автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности процесса сверления металлов за счет фуллеренсодержащих СОТС

На правах рукописи

еы?>

СОЙТУ Наталья Юрьевна

V

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА СВЕРЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ЗА СЧЕТ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩИХ СОТС

Специальность 05.03.01 — Технологии и оборудование механической

и физико - технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский институт машиностроения

(ЛМЗ - ВТУЗ)

Научный руководитель: доктор технический наук, доцент

Петров Владимир Маркович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Коротких Михаил Тимофеевич; кандидат технических наук, доцент Битюков Роберт Николаевич

Ведущая организация: ФГУП НПО «Аврора» (г. С-Петербург)

Защита состоится 13 ноября 2006 года в 16 час. 00 мин. в аудитории 232 главного учебного корпуса на заседании диссертационного совета К 212.222.01 при Санкт-Петербургском институте машиностроения» (ЛМЗ-ВТУЗ) по адресу: 195197, г. Санкт-Петербург, Полюстровский пр., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского института машиностроения.

Автореферат разослан 13 октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор _ Бердников Л.Н.

Актуальность проблемы. Развитие и совершенствование современного энергетического оборудования предлагает применение конструкционных материалов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами - большой удельной прочностью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью и другими специальными свойствами. Особенности физико-механических и химических свойств материалов оказывают влияние на процессы резания и обрабатываемость.

В механообрабатывающем производстве ОАО "Силовые машины" используется широкая номенклатура углеродистых и легированных сталей, жаропрочных и коррозионностойких сталей и сплавов, а также титановых сплавов. Ряд указанных материалов характеризуется низкой обрабатываемостью, связанную с особенностями физико-химических и тепло - физических свойств. Это вызывает интенсивное изнашивание инструмента и снижение производительности обработки, затрудняется достижение требуемого качества поверхностных слоев детали. Поэтому актуальной является разработка перспективных СОТС содержащих активные препараты (АП), дающие возможность сохранить, а в отдельных случаях и повысить работоспособность режущего инструмента.

Наиболее перспективными АП, находящими применение СОТС, в настоящее время являются наномодификаторы карбоновой группы — фуллероидные материалы. Использование фуллероидных наномодификаторов (ФН) в СОТС обеспечивает многофункциональное воздействие на пары режущий инструмент — заготовка, режущий инструмент — стружка, что приводит в итоге к значительному уменьшению адгезионного и усталостного изнашивания инструмента и обеспечению требуемых параметров качества поверхностного слоя и точности формируемых заготовок. Указанное является залогом повышения работоспособности режущего инструмента, обеспечения требуемых высоких эксплуатационных характеристик обработанных поверхностей деталей и производительности механической лезвийной обработки.

Цель диссертационной работы. Основной целью исследований, выполненных в работе, является повышение работоспособности режущего осевого лезвийного инструмента (спиральных сверл) за счет применения СОТС, содержащих активные препараты - фуллероидные наномодификаторы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• на базе накопленного опыта расчетно-экспериментальных работ синтезировать информативно содержательную модель процесса трения и износа пары «режущий инструмент — заготовка» с учетом влияния СОТС с АП;

• на основе полученных экспериментальных данных выполнить классификацию современных АП к СОТС по основным классификационным признакам;

• на базе выполненных экспериментальных работ по применению АП ФН в паре трения сформировать физическую модель их работы в СОТС;

• разработать методики и алгоритм введения АП ФН в СОТС на водной основе;

• разработать алгоритм адаптации АП ФН к СОТС с целью обеспечения повышенной работоспособности режущего инструмента по разработанным критериям;

• предложить эффективные методики и средства производственных испытаний СОТС с АП ФН;

• разработать систему комплексной диагностики эксплуатационных параметров качества режущей кромки инструмента при условии применения СОТС с АП ФН.

Объект исследования. Объектом исследования в диссертации являются спиральные сверла, работающие в условиях граничного трения в зоне резания при ограниченном доступе СОТС, работа которых соответствует требуемому периоду стойкости при заданной производительности.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы основные положения динамики трибосопряжений технологических систем для граничного трения, основные положения теории трения и изнашивания конструкционных и инструментальных материалов, принципы прикладной механики, методы системного анализа, оптимизации динамических параметров пары трения «инструментальный — обрабатываемый материал», развитые в задачи мониторинга и диагностики.

Научные положения и выводы, полученные аналитически, подтверэйдены экспериментально и положительными результатами применения в производственных условиях. Достоверность результатов исследования контактных взаимодействий трибосопряжений подтверждена удовлетворительным соответствием результатов с основополагающими решениями, полученными в работах по процессам трения в трибосопряжениях технологических систем механической лезвийной обработки, а также результатами исследований других авторов. Новизна выполненных технических решений подтверждается соответствующими техническими актами, приложенными в работе.

