автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности лезвийного резания путем механохимической активации водомасляных эмульсионных СОТС

005007342

КИСЕЛЕВА Елена Валерьевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕЗВИЙНОГО РЕЗАНИЯ ПУТЕМ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ ВОДОМАСЛЯНЫХ ЭМУЛЬСИОННЫХ СОТС

специальность 05.02.07 — технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

? 2 янв гш

Иваново — 2011

005007342

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Марков Владимир Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Куликов Михаил Юрьевич

кандидат технических наук Шварев Евгений Анатольевич

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ивановская государствен'

ная текстильная академия»

Защита состоится «27» января 2012 года в 14.00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.062.03 при ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет» по адресу 153004, 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).

Автореферат разослан «//■» 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из важных условий производительного резания является применение смазочно-охлаждающих технологических жидкостей (СОТС), в связи с чем разработка новых их со ставов и техники применения является актуальной задачей. Одним из мало исследованных аспектов использования СОТС является влияние способа приготовления водомасляных эмульсионных СОТС (ВМЭ СОТС) на их технологическую эффективность.

Возможности влияния способа и интенсивности перемешивания компонентов на этапе приготовления СОТС в достаточной мере не реализованы на практике, в особенности это касается гетерогенных композиций, таких, как эмульсии и суспензии. Результатами работ в этом направлении могут быть снижение себестоимости, повышение производительности обработки, повышение качества обработанных поверхностей, снижение энергозатрат. Кроме того, исследование процессов, происходящих в жидкой смазочной среде, на этапах приготовления СОТС и собственно в процессе резания дает возможность выявить фундаментальные закономерности механизмов смазочноп) и противоизносного действия внешней среды в процессах обработки резанием.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009—2013 гг.), по теме «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области станкостроения» (проект № 02.740.11.0521).

Цель работы. Повышение эффективности лезвийного резания металлов за счет механохимической активации водомасляных эмульсионных СОТС в процессе их приготовления

Задачи. Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1. Проанализировать существующие методы и установки для механохимической активации ВМЭ СОТС, выбрать эффективный метод активации для изучения его влияния на процесс лезвийного резания металла.

2. Выполнить экспериментальные исследования влияния режима механохимической активации водомасляных эмульсионных СОТС на основные характеристики лезвийного резания: износостойкость режущего инструмента, силу резания, контактную температуру и шероховатость обработанной поверхности.

3. Найти оптимальные режимы механохимической активации ВМЭ СОТС и разработать на этой основе технологию приготовления продукта.

4. Выявить механизм механохимической активации ВМЭ СОТС, обеспечивающий повышение эффективности лезвийного резания.

5. Провести испытания активированных СОТС в производственных условиях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложен механизм механохимической активации ВМЭ СОТС, основанный на микрокапиллярной модели смазочного процесса при лезвийной обработке и учитывающий влияние диспергирования масляной фазы на кинетику формирования граничного смазочного слоя в зоне резания.

2. Получены экспериментальные зависимости, связывающие режим механохимической активации ВМЭ СОТС с параметрами эффективности лезвийной обработки.

3. Найден оптимальный режим механохимической активации ВМЭ СОТС по параметру износостойкости режущего инструмента.

Соответствие паспорту специальности. В соответствии с паспортом специальности 05.02.07 — технологии и оборудование механической и физико-технической обработки область исследования, посвященная повышению эффективности лезвийного резания за счет механохимической активации СОТС, соотносится с п. 2: теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных физических и химических воздействий.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе фундаментальных положений теории резания металлов, законов физики и химии. Экспериментальные исследования по активации СОТС проводились в лабораторных условиях с использованием гидравлического кавитационного смесителя.

В процессе испытаний активированных СОТС измеряли износ инструмента, силу резания, среднюю контактную температуру зоны резания и шероховатость обработанной поверхности. Процедуру оптимизации режимов активации проводили на основе методов математического планирования эксперимента.

Практическая ценность работы.

1. Произведен выбор диспергатора для эффективной механохимической активации ВМЭ СОТС.

2. Разработан технологический процесс механохимической активации ВМЭ СОТС в процессе смешивания компонентов;

3. Установлены рациональные режимы активации СОТС.

Реализация результатов работы.

Лабораторные исследования, относящейся к разработке технологии приготовления технологических жидкостей, внедрены в ООО «Пром-

ТехКомплект»». Результаты работы используются в учебном процессе для подготовки специалистов по направлению 151900 «Конструктор-ско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» в ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина» (лекционный курс «Резание металлов»).

Апробация работы. Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 13 научных работах, в т. ч. в 5 статьях в журналах, рекомендованных ВАК.

Положения диссертации были обсуждены на: Региональной молодежной научной конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Иваново, 2008); Региональной научно-технической конференции «Материаловедение и надежность триботехнических систем» (Иваново, 2009); I Межвузовском научно-техническом семинаре аспирантов, студентов, курсантов и слушателей (Ивановский институт ГПС МЧС России, Иваново, 2010); Региональной научно-технической конференции аспирантов и студентов «Энергия 2010» (Иваново, 2010).

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав, списка литературы, содержит 170 страниц печатного текста, 9 таблиц, 77 рисунков, 119 литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, определена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе дан литературный обзор, отражающий современные представления о механизме смазочного действия СОТС при лезвийной обработке металлов. Проведен анализ активационных методов, применяемых при резании металлов. Большой вклад в области изучения диспергирования СОТС внесли JI. В. Худобин, Е. Г. Бердичевский, А. И. Чулок и др.

