к другу.

1.2. Применение СОТС для повышения стойкости инструмента

Процесс резания металлов в среде СОТС сопровождается рядом физико-химических явлений, происходящих на поверхностях контак-

та инструмента с обрабатываемым материалом [27,36,50,66,77,79, 80,104,118]. A.C. Ахматов [8] и К. Сайто [102] установили, что ювенильные поверхности металлов проявляют активность к физической адсорбции и химическим реакциям. Одновременно с этим, как отмечают Э.И. Рабинович [96], B.C. Лобанцова и А.И. Чулок [77], эти поверхности, образующиеся при резании, излучают поток электронов в момент вскрытия ювенильных слоев. Электроны эмиссии оказывают существенное влияние на химические процессы, происходящие на контактных поверхностях режущего инструмента и обрабатываемого материала [71].

В работах [70,71] установлено, что в результате взаимодействия испускаемых поверхностью стружки электронов с молекулами внешней среды, происходит активация последних и распад их с образованием реакционных частиц: свободных атомов и химических радикалов. Так, взаимодействие паров воды с экзоэлектронами выглядит следующим образом [71]:

*

Hz О + е" -► Н20 + е"

Н20* -► Н, + 0Н# (4)

В результате взаимодействия гидроксильных радикалов образуется перекись водорода, эффект которой при резании обусловлен способностью выделять активный кислород

ОН. + ОН, -- Н202 Н202 -Н20 + 02

* _ *

02 + е -02 + е 02 -- О. + 0. (5)

где е~ - электрон, эмитируемый ювенильной поверхностью стружки;

•Je +

Н20 , 0 - возбужденные молекулы воды и кислорода;

Н., ОН., О. - химические радикалы. Образование химических радикалов может происходить также

под действием различного рода излучений, термического пиролиза

и других факторов. Т. Г. Феклисова и др. [121] указывают, что в условиях граничного трения совокупность возникающих локальных импульсов давления, достигающих нескольких ГПа, "вспышки" температур, значительные деформации сдвига могут привести к разрыву химических связей в СОТС и образованию свободных радикалов.

При низких температурах ювенильные поверхности имеют свободные валентности и поэтому реакционные химические радикалы образуются вследствие механического разрушения молекул [71]

у + 02-*V00 (б)

где V - свободная валентность на ювенильной поверхности;

02 - молекула адсорбированного кислорода;

V00 - перекисный химический радикал.

Исследованиями [70, 78] установлено, что смазочная способность СОТС и эффективность ее действия при резании во многом зависит от наличия в ней свободных радикалов, образующихся в результате экзоэлектронной эмиссии или под действием других факторов, т.е. смазочная способность СОТС улучшается при введении в ее состав веществ, легко образующих свободные радикалы, такие как фтор, хлор, бром, йод [38,72,78,86,111]. При этом происходят адсорбция и химические реакции, приводящие к модификации граничной зоны и образованию пленок ПАВ и соответствующих фторидов, хлоридов, бромидов и йодидов, что создает совокупный смазочный эффект.

Несмотря на широкое применение смазочно-охлаждающих жидкостей в металлообработке, остается спорным вопрос об их проникающей способности. Так, в работах Н.В. Талантова [117] показано, что СОТС способна проникать в зону стружкоотделения только до определенных скоростей резания, когда нет плотного контакта между стружкой и инструментом. Технологически трудно использо-

вать СОТС на таких операциях, как сверление, резьбонарезание, протягивание, некоторые виды фрезерования и др. Причем, следует отметить, чтощ благодаря своим свойствам, быстрорежущий инструмент применяется именно на этих операциях.

Следовательно, возникает проблема изыскания и эффективного применения существующих и новых смазочных композиций с целью повышения их эффективности на технологические параметры металлообработки.

1.3 О некоторых проблемах при использовании СОТС

В последнее время в металлообрабатывающей промышленности наметилось новое направление в решении проблемы повышения производительности обработки и стойкости инструмента. Оно заключается в создании в зоне резания условий, уменьшающих трение и тепловыделение путем введения в зону обработки специальных сма-зочно-охлаждающих технологических средств [9].

С помощью СОТС удается значительно облегчить обработку различных металлов, снизить износ инструмента, повысить качество обработанной поверхности [4,6,37,111,184]. В настоящее время считается общепризнанным, что управлять процессом резания можно не только с помощью изменения механических параметров (подбором скоростных режимов обработки, изменением геометрии инструмента, упрочнением инструментального материала и т.д.), но и с помощью изменения среды протекания процесса, то есть подбором соответствую