На защиту выносятся:

• результаты теоретических и экспериментальных исследований параметров пары «инструмент - заготовка» и характеристик работоспособности режущего инструмента;

• принцип действия и конструкции триботехнического стенда «Задир», а также, методики измерения с применением измерительно-вычислительных ком-

плексов (ИВК) «Профиль» и «Latimet Automatic» для оценки параметров качества поверхностного слоя режущей кромки инструмента и обработанной заготовки;

• предложенная модель процесса трения и изнашивания, учитывающая с необходимой полнотой влияние АП в СОТС на параметры трения и износа режущего инструмента;

• система комплексного мониторинга параметров качества и диагностики состояния поверхностного слоя пары «инструмент — заготовка» для обеспечения требуемой работоспособности инструмента;

• выдвинутая, экспериментально обоснованная и инструментально подтвержденная модель действия АП ФН на СОТС на водной основе и поверхности режущего инструмента;

• созданная и апробированная на практике эффективная система адаптации АП ФН в водных СОТС на основе дифференцированного учета их физико-химических свойств.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

• предложена и обоснована единая концепция обеспечения работоспособности трибосопряжения «инструмент — заготовка» при наличие СОТС с АП;

• описан и исследован механизм оценки влияния параметров трибосистемы «инструмент — заготовка» на показатели динамического качества;

• предложен системный подход и эффективная методика исследования характеристик процесса резания лезвийным осевым инструментом при оценке влияние активных антифрикционных модификаторов к СОТС на показатели качества;

• разработаны методы комплексной оценки свойств поверхностного слоя пары трения «инструмент — заготовка», основанные на использовании специальной аппаратуры и новых измерительно-вычислительных комплексов (ИВК);

• адаптирован принцип действия активных наномодификаторов карбонной группы - фуллероидных материалов на показатели износостойкости режущего осевого лезвийного инструмента.

Практическая полезность работы.

Разработанная система адаптации АП ФН в СОТС применяемых на операциях механической лезвийной обработки, позволяет обеспечить высокую работоспособность режущего инструмента, а также добиться параметров качества и точности обработанных заготовок.

Система, работая совместно с ИВК «Профиль», позволяет осуществлять оценку микрогеометрии поверхности; работая совместно с ИВК «Latimet Automatic», позволяет проводить визуальный мониторинг поверхностей трения и оценку микро-

твердости; с ИВК «Задир» - осуществлять оценку триботехнических характеристик СОТС.

Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты исследований, полученные автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками ПИМаш — В.М. Петровым, В.А. Никитиным; СПбГПУ — С.Г. Чулкиным.

При этом лично автору принадлежат:

• обоснование направления исследований; постановка задач и разработка методологии исследований; планирование и проведение экспериментальных исследований, связанных с триботехническими испытаниями на триботехнических стендах, металлорежущем оборудовании и комплексной оценкой параметров качества на приборах и ИВК;

• разработка модели для оценки комплексного влияния АП ФН на проектируемые СОТС',

• обобщение экспериментальных исследований, построение на их основе моделей и установление основных закономерностей исследуемых процессов;

• разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий в промышленности на основе СОТС с АП ФН.

Реализация результатов. Предложенные методы комплексной оценки основных эксплуатационных параметров качества пары трения «инструмент — заготовка» и методы проектирования СОТС с АП ФН нашли применение в машиностроении на операциях механической лезвийной обработки, при разработке новых СОТС на водной основе, содержащих наномодификаторы карбоновой группы фуллероидные материалы (ОАО Концерн «Силовые машины» ЛМЗ, ЗАО Завод «Композит»).

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс и использованы при подготовке профилирующих дисциплин на технологическом факультете ГОУ ВПО ПИМаш, таких, как:

• «Резание, станки и инструменты» - по разделу «Применение модификаторов и антифрикционных препаратов для создания СОТС с особыми свойствами».

• «Взаимозаменяемость и стандартизация» и «Метрология» — по разделу «Методы и средства контроля параметров точности и качества».

• «Основы технологии машиностроения» - по разделу «Влияние параметров точности и качества на основные эксплуатационные характеристики пар трения».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в период с 2001 г. по 2006 г. на ряде научно — технических конференций, симпозиумов, совещаний и семинарах: Международной научно-практической конференции "Автоматизация технологических процессов в машиностроении. Режущий инструмент и оснастка" (г. С.-Петербург, 2003); Международной научно-

практической конференции "Технологии третьего тысячелетия" (г. С.-Петербург, 2003); 6-ой Международной практической конференции — выставке «Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций»; Международном симпозиуме по транспортной триботехнике «Триботехника на транспорте»; «Транстрибо - 2001, 2002, 2005» (г. С.Петербург, СПбГТУ, 2001, 2002, 2005); Международной научно - практической конференции "Качество поверхностного слоя деталей машин" (г. С.-Петербург, 2003); Международной научно-практической конференции, посвященной 300 - летаю Санкт-Петербурга: «Безопасность водного транспорта» (г. С.-Петербург, 2003).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 131 наименований и содержит 135 страниц текста, включая 10 таблиц, 36 рисунков и двух приложений, которые подтверждают работоспособность разработанных алгоритмов и внедрение результатов диссертационной работы на отраслевом уровне.

Содержание работы

В введении обоснована актуальность работы, показана ее научная и практическая значимость, сформулированы цель и задачи исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается анализ проблемы, связанной с обеспечением требуемой работоспособности режущего инструмента. Исследование отражает результаты, полученные на основе анализа публикаций в научно- технических изданиях России и зарубежных стран.

Значительный вклад в науку и практику изучения процессов трения и изнашивания внесен отечественными учеными A.C. Ахматовым, Э.Д. Брауном, H.A. Буше, Д.Н. Гаркуновым, Б.В. Дерягиным, И.В. Крагельским, А.Ю. Ишлинским, Ребинде-ром, Д.М. Толстым, М.М. Хрущевым, A.B. Чичинадзе, B.C. Щедровым и др.