С 80-х годов прошлого века проблема кинетики проникновения СОТС в контактную зону решалась с использованием микрокапиллярной модели. На границе раздела между инструментом и обрабатываемым материалом образуется сеть тонких полых капилляров, через которые проникает смазочный материал. Впервые такая идея была высказана М. Мерчантом, позднее нашли аргументы для ее подтверждения В.Н. Латышев, С.К. Хакраборти, Кёниг и Витте и другие исследователи. Первые аналитические задачи по описанию движения смазочной среды в межповерхностной капиллярной сети были выполнены Дж. Уильямсом и Д. Тейбором. Представления о микрокапиллярном смазочном процессе были развиты в работах В.А. Годлевского, В.Н. Латышева и др..

Согласно данной теории, формирование смазочного слоя проходит следующие стадии: 1) жидкофазное проникновение; 2) испарение жидкой фазы в капилляре; 3) заполнение капилляра смазочной средой в парогазовом состоянии; 4) формирование граничного смазочного слоя в результате адсорбции и/или хемосорбции; 5) формирование надмолекулярной структуры смазочного слоя. Однако эта теория была разработана для гомогенной смазочной системы и не учитывала дисперсность частиц в гетерогенных СОТС (таких, как эмульсии). Мы утверждаем, что дисперсность — один из основных факторов, влияющих на проникающую способность гетерогенных СОТС и, следовательно, на протекание описанных выше эффектов при резании металлов. На основании изложенного следует, что изучение процессов диспергирования и активации СОТС позволяет создать более полную картину смазочного действия при резании металлов.

Вторая глава содержит теоретические предпосылки повышения эффективности СОТС за счет диспергирования. Основой описания является капиллярная модель. Единичный межповерхностный капилляр можно представить в виде цилиндра, один конец которого закрыт. Такой капилляр имеет характерные размеры г и Радиус г может ограничивать размеры проникающих в капилляр дисперсных частиц, входящих в состав СОТС. Наличие крупных частиц снижает вероятность эффективного заполнения капиллярной сети трибоактивной фазой. Покажем, как принципиально отличается характер проникновения в капиллярную сеть эмульсионных СОТС при различных соотношениях размера частиц масляной фазы Я и радиуса капилляра г.

Случай 1. Крупные частицы (Я » г).

Пусть в какой-то момент времени контактная зона имеет Л'к капилляров, у каждого из которых открытый конец обращен в сторону смазочной среды. Поскольку частицы масляной фазы крупные, часть капилляров будут заполнены исключительно масляной фазой, а оставшаяся их часть — только лишь водой (рис. 1, а). Пропорция между этими частями будет соответствовать концентрации с масла в воде. Поскольку трибоактивный компонент будет действовать только в ■ с капилляров, коэффициент сопротивления сдвигу в такой капиллярной системе будет пропорционально числу капилляров заполненных маслом, и это будет отражено величиной кажущегося коэффициента трения стружки по передней поверхности.

Случай 2. Мелкие частицы (Л « г).

В данном случае в каждый капилляр обязательно попадут и масло, и водная фаза. Поскольку для адсорбции масляной фазы ее необходимо немного, чтобы покрыть всю поверхность, то граничный смазочный слой будет образован масляной фазой в каждом капилляре (рис. 1,6).

а б

Рис. 1 Механизм проникновения эмульсии, а — когда диаметр масляной фазы больше диаметра капилляра; б — когда диаметр масляной фазы меньше диаметра капилляра; 1 — единичный капилляр: 2 — сеть капилляров между поверхностью стружки и передней поверхностью инструмента; 3 — масляная фаза; 4 — водная фаза.

Согласно нашей гипотезе, сопротивление сдвигу будет находиться в зависимости от следующих факторов:

т =/(Ак;с;</;г), (1)

где т — коэффициент сопротивления сдвигу; Л/к — количество открытых капилляров на межфазной границе в данный момент времени; с — концентрация масляной фазы; d — дисперсность частиц; г — радиус капилляра.

Рассмотрим энергетический аспект изучаемой нами проблемы. В гетерогенных системах (например, эмульсиях), одна из фаз представляет собой сравнительно крупные частицы, поверхность раздела фаз невелика. В таких системах поверхностные явления практически не проявляются. По мере уменьшения размеров частиц вещества одной из фаз возрастает абсолютная величина поверхности раздела и поверхностные свойства приобретают все большее значение. Поверхностные явления связаны с наличием избыточной энергии у поверхности раздела фаз.

Фактором интенсивности поверхностной энергии является поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение на границе масло-вода составляет 0,0336 Дж/м2. Для гетерогенной системы полное изменение внутренней энергии (изобарно-изотермный потенциал Гиббса, при постоянных энтропии, объеме, количестве вещества и заряде) будет записываться следующим образом:

а = (->,У,п„ч> (2)

где а - поверхностное натяжение; (Ю ~ изменение внутренней энергии; - изменение площади поверхности; б —энтропия; V — объем; щ — концентрация /-го вещества; д — заряд.

При диспергировании эмульсии будет происходить изменение поверхностной энергии, связанной с совершением работы против сил

внутреннего давления (рис. 2). Эта запасенная энергия влияет на физико-химическую кинетику многоступенчатого капиллярного смазочного процесса.

0,4 0.6 0,8

D, дисперсность, мкм1

Рис. 2. Зависимость износа инструмента (1) и поверхностной энергии (2) водоэмульсионной СОТС от дисперсности эмульсии. Точение стали 12Х18Н10Т резцами ВК8 в среде 5%-1 водомасляной эмульсии. Эмульгатор — триэтаноламиновая соль олеиновой кислоты. Режим резания: скорость v = 270 м/мин; подача s = 0,1 мм/об.; глубина резания /= 0,5 мм

При увеличении межфазной поверхности ускоряются различные физико-химические явления, в том числе облегчается испарение. При быстром испарении, согласно капиллярной смазочной теории, больше времени будет оставаться на заполнение капилляра, образование адсорбционного граничного слоя.

Скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости: чем больше площадь, тем большее число молекул получают доступ к поверхности, и испарение идет быстрее. В данной работе была применена зависимость теплоты парообразования Ь от поверхностного натяжения а:

. _ a6N3n2 RyT Мъръ М

(3)

где Яу— универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль-К); Т — температура, К', т — масса испарившейся жидкости, кг; М — молекулярная масса, кг/моль; рп, р — плотности пара и жидкости соответственно, кг/м3; N— число Авогадро, кмоль"1. В общем случае для реальных молекул следует ввести безразмерный коэффициент п = Я/К., где Яэ— эффективный радиус молекулы, м.

Как мы предполагаем, кроме описанных выше особенностей физикохимической кинетики высокодиспергированных эмульсий, важным аспектом является изменение при активации их химического состава. В результате происходит деструкция пространственного молекулярного каркаса воды, высвобождение водородных связей, образование высокореакционноспособных ионов и радикалов Hf и ОН . В присутствии кислорода образуются и другие продукты, обладающие окислительными свойствами — гидропероксидный радикал Н02, пе-роксид водорода Н202 и атомарный кислород О.

При активации воды, радикал О, растворенный в Еюде, взаимодействует с углеводородами СОТС, окисляет их. В зависимости от состава СОТС, окисление углеводородов молекулярным кислородом приводит к образованию большого число промежуточных и конечных кислородсодержащих продуктов: перекисей, спиртов, карбонильных соединений, кислот, эфиров и другое. Ранее было установлено, что в случае окисления предельных углеводородов, присутствие гидроперекисей ведет к повышению трибологической активности СОТС.

Третья глава содержит основные экспериментальные методики и сведения об используемых средствах измерения и оборудования. Для исследования применяли ВМЭ СОТС. Для активации СОТС использовали гидродинамический кавитационный смеситель, защищенный патентом РФ № 2396108 от 10.08.2010 г., который ранее не применялся для приготовления смазочного материала. Эффективное действие гидродинамического смесителя заключается в сочетании явления кавитации и интенсивной циркуляции технологической жидкости. В результате кавитации эмульсия активно диспергируется, что способствует более интенсивному протеканию физико-химических процессов. А циркуляция способствует выравниванию состава жидкости по всему объему.

Приготовление СОТС в специальном смесителе привлекает про- -стотой конструктивных решений, незначительными потреблением электроэнергии смесителя (экономия до 40% по сравнению с аналогами), уменьшением времени приготовления СОТС (до 70 % по сравнению с аналогами), возможностью обработки ее вне зоны резания.

Исследования процесса резания проводились с использованием токарного патронно-центрового станка с ЧПУ 16А20ФЗ. Были заданы следующие пределы режимов резания заготовок: скорость резания для резцов ВК8 в диапазоне v= 150...300 м/мин; для резцов Р6М5 — в диапазоне v= 40...60 м/мин; подача s = 0,1...1 мм/об.; глубина резания t = 0,2... 1 мм. Для определения дисперсности СОТС применяли лазерный дифракционный анализатор размера частиц «анализегге 22». с диапазоном измерения 0,1 ... 1250 мкм. Для исследования состояния деформируемых вторичных структур металлов применяли методы ме-

таллографического и металлофизического анализов. Физико-механические свойства поверхностей исследовались с помощью микротвердомера ПМТ-3 по стандартной методике (ГОСТ 9450).

При исследовании шероховатости обработанных поверхностей при резании использовали профилограф-профилометр «Абрис — ПМ7». Смазочное действие СОТС оценивалось измерением коэффициента трения на машине трения СМТ-1. Для измерения сил резания использовался универсальный динамометр УДМ-600. Температура резания измерялась методом естественной термопары.

Четвертая глава посвящена изучению смазочного действия и оценке антизадирных свойств СОТС в модельных условиях на трибометрических установках. При моделировании условий граничного трения нами была использована схема трения «вращающийся диск — неподвижный шарик» (рис. 3).

Рис. 3. Упрощенная схема узла трения машины:1 — нижний (вращающийся) вал; 2 — верхний (неподвижный) вал; 3 — нагружающее устройство; 4 — шарик; 5 — контртело, 6 — пара трения: диск — шарик.

Установлено, что изменение дисперсности ВМЭ СОТС, в результате применения специальной технологии приготовления, влияет на коэффициент трения и средний диаметр пятна износа (рис. 4). Установлено также, что при применении диспергированной СОТС, становится возможным трение без задира при увеличенных контактных нагрузках.

200 400

нагрузка, Н

6

1

#

0,11

0,08

\ч

тк;

200 400

нагрузка, Н

500 1000

500 1000

.....¡0 50 ¡00

размер частиц, м км

500 II»*)

Рис. 4. Влияние размера частиц СОТС на средний диаметр пятна износа (а) и коэффициент трения (б): 1 — крупнодисперсная система; 2 — среднедисперсная система; 3 — мелкодисперсная система.