Исследованиями в области теории резания конструкционных материалов с целью повышения эффективности лезвийной обработки занимались отечественные и зарубежные ученые: Аваков A.A., Безъязычный В.Ф., Белоусов А.И., Бобров В.Ф., Грановский Г.И., Даниелян A.M., Исаев А.И., Кривоухов В.А., Клушин М.И., Колев К.С., Кравченко Б.А., Кузнецов В.Д., Латышев В.Н., Лоладзе Т.Н., Макаров А.Д., Маталин A.A., Подураев В.Н., Полетика М.Ф., Резников А.Н., Розенберг A.M., Силин С.С., Старков В.К., Талантов Н.В., Herbert Ed., Мак Gregor C.W., Fisher I.C., Shaw M.C.,Finnie Y., Chao B.T., Trigger К., Backer W.R., Marchall E.R.,Smart E.F., Trent E.M., Ikawa N., Tanaka Т. и др.

Процессы, протекающие при обработке материалов резанием, характеризуются разнообразием и высокой сложностью. Анализ этих процессов, выполненный в основополагающих работах Д.Н. Решетова, В.А. Кудинова, М.Е. Эльясберга, В.Л. Вейца и др. позволил выявить т.н. технологическую систему и установить основные закономерности динамических процессов. Дальнейшее развитие исследований в этом направлении выполнено Ю.И. Городецким, В.Л. Заковоротным, Д.В. Васильковым, В.В. Максаровым и др. Анализ результатов исследований позволил установить существенное влияние процессов трения на динамику технологической системы. Поэтому процессы резания и трения в технологических системах, имея много общего, начиная от основополагающих работ В.А. Кудинова, рассматриваются в общей постановке.

Одним из важных факторов снижения трудоемкости обработки и интенсификации процесса резания является использование на операциях лезвийной обработки эффективных поверхностно - и химически - активных СОТС содержащих АП. Широкий спектр обрабатываемых материалов, отличающихся своими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками, большая номенклатура инструментальных материалов, конструктивные и геометрические особенности различных видов инструмента, специфические условия выполнения различных операций, а также большое количество выпускаемых промышленностью СОТС с разнообразным функциональным действием требуют определения оптимальных условий применения технологических сред, их состава и концентрации.

В наибольшей степени высокие функциональные свойства современных СОТС с АП проявляются-при оптимальном сочетании технологической среды,, обрабатываемого материала, режущего инструмента и условий обработки на конкретной операции. В соответствии с этим сформулированы цель и поставлены задачи исследований, представленные выше.

Во второй главе представлены результаты анализа контактных взаимодействий в процессе трения и износа режущего лезвийного инструмента при наличие СОТС, содержащего АП.

При построении динамических моделей трибосистемы режущий инструмент — обрабатываемая заготовка главным является выбор оператора, отражающего динамические характеристики процесса трения и изнашивания. Существует несколько подходов к описанию этих процессов с использованием квазистатических и динамических представлений. Любое из описаний может рассматриваться как аппроксимация исследуемых процессов и обычно опирается на результаты экспериментов, позволяющих идентифицировать необходимые для построения модели параметры. Полученные на основе этих данных динамические характеристики при малых воз-

мущениях трибосистемы оказываются достаточно близко совпадающими с экспериментальными. Однако все попытки экстраполяции полученных данных на достаточно широкие диапазоны изменения отмеченных параметров обычно оказываются несостоятельными. Для повышения достоверности расчетов параметров трибосоп-ряжения при моделировании необходимо дифференцированное описание процессов трения с отказом от квазистатических представлений. Теоретические и экспериментальные исследования, в этой области выполненные В.Л. Вейцем, Б.В. Дерягиным, Т.Н. Лоладзе, Е.М. Макушком, А.П. Семеновым, В.Э. Хитриком, В.А. Шмаковым, Д.В. Васильковым, В.В. Максаровым и др., показали, что контактирующими юве-нильными поверхностями «поверхность трения — режущий клин» при трении в процессе стружкообразования происходит местная адгезия — возникают пятна схватывания. Указанное явление было исследовано применительно к процессу резания в рамках нелинейной модели.

Физические свойства деформируемого металла могут быть наглядно отображены в виде некого механического аналога — реологической модели, представленного определенной совокупностью механических элементов: упругости, вязкости и пластичности. Каждый из них или их определенное сочетание характеризуют основные свойства материала и позволяют представить напряженно — деформированное состояние материала под действием внешних нагрузок. Для математического описания процесса деформации и пластического разрушения триботехнических материалов микрорезанием с учетом образования микростружки были рассмотрены четыре основные реологические модели: вязкоупругая модель Максвелла (М), вязко-наследственная модель Фойхта (/9, упруго-пластическая модель Прандтля (Р) и пластическая модель Сен-Венана («Й, V).

Для моделирования процесса разрушения материалов резанием единичным клином наибольший интерес представляют реологические модели с трех- и четырехэлементными непериодическими схемами. Соединение одноэлементных схем Гука, Ньютона и Сен-Венана, а также двухэлементных схем Максвелла, Фойхта и Прандтля в сложную модель позволили получить свойства, которые наиболее полно отображают процесс деформирования и разрушения твердого тела, происходящего при трении и резании материалов. В этом случае наиболее применимы сложные реологические модели, трехэлементное реологическое тело Бингама и четырехэлементныереологические тела Митинского и Шведова.