Пятая глава содержит экспериментальные исследования процессов резания в среде диспергированной СОТС. Для резания металлов важнейшими параметрами являются интенсивность изнашивания, сила резания и средняя контактная температура. В качестве обрабатываемых материалов применялись нержавеющая сталь 12Х18Н10Т и сталь 45. В качестве инструментального материала использовались ВК8 и Р6М5 соответственно.

Опыты показали, что применение активированной ВМЭ СОТС позволяет существенно снизить износ режущего инструмента. Полученные экспериментальные данные подтверждают, что разработанная технология приготовления СОТС позволяет до 2 раз снизить величину размерного износа для резцов из твердого сплава ВК8 при точении стали 12Х18Н10Т. Сравнение величин износа режущего инструмента по задней поверхности /г., показывает, что применение активированной СОТС сокращает величину h3 до 3 раз (рис. 5, 6).

В результате исследований величины шероховатости обработанной заготовки и износа инструмента, выявлено, что новая технология приготовления позволяет до 40 % снизить величину размерного износа для резцов Р6М5 при точении ст.45. Сравнение величин износа режущего инструмента по задней поверхности h3 показывает, что диспергированная СОТС сокращает величину h:i до 2 раз (рис.7).

U 160

О

X 140

X

IX 120

3

X а 100

S 1 (П 80

£ (в а, 60

.с >х

3 40

5 20

5

£ 2 0

\ L,

; и

Шт

0 5»104 10*104 15*10* 20Х104 25*10* ЗОхЮ4 35*10"

/, м

длина пути резания

Рис. 5. Величина радиального размерного износа режущего инструмента с использованием: 1 — крупнодисперсной; 2- мелкодисперсной ВМЭ СОТС.

а б

Рис. 6. Износ твердосплавных резцов ВК8 при точении стали 12X18Н ЮТ по задней кромки h3: а — не диспергированная СОТС; б — диспергированная СОТС. Цена деления 0,05 мм. Режимы резания: скорость резания v = 4,5 м/с; подача s = 0.1 мм/об.; глубина резания t = 0,5 мм.

Сравнительные результаты измерений шероховатости обработанных поверхностей показали, что диспергированная СОТС позволяет снизить величину шероховатости Ra до 35 %.

Из. мм

1,32

hp. мм

0,122--

Из. мм

1,6

0,82 ■ -

hp, мм

0,167 --

0,064 - - Н

а б

Рис. 7. Влияние диспергированной СОТС на размерный износ hp и износ по задней поверхности /г3 режущего инструмента: а — при точении стали 12Х18Н10Т резцами ВК8; б — при точении стали 45 резцами Р6М5. 1 — грубодисперсная; 2 — мелкодисперсная ВМЭ СОТС. Режимы резания: скорость резания v = 270 м/мин; подача 5 = 0,1 мм/об.; глубина резания t = 0,5 мм.

Средняя температура в зоне резания определялась по величине термо-ЭДС, возникающей в зоне плотного контакта инструмента и обрабатываемой детали. Зависимости влияния мелкодисперсной активированной СОТС на величину термо-э.д.с. представлены на рис. 8.

При скоростях резания 55 м/мин и выше диспергированные СОТС снижают величину термо-ЭДС. Таким образом, наибольшая эффективность СОТС, приготовленной в выбранном нами смесителе,

проявляется при скоростях резания, характерных для получистовой и чистовой видах обработки.

Использование специальной технологии приготовления СОТС обеспечивает высокую стабильность ее физико-химических и технологических свойств. По данным экспериментов установлено незначительное снижение размерного износа режущего инструмента от времени хранения СОТС (рис. 9).

25---—

15

м

-Г ¥ V

Ж"

О 50 100 150

Скорость резания, м/мин

Рис. 8. Зависимость влияния технологии приготовления СОТС на величины термо-э.д.с. от скорости резания при точении стали 12Х18Н10Т резцом ВК8: 1 — СОТС обычного механического перемешивания; 2 — высокодисперсная СОТС.

0 2 4 6 8 10 12

время хранения СОТС. днн

Рис. 9. Изменение износа инструмента от времени хранения СОТС.

Шестая глава содержит определение оптимального режима приготовления СОТС в гидродинамическом смесителе, с целью получения мелкодисперсной системы. На основе априорных данных выби-

раются основные уровни факторов Хь Х2 и интервалы их варьирования. В качестве входных факторов были взяты: X) — скорость вращения смесителя я, об/мин; Х2 — время смешивания /, мин.

В качестве критерия оптимизации была выбрана концентрация частиц размером 0,1-5 мкм в объеме СОТС, прошедшей активацию. Были использованы методы математического планирования эксперимента, в результате которого получили уравнение регрессии для локального эксперимента с координатами («, /):

у = 48,46 + 0,0696 -п -3,67-1 (4)

Для модели 1-го порядка на основании полученных результатов и анализа уравнения (4) можно сделать следующие выводы:

1. Дисперсность растет с увеличением скорости смешивания.

2. С увеличением времени обработки дисперсность уменьшается.

3. Взаимодействие факторов скорости смешивания и времени обработки не существенно (коэффициент взаимодействия факторов меньше доверительного интервала).

Для определения оптимального режима обработки применяли метод «крутого восхождения». В табл. 1. представлены результаты движения по линии крутого восхождения. Расчет значений «мысленных» опытов проводится по формуле (4). Анализ результатов крутого восхождения (табл. 1) показывает, что зона оптимума лежит в пределах изменения факторов: скорости обработки 500 об/мин, времени смешивания в интервале от 4 до 6 мин.

Таблица 1. Результаты «крутого восхождения»

Последовательность этапов крутого восхождения Факторы Параметр оптимизации (концентрация мелких частиц)

п, об/мин 1, мин

1 .мысленный 500 7 57,57

2.реализованный 500 6,5 59,405

3.мысленный 500 6 61,24

4.реализованный 500 5,5 63,075

5. мысленный 500 5 64,91

6. реализованный 500 5 68,8

7. мысленный 500 4,5 66,745

8. реализованный 500 4,5 66,6

9. мысленный 500 4 67,58

Проведена промышленная апробация результатов на ООО «ПромТехКомплект». По ее результатам рассчитан годовой экономический эффект на единицу оборудования, который составил 71129,44 руб.

Основные выводы:

1. Установлена эффективность специального гидродинамического кавитационного смесителя циркуляционного типа с элементами механохимической активации. Приготовление СОТС в специальном смесителе привлекает простотой конструктивных решений, незначительными потреблением электроэнергии смесителя, уменьшением времени приготовления СОТС, возможностью обработки ее вне зоны резания;

2. Предложена основанная на капиллярном описании смазочного процесса модель, позволяющая объяснить эффективность мелкодисперсных эмульсий в процессе формирования граничного смазочного слоя при резании металлов, на этапе проникновения смазочной среды в межповерхностную капиллярную сеть;

3. Исследования процесса лезвийного резания, показывают, что применение активированной мелкодисперсной СОТС, приготовленной с оптимальными режимами механоактивации, позволяет: снизить величину размерного износа режущего инструмента до 2 раз и сокращает величину износа по задней поверхности инструмента до 3 раз для резцов из твердого сплава ВК8 при точении стали 12Х18Н10Т, позволяет до 40 % снизить величину размерного износа для резцов Р6М5 при точении стали 45 и сокращает величину h3 до 2 раз, уменьшить силу резания Рг и среднюю контактную температура, снизить усадку стружки и улучшить качество обработанной поверхности;

4. Найден оптимальный режим механохимической активации ВМЭ СОТС. Установлено, что наибольшую эффективность имеют СОТС, приготовленные на предварительно активированной воде, со следующими режимами: 500 об/мин и временем смешивания 5 мин;

5. Промышленная апробация результатов на ООО «ПромТех-Комплект» показала, что предложенная активация СОТС позволяют увеличить стойкость режущего инструмента и снизить эксплуатационные затраты, что дает годовой экономический эффект на единицу оборудования 71129,44 рублей.

Основные научные результаты исследования отражены в следующих публикациях:

Статьи, опубликованные в изданиях ВАК

1. Киселева, Е.В. Измельчение известняка при однородном на-гружении как фактор процесса приготовления технологической жидкости для обработки материалов резанием и технологии строительных материалов / Н.В. Ладаев, П.П. Гуюмджян, Е.В. Жбанова, В.В. Марков, Е.В. Киселева // Вестник ИГЭУ. —2007. — Вып. 3. — С. 59—61, (0,19 пл., автора — 0,035 пл.).

2. Киселева, Е.В. Влияние способа перемешивания технологических жидкостей на их структуру / В.В. Марков, Е.В. Киселева // Вестник ИГЭУ. — 2009. — Вып. 3. — С. 38—40, (0,19 пл., автора — 0,1 пл.).

3. Киселева, Е.В. Разработка эффективной технологии приготовления смазочно-охлаждающей жидкости для обработки металлов / Е.В. Киселева // Вестник ИГЭУ. — 2010,— Вып. 2. — С. 60—63, (автора — 0,25 пл.).

4. Киселева, Е.В. Теоретические предпосылки механической активации технологической жидкости / Е.В.Киселева // Вестник ИГЭУ. 2010. — Вып. 4. — Иваново, 2010. — С. 47—50, (автора — 0,25 пл.).

5. Киселева, Е.В. Капиллярный механизм смазочного действия водомасляных микроэмульсий в условиях лезвийного резания / Е.В. Киселева, В.В. Марков, В.А. Годлевский // Вестник ИГЭУ. — 2011 — Вып. 5. — С. 33—35, (0,2 пл., автора — 0,06 пл.).

Публикации в других изданиях

6. Киселева, Е.В. Смазочно-охлаждающие технологические жидкости для обработки металлов резанием / В.В. Марков, П.П. Гуюмджян, Е.В. Киселева, C.B. Батуев // IV Выставка научных достижений Ивановской области. Ивановский инновационный салон «Инновации — 2007». — Иваново : ИвРНКЦ, 2007. — С. 105—106, (0,06 пл., автора — 0,01 пл.).

7. Киселева, Е.В. Исследование антифрикционных свойств присадок двойного действия к маслам / В.В. Марков, Е.В. Киселева, П.П. Гуюмджян, С.О. Кожевников // Физика, химия и механика трибоси-стем: Межвузовский сборник научных трудов. Иваново : Иван. гос. университет, 2007. — Вып.6. — С. 46—48, (0,125 пл., автора — 0,03 пл.).

8. Киселева, Е.В. Разработка новых технологий приготовления СОТС / Е.В. Киселева. // Молодая наука в классическом университете. Иваново, 21—25 апреля 2008 г. Иваново : Иван. гос. университет, 2008. — С. 66—67., (автора — 0,063 пл.).

9. Киселева, Е.В. К вопросу образования «белого слоя» на контактных поверхностях режущего инструмента и прирезцовой поверхности стружки / В.В Марков, П.П. Гуюмжян, Е.В. Киселева // Материаловедение и надежность триботехнических систем. — ИГХТУ,

2009. — С. 118—122., (0,32 п.л., автора — 0,1 п.л.).