Известно, что поверхностно-активная среда, например, антифрикционные препараты (АП), может оказывать на реологическое поведение материала не только пластифицирующее, но и упрочняющее (отверждающее) влияние. Это повышает предел текучести или коэффициент упрочнения и уменьшает скорость ползучести материала при постоянной нагрузке. Упрочняющее действие среды обусловлено на

молекулярном уровне уменьшением подвижности приповерхностных дислокациях в результате: их адсорбционной блокировки; тормозящего действия оксидных и пассивирующих пленок; влияния специфических электрохимических явлений протекающих на поверхности твердого тела.

Рассматриваемый материал можно представить как однородную сплошную среду в упругой области и двухслойную с поверхностно — модифицированной пленкой АП (соответственно, более мягким, или более твердым) — в пластической. В зависимости от вида активной среды возможны следующие соотношения между указанными пределами текучести:

Неизотермическое течение исследуемой СОТС, содержащего активный препарат, может быть описано четырехэлементной реологической моделью Шведова или трехэлементной Бингама с коэффициентами, зависящими от температуры и состава СОТС, согласно уравнению

где у — градиент скорости сдвига, кажущаяся вязкость т(Т), динамический предел прочности Тд(Т), пластическая вязкость ц(Т) от температуры.

Характерным для СОТС, содержащих АП в виде мелкодисперсных порошков металлов или прочих наполнителей, в отличие от ньютоновских сред, является аномальное их поведение при малых градиентах скорости сдвига, которое выражается в уменьшении вязкости с увеличением скорости сдвига.- В работах Д.Н. Гаркунова установлено, что «кривые течения» т(у) при Т = const имеют явную нелинейность. Данная особенность может быть объяснена проявлением «пристенного» эффекта, который обычно наблюдается для всякой дисперсной системы, например, СОТС с дисперсными присадками. Подобная особенность объясняется уменьшением концентрации частиц дисперсной фазы в тонком «пристенном» слое толщиной в 2... 10 мкм по сравнению с концентрацией их в ядре потока. Ранее установлено, что интенсивность влияния «пристенного» эффекта на течение зависит от: концентрации частиц в объеме и «пристенном» слое СОТС', степени дисперсности структурных элементов; пластической вязкости СОТС. Повышение дисперсности частиц СОТС приводит к снижению «пристенного» эффекта, а повышение концентрации - к его увеличению. Поэтому необходимо учитывать минимальные зазоры в трибосопря-жениях, и в случае уменьшения до размеров дисперсных частиц необходимо учит-вать аномалии течения с помощью специальных корректирующих коэффициентов вводимых в модели, или выбора реологической модели другого типа.

= 1 в инактивной среде',

<1-в поверхностно-пластифицирующей среде; >1 в поверхностно — упрочняющей среде.

(1)

т(Т) = Тд(Т) + Г](Т)У,

(2)

Изложенная последовательность действий при оценке характеристик контактного взаимодействия элементов позволяет составить достаточно полную картину и составляет основу для принятия решения о рациональном выборе СОТС и соответствующего АП. Разработка алгоритмов и соответствующего программного обеспечения для решения комплекса задач применительно к различным технологическим операциям должна учитывать структурные и конструктивные особенности соответствующего оборудования.

В третьей главе проведен анализ существующих АП, применяемых к СОТС, и их разделение по структуре входящих в состав активных составляющих, характеру действия и основным активным компонентам, оказывающим воздействие на поверхности трения. На основании анализа предложена следующая классификация АП: металлосодержащие; содержащие политетрафторэтилен; эпиламные (эпиламо-подобные) и металлоорганические; АП на базе геомодификаторов трения; содержащие дисульфид молибдена и углеродосодержащие (карбоновая группа).

Наиболее перспективными наномодификаторами смазочных и антифрикционных материалов в настоящее время являются наномодификаторы карбонной группы - фуллероидные материалы (см. рис. 1). К свойствам фуллероидных наноструктур (ФИ) можно отнести:

Рис. 1. Микрофотографии, полученные на электронном микроскопе JEM - 100С а — фуллереновая сажа; б — астралены; в — ежик сросшихся нанотрубок; г — фрактальная сетка образованная астраленами

1. Особые физико-механические и физико-химические свойства ФН, обусловленные (Бр2 - Бр3) гибритизацией и атомарно-химическими связями фуллероидов. Их способность поглощать большую тепловую энергию с последующей диссипацией её малыми порциями.

2. Наличие капилляра (канала) - особенность строения.

3. Наноразмер частицы (10...300 Нм) по сравнению с полимерными материалами или металлическими частицами.

4. Термобароустойчивость ФН (нанотрубок и астраленов), то есть способность выдерживать нагрузки до 50 МПА при 2800....3000 °С.

5. Высокая электропроводность и теплопроводность ФН и изменение свойств материалов, в которые они введены.

6. Анизотропия формы — способность выстраиваться в цепочки в направлении энергетического воздействия.

Результатом этих физико-химических свойств является многофункциональность действия ФН. Фуллероидные наночастицы, в силу особенностей строения, уменьшают кавитационный износ, способны «залечивать» структурные дефекты поверхностного слоя металлов, препятствовать адгезионному изнашиванию, снижать температуру в зоне трения, предотвращать физико-химических изменения характеристик смазочной среды материалов поверхностей трения, повышать устойчивость смазочного материала к окислению, осуществлять протекторную защиту металла от водородного воздействия (водородного охрупчивания), снижать абразивный износ твердыми оксидами металла, замедлять рост оксидных пленок до толщин, способных к самоотслоению из-за различия коэффициентов термического расширения.