Ш.Киселева, Е.В. Прогрессивные технологии приготовления СОТС для обработки металлов резанием / Е.В. Киселева // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сборник статей VI Международной научно-технической конференции. — Пенза : Приволжский Дом знаний, 2010. — с. 144-150., (0,25 пл.).

П.Киселева, Е.В. Взаимное влияние реологических и технологических свойств СОЖ при изменении технологии их приготовлен™ / Е.В. Киселева, В.В. Марков // Надежность и долговечность машин и механизмов. Сб. материалов I Межвузовского научно-практического семинара аспирантов, студентов, курсантов и слушателей. — Иваново: Отделение организации научных исследований экспертно-консалтингового отдела Ивановского института ГПС МЧС России,

2010. — с. 15-18., (0,2 п.л., автора — 0,15 пл.).

12. Киселева, Е.В. Вопросы оптимизации струюурообразования дисперсных систем / Е.В. Киселева, В.В. Марков // Надежность и долговечность машин и механизмов. Сб. материалов. I Межвузовского научно-практического семинара аспирантов, студентов, курсантов и слушателей. — Иваново: Отделение организации научных исследований экспертно-консалтингового отдела Ивановского института ГПС МЧС России, 2010. — С. 18—20, (0,2 пл., автора — 0,15 пл.).

13. Киселева, Е.В. Способы приготовления СОТС для обработки металлов резанием / Е.В. Киселева, О.И. Гырдымова // Энергия 2010: Материалы региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов / ГОУВПО Ивановский государственный университет имени В.И. Ленина. — Иваново, 2010. — С. 88—89., (0,06 пл.).

КИСЕЛЕВА Елена Валерьевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕЗВИЙНОГО РЕЗАНИЯ ПУТЕМ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ ВОДОМАСЛЯНЫХ ЭМУЛЬСИОННЫХ СОТС

специальность 05.02.07 — технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Подписано в печать: 16.12.2011г. Формат 60*84 Бумага писчая. Печать плоская.

Тираж 100 экс. Типография ИП «Вахромеев» 153002 Иваново, Шестернина,3. Тел. (4932) 32-52-43 E-mail: pavel.vahromeeff@yandex.ru

61 12-5/1431

Ивановский государственный университет

На правах рукописи

КИСЕЛЕВА Елена Валерьевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕЗВИЙНОГО РЕЗАНИЯ ПУТЕМ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ ВОДОМАСЛЯНЫХ ЭМУЛЬСИОННЫХ сотс

Специальность:

05.02.07 — Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

В.В. Марков

Иваново 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ........................................................5

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................8

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................12

1.1. Общие представление о механизме формирования граничного смазочного слоя............................................................................................12

1.2. Кинетика смазочного действия внешней среды при лезвийном резании........................................................................................15

1.2.1. Действия внешних сред в зоне резания...................................15

1.2.2. Проникновение внешней среды на поверхности контакта режущего инструмента с обрабатываемым материалом.....................18

1.2.3. Современная капиллярная модель формирования граничного смазочного действия................................................................22

1.3. Активация СОТС внешними энергетическими воздействиями............26

1.3.1. Проблема управления активностью СОТС.............................26

1.3.2. Основные теоретические предпосылки активации СОТС..........27

1.3.3. Применение методов внешней энергетической активации при обработке резанием.................................................................29

1.4. Выводы по главе 1 и постановка задач исследования.......................34

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОТС ЗА СЧЕТ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ............36

2.1. Механико-вероятностная модель формирования смазочного слоя

на этапе проникновения эмульсии...................................................36

2.2. Роль поверхностных явлений....................................................41

2.3. Теплофизический аспект при использовании высоко дисперсных эмульсий...................................................................................44

2.4. Получение высокодисперсных СОТС..........................................48

2.5. Выводы по главе 2....................................................................61

ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ.........................63

3.1. Гидродинамический навигационный смеситель...............................63

3.1.1. Описание экспериментальной установки..............................64

3.1.2. Обоснование принятой схемы проведения исследований и экспериментов........................................................................68

3.2. Методика дисперсного анализа....................................................72

3.3. Ускоренная методика оценки триботехнологических свойств смазочных материалов на серийной машине трения.............................................75

3.4. Измерение размерного износа режущего инструмента......................79

3.5. Методика оценки шероховатости обработанной поверхности............82

3.6. Методика измерения средней контактной температуры в зоне

резания........................................................................................84

3.7. Установка для измерения тангенциальной составляющей Рг силы резания.......................................................................................85

3.8. Используемые приборы для исследования......................................87

3.9. Выводы по главе 3....................................................................87

ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ СМАЗОЧНОГО ДЕЙСТВИЯ АКТИВИРОВАННОЙ ВЫСОКОДИСПЕРСНОЙ СОТС НА ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СТЕНДАХ.................................................89

4.1. Исследование процессов трения с использованием активированной высодисперсной СОТС...................................................................89

4.2. Оценка антизадирных свойств СОТС...........................................94

4.3. Выводы по главе 4....................................................................99

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ В СРЕДЕ АКТИВИРОВАННОЙ ВЫСОКОДИСПЕРСНОЙ

СОТС........................................................................................100

5.1. Исследование влияния активированной высоко дисперсной СОТС

на износ режущего инструмента......................................................100

5.2. Исследование влияния активированной СОТС на силу резания Pz.....109

5.3. Влияние исследуемой СОТС на изменение средней контактной температуры...............................................................................114

5.4. Исследование наростообразования..............................................117