Рассмотренный механизм действия АП ФН в СОТС на материалы в зоне резания, а также анализ чувствительности к изменению параметров трибосопряжения в эксплуатационных условиях, позволяют обоснованно выбрать ФН в виде АП ЖСМ систем смазки технологического оборудования.

В четвертой главе приведены данные об основных характеристиках спроектированного стенда, приспособлений и ИВК, а также результаты экспериментальных исследований влияния АП ФН в ЖСМ на работоспособность пар трения «режущий инструмент — заготовка».

Исследования проводились на: триботехническом стенде «Износ», выполненном на базе сверлильного станка 2А11 .

Для определения смазывающих свойств СОТС без процесса резания чаще всего используют стандартные машины трения с точечным скользящим контактом образцов, позволяющих развивать более высокие удельные нагрузки, характерные для процесса резания, чем при линейном контакте. Максимальное давление в зоне кон-

такта для этих машин находится в пределе (1500...5000) МПа. В настоящее время широкое распространение получили четырехшариковые машины трения. Однако существующая стандартная методика испытаний имеет недостатки, связанные, во-первых, с ограниченностью информации, получаемой за одно испытание, во-вторых - с ручной обработкой получаемых данных. Указанных недостатков можно избежать при применении новых возможностей современных интерфейсов и быстродействующих переносных ПЭВМ, позволяющих существенно ускорить как получение достоверной информации (например, гарантированного фиксированного момента задира), так и результатов ее экспресс - обработки с выдачей ряда параметров три-бологических испытаний (момента трения, коэффициента трения). С этой целью был разработан новый триботехнических комплекс, состоящий из модернизированного вертикально сверлильного станка модели 2А113, интерфейса и переносного персонального компьютера (см. рис. 2,а).

Модернизированный вертикально-сверлильный станок (см. рис. 2,6) имеет в своем составе: асинхронный двигатель 1 (тип 4АХ71А6УЗ) вертикально-сверлильного станка модели 2А113; неподвижный шкив 2 клиноременной передачи; цилиндрическую стойку вертикально-сверлильного станка 3; подвижный шкив клиноременной передачи со шлицевым механизмом 4; реечную зубчатую передачу 5; раму механизма нагружения 7 закрепленного на валу шестеренки реечной зубчатой передачи 6; ходовой винт механизма нагружения 8; направляющие механизма нагружения 9; подвижную каретку механизма нагружения 10; подшипники скольжения ходового винта 11; муфта 12; шаговый двигатель 13; шпиндель вертикально-сверлильного станка 14; перемещающийся груз 15; механизм крепления 16; вращающийся образец 17; неподвижные образцы 18; ванну для заполнения СОТС 19 и механизм крепления неподвижных образов; приспособление для крепления неподвижных образцов 20; станину настольного вертикально-сверлильного станка 21.

Триботехнический стенд имеет следующие технические характеристики: время перемещения груза, 0...2 мин; величина нагрузки на шпинделе, 10...3000 Н; частота вращения шпинделя дискретная , 450,800,1400,2500,4500 об/мин; время достижения максимальной нагрузки, 5,10,15...60 с; максимальный путь перемещения груза, 445 мм; скорость перемещения груза, 5,36...0,445 м/мин; температура проводимых испытаний, 20±5°С.

При штатной работе стенда подвижный образец участвует в двух движениях:

во вращательном и поступательном сверху вниз относительно трех неподвижных

образцов. Механизм, связанный с передачей вращения образцу, закрепленного в

13

цанге, никак не изменялся и относится к штатной конструкции настольного вертикально-сверлильного станка. Цанга представляет собой устройство, предназначенное для закрепления в нем испытуемого шарика. Испытуемый шарик закрепляется внутри цанги.

Одной из основных целей применения СОТС на технологических операциях механической обработки является снижение интенсивности изнашивания режущего инструмента и улучшения качества обработанной поверхности. Лабораторные испытания эффективности АП ФН в СОТС при резании лезвийным инструментом проводились по методике, описанной ниже.

Первоначальные опыты, включали в себя исследование стабильности диспергированного графита в базовой СОТС (Укринол 1) показали, что подготовленная в ультразвуковой ванне суспензия устойчива только в течение трех дней. После этого срока, в результате агрегатирования частиц графита в более крупные конгломераты, наблюдается выпадение осадка. Для суспензии диспергированного графита (ДГ), обработанного фуллереновыми растворами, содержащими более 5% массы смеси фуллеренов Сбо/С70 , такой процесс не наблюдается в течении более длительного времени (более 30 суток). Этот эффект может быть объяснен тем, что сольвантная оболочка, присущая растворенному и адсорбированному фуллерену, не дает возможности для тесного сближения частичек графита, тем самым предотвращается агрегатирование. Действие фуллеренов подобно действию ПАВ, хотя фуллерены представляют собой неполярные молекулы, а ПАВ свойственен ярко выраженный полярный характер молекулярных связей.

Второй этап испытаний осуществлялся на операции сверления. Объектом испытаний был: АП ФН к базовой СОТС. Условия испытаний (приборы, оборудование, оснастка): ИВК «Latimet Automatic», класс точности 1, цена деления 1 мкм; вертикально - сверлильный станок мод. 2Н125; обрабатываемый материал — сталь 50 (состояние поставки, НВ 220...280); инструмент - спиральные сверла диаметром 6,8 мм из быстрорежущей стали Р6М5. Режимы резания: подача S = 0,1 мм/об, скорость резания V= 23,8 м/мин (2000 об/мин, минутная подача SM„H = 200 мм/мин), глубина резания / = 1,9 мм, глубина сверления / = 20 мм (сверление сквозное), подача СОТС в зону резания осуществлялась поливом.

4 5 6. Z } .9 )0 II

hi///// ' /fí

f

/T/"hi/' / ■'?■' , i/

Q k

14

a) 6)

Рис. 2. Схемы ИВК «Задир»: а - интерфейс; б — кинематическая схема стенда Эффективность СОТС с АП ФН оценивалась по их влиянию на стойкость

сверл по сравнению с базовой СОТС без АП. В качестве исследуемых СОТС были взяты следующие составы: СОТС ASI (База + 0,2%(95%ДГ+5% CJC10)), СОТС AS2 (База + 2%ДГ), СОТС AS3(Ba3a + 0,2% (91,7% ДГ+8,3% С60/С7о)), СОТС AS5(Ba3a+0,5%(92,5% ДГ+ 7,5 % С60/С7о)), СОТС AS6(Ba3a + 0,1% (92,5%ДГ +7,5% Сбо/С70)), в качестве контрольного были взяты следующие составы: СОТС№4 (База -Укринол 1). За период стойкости инструмента Т было принято количество отверстий, просверленных до затупления сверла (принималась фаска износа по задней поверхности h = 0,3 мм). Результаты испытаний представлены в табл.1.

Испытания показали, что добавки в небольших количествах АП ФН к основам СОТС повышают стойкость режущего инструмента (сверл из быстрорежущих сталей) в 1,3...2,2 раза. При этом их эффективность зависит от % содержания комбинации фуллеренов С60/С70 в АП.

Повышение стойкости инструмента при использовании АП ФН к СОТС, обусловлено следующими причинами:

снижением сил трения на контактных поверхностях инструмента в результате образования пленок (эффекта граничной смазки). Эффект от граничной смазки тем выше, чем больше адгезия диспергированного графита превалирует над когезией внутри граничной смазки. В этом случае фуллерены, адсорбированные на кристаллах графита, способствуют их дальнейшей диспергации, тем самым улучшая смазывающую способность графита;

Результаты испытаний модифицированных АП ФН СОТС

№ п/п Обозначение исследуемой СОТС Стойкость (количество отверстий), шт Доверительный Интервал при вероятности (0,95 + /- X), шт Эффективность СОТС По сравнению с базовыми, %

1 СОТС ASI 93 10 163% по сравнению с №4

2 СОТС AS2 75 8 131% по сравнению с №4

3 СОТС AS3 123 9 215% по сравнению с №4

4 СОТС №4 57 6 Базовый состав

5 СОТС AS 5 160 9 280% по сравнению с №4

6 СОТС AS6 120 8 210% по сравнению с №4

усилением пластификации поверхностного слоя за счет адсорбции АП ФН— эффект Ребиндера;

упрочнение режущих кромок инструмента за счет внедрения молекул фуллеренов в кристаллическую решетку инструментального материала, также возникновение фрагментов алмазоподобных структур на рабочих поверхностях инструмента. Подобная локальная сшивка фуллереновых молекул возможна в жестких трибохимических условиях процесса резания.

Оценка основных характеристик, а также параметров качества осуществлялась с помощью программно-аппаратных комплексов в составе ИВК «Профиль», «Latimet Automatic».

На базе разработанных оригинальных программных комплексов и Программно-аппаратных средств выполнен значительный объем сопоставительных расчетно-экспериментальных исследований с целью обоснования исходных предположений, созданных методов, алгоритмов и методик. В частности было установлено следующее:

• использование АП ФН в СОТС позволило существенно снизить износ образцов из стали ШХ15 . Результаты исследования представлены в табл. 2;

• экспериментальная СОТС с АП ФН позволила получить более низкую шероховатость поверхности заготовки из стали 40Х и высокую микротвердость режущей кромки сверла. Данные представлены в табл. 3 и 4;

• триботехнические испытания, проведенные на стенде «Задир», показали, что АП ФН позволяют снизить коэффициент трения (см. табл.5);

Диаметр пятна контакта (ИВК «Задир» аналог ЧШМ 3,2)

Наименование смазочного состава Пятно износа с1„, мкм

Шарик сталь ШХ 15

СОТС ASI 488

СОТС AS2 783

СОТС AS3 394 .