5.5. Оценка шероховатости обработанной поверхности........................119

5.6. Исследование влияния активированной СОТС на усадку стружки......124

5.7. Исследование формы стружек...................................................128

5.8. Выводы по главе 5..................................................................133

ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.................................................................................134

6.1. Выбор оптимальных режимов приготовления эмульсии..................134

6.2. Технико-экономическое обоснование использования активированной высокодисперсной СОТС..............................................................147

6.3. Выводы по главе 6.................................................................154

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ.......................155

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...........................156

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................169

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

г - радиус межповерхностного капилляра; сж- объемная концентрация ПАВ в жидкой фазе; /- длина капилляра;

4с- глубина проникновения жидкой фазы в капилляр;

V- коэффициент пропорциональности, имеющий смысл тангенса угла наклона прямолинейного участка изотермы адсорбции; 4- длина капилляра;

%2- время, характерное для адсорбции на стенках капилляра; ¿4в - диаметр твердых частиц СОТС; 4 - диаметр капилляра; 1Як - общее количество капилляров; ЫК(м) - количество капилляров, заполненных маслом; Ык(в) - количество капилляров, заполненных водой; Ф - коэффициент сопротивления сдвигу; С - концентрация; Б - дисперсность частиц; а - размер частиц эмульсии;

- удельная поверхность; V- объем дисперсной фазы, мл; к - коэффициент формы частиц; ¿/-диаметр частицы эмульсии, м2; п - число частицы; 5*0- поверхность каждой частицы; А^внеш - работа внешних сил; <5 - поверхностное натяжение; АЯ - изменение площади поверхности; (Ш - изменение внутренней энергии; Тт - температура;

ёБ - изменение энтропии; р - давление, Па; (IV - изменение объема; сЬ - изменение площади поверхности; щ - химический потенциал компонента /; ёп, - изменение количества вещества компонентов; р - электрический потенциал;

- изменение заряда; ()пар - количество теплоты;

Ь - удельная теплота парообразования; т - масса жидкости; I —энтальпия; Дж; и — внутренняя энергия, Дж; VI — объем, м3;

Яу— универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль-К);

тп — масса испарившейся жидкости, кг;

М — молекулярная масса, кг/моль;

рп, р — плотности пара и жидкости, кг/м3;

А — работа разрыва двух соседних слоев жидкости, Дж;

Б — площадь разрыва, м2;

Е - энергия распаковки частиц эмульсии;

— число Авогадро, кмоль"1;

п - безразмерный коэффициент;

Яэ — эффективный радиус молекулы, м;

N - скорость смешивания эмульсии, об/мин;

Т - время смешивания эмульсии, мин;

с1вх - диаметр входного отверстия конфузора;

¿вых- диаметр выходного отверстия конфузора;

Бс - диаметр сосуда, в котором производят смешивание, мм;

И3 - износ режущего инструмента по задней кромки;

- радиальный размерный износ, мкм; Рг - тангенциальная сила резания, Н; 11а - шероховатость, мкм;

К\ - коэффициент продольного укорочения стружки; 10 - длина среза; 1стр - длина стружки;

ВВЕДЕНИЕ.

Процессы обработки металлов резанием характеризуются исключительным многообразием условий, обусловленных обширной номенклатурой обрабатываемых и инструментальных материалов, спецификой конкретных операций, характером и масштабами производства. Одним из наиболее важных факторов состояния системы резания является применение смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). За счет изменения их состава и состояния можно эффективно осуществлять глубокие и многосторонние изменения параметров функционирования системы резания [4,6,75]. В связи с этим особое значение приобрела проблема разработки эффективных СОТС, методов их приготовления и применения.

Обобщение отечественного и зарубежного опыта показывает, что в результате рационального использования СОТС достигается увеличение стойкости режущих инструментов в 1,5-5 и более раз, повышение точности обработанных деталей и эксплуатационных свойств обработанных поверхностей. Все это открывает возможность увеличения производительности труда в 1,1-2 раза [105].

Повышение эффективности действия СОТС при обработке металлов производится как путем создания новых составов с более высокими функциональными свойствами (изменение химического состава), так и путем интенсификации действия существующих технологических средств (безагрегатные методы активации).

Активацией технологических средств (СОТС, инструмента, детали) называется их обработка потоком энергии [59]. Активация производится для улучшения каких-либо свойств технологических средств или изменения результатов их взаимодействия. Активация осуществляется путем изменения физико-химических эффектов и явлений, сопутствующих резанию (повышение скоростей реакций в зоне обработки; возбуждение новых видов поверхностного

взаимодействия между деталью, инструментом и средой; подавление нежелательных адгезионных и диффузионных процессов и др.) [59].

Безагрегатные методы активации СОТС привлекают простотой конструктивных решений и незначительными эксплуатационными затратами. Данный метод охватывает различные химические и физико-химические превращения вещества при механическом воздействии. Механохимические превращения обусловлены переходом вещества в метастабильное химически активное состояние, а также интенсификацией массопереноса в результате поглощения механические энергии [35,40,94].

Следовательно, в результате активации СОТС изменяются ее физико-химические и технологические свойства, за счет этого можно эффективно осуществлять изменения основных параметров при обработки резанием.

Актуальность работы. Одним из важных условий производительного резания является применение смазочно-охлаждающих технологических жидкостей, в связи с чем разработка новых их составов и техники применения является актуальной задачей. Одним из мало исследованных аспектов использования СОТС является влияние способа приготовления водомасляных эмульсионных СОТС (ВМЭ СОТС) на их технологическую эффективность.