СОТС №4 895

СОТС AS 5 421

СОТС AS6 497

Таблица 3

Режимы резания Шероховатость при исход. СОТС Шероховатость при эксперим. СОТС

№ t, мм S, мм/об п, об/мин V, м/мин Ra, мкм Rz, мкм Ra, мкм Rz, мкм

1 3,4 0,2 500 10,67 2,58 12,10 2,38 11,14

2 3,4 0,2 710 15,16 2,72 14,93 2,34 12,15

3 3,4 0,28 500 10,67 2,74 12,66 2,54 11,75

4 3,4 0,28 710 15,16 4,01 18,58 3,00 14,89

5 3,4 0,28 1000 21,35 5,34 22,02 5,10 23,36

6 5 0,4 1400 43,96 6,23 29,94 5,81 25,00

Таблица 4

Результаты измерение микротвердости режущей кромки сверла на ПМТ -3

Наименование СОТС Режущая кромка сверла Р6М5

Микротвердость (Н/мм"2)

СОТС ASI 7197

СОТС AS2 6975

СОТС AS3 7870

СОТС №4 6870

СОТС AS5 7346

СОТС AS6 7010

Таблица 5

Испытания образцов СОТС на стенде трения ИВК «Задир»

Наименование СОТС Коэффициент трения ^ при испытании пар трения с различными составами при нормальной нагрузке 1100 Н с постоянной подачей СОТС

Ролик Р6М5- сталь 40Х

СОТС ASI 0,119

СОТС AS2 0,147

СОТС AS3 0,076

СОТС №4 0,181

СОТС AS5 0,084

СОТС AS6 0,134

При исследовании состояния поверхностного слоя образцов и деталей пар трения с использованием перечисленных ИВК и методов физических исследований, а также натурных испытаний технологического оборудования получены скоррели-рованные с динамическими характеристиками параметры и функции, которые показали высокий уровень значимости динамических характеристик пары «режущий инструмент — заготовка» при наличии АП ФН в СОТС.

В пятой главе рассмотрены вопросы адаптации АП ФН к СОТС, применяемым для операций лезвийной обработки. Установлено, что задача адаптации должна решаться комплексно, начиная с проектирования СОТС и учитывая физико-механические характеристики инструментального и обрабатываемого материалов. Для решения задачи улучшения работоспособности режущего инструмента разработана система адаптации АП ФН к СОТС, позволяющая на основе предложенных моделей, осуществлять триботехнические испытания, с использованием инструментальных методами оценки параметров качества и точности на ИВК Система адаптации разделена в работе на семь укрупненных блоков взаимодействующих друг с другом: организация и оценка исходных данных; определение вида лезвийной механической обработки; обеспечение условий работоспособности режущего инструмента; определение вида трения; оценка параметров износа; определение тепло-физических характеристик пар трения; оптимизация; определение технических ограничений.

Алгоритм схемы адаптации АП ФН к СОТС построен по блочной оптимизированной схеме с возможностью многовариантных расчетов режимов работы режущего инструмента с заданной производительностью и представлен в диссертации. Для реализации алгоритма и выполнения расчетов разработаны программные продукты с использованием среды программирования Borland Delphi 6 на языке Pascal.

В работе выполнен анализ экономической эффективности использования системы адаптации СОТС с АП для повышения работоспособности спиральных сверл. На основе разработанных методик и предложенных моделей осуществлен выбор экономически эффективных режимов обработки, использование которых позволило снизить затраты энергии, уменьшить трудоемкость обработки в среднем на 10% и улучшения показателей качества, в частности точности размеров и шероховатости на 12% по сравнению с известными методами.

Общие результаты и выводы 1. Предложена совокупность моделей, на основании которых разработаны алгоритмы, определяющие состояние пары «режущий инструмент — заготовка», позволяющие выполнить необходимую количественную оценку основных свойств

системы с учетом возможного изменения условий трения и износа при использовании СОТС с АП.

2. Представлена классификация АП по их основным классификационным признакам на основе учета их физико-химических характеристик.

3. На основании выполненных экспериментов и анализа результатов, известных расчетно-экспериментальных работ других авторов предложена модель работы АП ФН в СОТС на водной основе.

4. Разработан алгоритм введения АП ФН в водные СОТС, методики и технологические приемы их испытаний с близкими по условиям эксплуатации пары «режущий инструмент - заготовка».

5. Предложен алгоритм адаптации СОТС с АП к парам трения «режущий инструмент - заготовка», основанные на использовании современных программных средств.

6. Разработаны эффективные методики получения необходимых исходных данных для выполнения динамических расчетов применительно к контактным взаимодействиям в процессе резания и трения с использованием предложенных специальных экспресс - методов количественной оценки и моделирования процессов.

7. Для осуществления имитационного моделирования при экспериментальном исследовании контактных взаимодействий в процессе трения и механической обработки резанием предложены программно- аппаратные комплексы и разработанные стенды. Данные стенды и ИВК являются эффективными имитаторами протекающих процессов для различных технологических операций, позволяющих осуществлять программу модельных исследований без непосредственного привлечения дорогостоящих универсальных средств.

8. На базе обоснованных обобщенных моделей и показателей состояния качества заготовок были разработаны, испытаны и предложены для реализации в промышленности, новые СОТС с АП на основе упорядоченных кластеров углерода фуллероидных материалов, как наиболее перспективных для решения триботехни-ческих задач.

9. Основные результаты исследований были внедрены и получили широкую апробацию в условиях действующего производства ОАО «Силовые машины» (ЛМЗ, Электросила, «Завод турбинных лопаток»), ЗАО «Завод «Композит», ОАО «Санкт-Петербургский завод прецизионного станкостроения» и других организациях и предприятиях РФ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах.

1. Антифрикционные модификаторы входящие в состав масляных СОТС /Никитин В.А., Пономарев А.Н., Петров В.М., Сойту Н.Ю./ и др. Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвуз. сборн. научн. тр. - С-Пб.: СЗПИ. 2000. — Вып21. — 9с.