Возможности влияния способа и интенсивности перемешивания компонентов на этапе приготовления СОТС в достаточной мере не реализованы на практике, в особенности это касается гетерогенных композиций, таких, как эмульсии и суспензии. Результатами работ в этом направлении могут быть снижение себестоимости, повышение производительности обработки, повышение качества обработанных поверхностей, снижение энергозатрат. Кроме того, исследование процессов, происходящих в жидкой смазочной среде, на этапах приготовления СОТС и собственно в процессе резания дает возможность выявить фундаментальные закономерности механизмов смазочного и противоизносного действия внешней среды в процессах обработки резанием.

Связь с целевыми программами. Настоящая работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2013 гг.), по теме «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области станкостроения» (госконтракт № 02.740.11.0521).

Цель работы. Повышение эффективности лезвийного резания металлов за счет механохимической активации водомасляных эмульсионных СОТС в процессе их приготовления

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен механизм механохимической активации ВМЭ СОТС, основанный на микрокапиллярной модели смазочного процесса при лезвийной обработке и учитывающий влияние диспергирования масляной фазы на кинетику формирования граничного смазочного слоя в зоне резания.

2. Получены экспериментальные зависимости, связывающие режим механохимической активации ВМЭ СОТС с параметрами эффективности лезвийной обработки.

3. Найден оптимальный режим механохимической активации ВМЭ СОТС по параметру износостойкости режущего инструмента.

Практическая ценность работы.

1. Произведен выбор диспергатора для эффективной механохимической активации ВМЭ СОТС.

2. Разработан технологический процесс механохимической активации ВМЭ СОТС в процессе смешивания компонентов;

3. Установлены рациональные режимы активации СОТС.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на: Региональной молодежной научной конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Иваново, 2008); Региональной научно-технической конференции «Материаловедение и надежность триботехнических систем» (Иваново, 2009); I Межвузовском научно-техническом семинаре

аспирантов, студентов, курсантов и слушателей (Ивановский институт ГПС МЧС России, Иваново, 2010); Региональной научно-технической конференции аспирантов и студентов «Энергия 2010» (Иваново, 2010).

Публикации. Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 13 научных работах, в т.ч. в 5 статьях в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы: Работа состоит из введения, 6 глав, списка литературы, содержит 170 страницы печатного текста, 9 таблиц, 77 рисунков, 119 литературных источников.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Общие представление о механизме формирования граничного смазочного слоя

Мнение большинства специалистов в области трения и резания металлов сводится к тому, что при резании металлов активные в химическом отношении поверхности резца и стружки вступают в химическую реакцию с компонентами смазочного материала. В результате этого образуются защитные пленки, экранизирующие силы адгезии между ювенильными поверхностями [8,56,111,114].

Таким образом, механизм смазочного действия среды при резании заключается в образовании на граничных поверхностях вторичных структур, в той или иной степени предотвращающих непосредственное взаимодействие металлов фрикционной пары.

В зависимости от обстоятельств это могут быть [56,57]:

- хемосорбированные и адсорбционные атомы и молекулы внешней среды;

- пленки химических соединений;

- слои твердых растворов атомов среды в кристаллических решетках контактирующих металлов.

Чаще на участках данной поверхности возникают различные по природе пленки в том или ином сочетании. Трение при резании имеет специфический вид. Пластические деформации здесь не локализуются в тончайших приграничных слоях, а сопровождаются, как правило, схватыванием, пропахиванием, абразивным скоблением (микрорезанием).

Средние коэффициенты трения при резании всегда превышают 0,3...0,5, тогда как при объемном трении они составляют 0,05...0,15. Износ при резании примерно на пять порядков больше [60].

Для того чтобы проявить свое антифрикционное действие, внешняя среда должна проникнуть на площадки трения.

В силу того, что зона контакта резания представляет собой сложную систему, имеющую неоднородное распределение контактной нагрузки и контактной температуры, проникновение среды на различные участки реализуется по различным механизмам. На участки с высокой температурой и в зонах пластичного контакта, очевидно, проникновение среды возможно только в виде газовой или паровой фазы. На участки упругопластичного контакта проникновение среды возможно за счет действия капиллярных сил.

Механизм такого проникновения остается предметом научной дискуссии. Согласно взглядам различных авторов [21,23,95], доступ среды может осуществляться:

- через сеть капилляров между поверхностями стружки и инструмента;

- за счет образования полостей, вызванных периодическими срывами нароста;

- за счет нарушения плотности контакта вследствие колебаний инструмента и заготовки;

- в результате диффузии через насыщенный дефектами деформируемый материал стружки (рис. 1.1).

Внешняя среда также может существенно изменить в зоне трения свое агрегатное состояние, свойства и химический состав. Можно выделить следующие случаи изменения свойств смазочной среды в зоне резания:

- внешняя среда поступает в зону взаимодействия, не изменяя при этом ни своего агрегатного состояния, ни химического состава;

- вещество, вводимое извне, при поступлении в зону взаимодействия изменяет или агрегатное состояние (например, часть жидкости испаряется), или химический состав прежде, чем вступить в реакцию с трущимися поверхностями;

а

б

в

Рис. 1.1. Схемы поступления смазочного материала в контактную зону при резании металлов: а - через сеть капилляров между поверхностями стружки и инструмента; б - за счет образования полостей, вызванных периодическими срывами нароста; в - за счет нарушения плотности контакта вследствие колебаний инструмента и заготовки; г - в результате диффузии через насыщенный дефектами деформируемый материал с