2. Говорова О.В., Петров В.М., Сойту Н.Ю. Возможность применения активных мелкодисперсных модификаторов трения в современных СОТС// Повышение изностойкости и долговечности машин и механизмов на транспорте: Труды третьего международного симпозиума по транспортной триботехнике «ТРАНСТР ИБО-2005». - СПБ: Изд-во СПбГПУ, 2005. 312с.

3. Оценка антифрикционных свойств СОТС на модернизированном стенде с точечным контактом/Малинок М.В., Михайлов В.А., Сойту Н.Ю., и дрУ Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвуз. сборн. научн. тр. - С-Пб.: СЗПИ. - 2001, Вып22. - 8с.

4. Петров В.М., Сойту Н.Ю., Чеботарев A.B. Исследование износа спиральных сверл фирмы «Wedewag» при обработке нержавеющей стали №757// Международная научно-практическая конференция "Прогрессивные технологии обработки материалов, режущий инструмент и оснастка", СПб., 2002.Г. (в журнале «Инструмент и технологии» - 2002. №9-10. — 37-42с.).

5. Петров В.М., Михайлов В.А., Сойту Н.Ю. Экспресс оценка антифрикционных свойств разрабатываемых СОТС// Международная научно-практическая конференция "Прогрессивные технологии обработки материалов, режущий инструмент и оснастка", СПб., 2003.г. (в журнале «Инструмент и технологии» -2003. №15-16. - 144-150с.).

6. Поверхностно-активные вещества, применяемые в современных СОТС обработки металлов резанием/Петров В.М., Белецкий E.H., Говорова О.В., Сойту Н.Ю./ Современные технологии, оборудование и оснастка машиностроительного производства: Сб. научн. тр. — СПб.: Изд. «Инструмент и технологии» -2006.-№24-25.-237с.

7. Петров В.М., Сойту Н.Ю., Чеботарев A.B. Комплексный подход при диагностике режущей способности лезвийного инструмента и оценке обрабатываемости конструкционных материалов/ Международная научно-практическая конференция "Автоматизация технологических процессов в машиностроении. Режущий инструмент и оснастка", СПб., 2003.г. (в журнале «Инструмент и технологии» - 2003. №13-14 - 73-74с.).

8. Петров В.М., Сойту Н.Ю., Чулкин С.Г., Чеботарев A.B. Комплексный подход при исследовании износа поверхностно - модифицированных спиральных сверл изготовленных из быстрорежущей стали// 6 — я Международная практическая конференция «Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций. — СПб., 2004 // Под общ. ред. Н.Г. Смирнова, А.С.Бутова, O.K. Безюкова/ Том 3 — СПб.: ИИЦ СПГУВК, 2003.-258 с.

9. Применение СОТС для механической обработки композиционных углепластиков/ Петров В.М., Иванов O.A., Сойту Н.Ю. и др./ Современные технологии, оборудование и оснастка машиностроительного производства: Сб. на-учн.тр. - СПб.: Изд. «Инструмент и технологии» 2006.- №24 - 25. - 237с.

Подписано в печать 22.09.06. Формат 60X48/16. Печать ризографическая. Заказ № 37. П.Л. 1,2. Уч.-изд. л. 1.5. Тираж 100 экз.

ОП ПИ Маш

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Методы динамического моделирования контактных взаимодействий в элементах трибосопряжений технологических систем при механической лезвийной обработке.

1.2 Способы влияния на процессы трения и износа режущего инструмента, основанные на учете явлений структурной приспосабливаемое™ и совместимости контактирующих поверхностей трибосопряжений.

1.3 Трение при наличии граничного слоя смазочного материала

1.4 Современные СОТС, используемые на операциях механической лезвийной обработки. Активные препараты входящие в их состав. Назначение и классификация.

1.5 Цель и задачи исследования.

2 АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРОЦЕССЕ ТРЕНИЯ И ИЗНОСА ПАРЫ «РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ - ЗАГОТОВКА» ПРИ НАЛИЧИЕ СОТС С 32 АПФН

2.1 Управление и оптимизация параметров процессов, происходящих в трибосистеме. Способы их осуществления.

2.2 Физические основы моделирования стружкообразования в процессе разрушения режущим клином.

2.3 Реологическое представление контактных взаимодействий поверхностей при отсутствии смазочного материала в зоне трения.

2.4 Реологическое представление контактных взаимодействий поверхностей при наличие активных сред в зоне трения.

Результаты и выводы по главе.

3 СПОСОБ ВЛИЯНИЯ НА ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В

ЗОНЕ РЕЗАНИЯ, ПОСРЕДСТВОМ ПРИМЕНЕНИЯ СОТС С АКТИВНЫМИ ПРЕПАРАТАМИ ФУЛЛЕРОИДНЫМИ НА-НОМОДИФИКАТОРАМИ.

3.1 Основные эксплуатационные требования, предъявляемые к СОТС, применяемым в технологическом оборудовании.

3.2 Классификация и основные характеристики активных препаратов, применяемых к СОТС.

3.3 Применение наномодификаторов карбоновой группы (фулле-роидных наномодификаторов) для решения триботехнических задач.

Щ 3.3.1 Общее состояние проблемы получения и использования фуллероидных наномодификаторов.

3.3.2 Подготовка и способы введения фуллероидных наномодификаторов в смазочные материалы.

3.3.3 Механизм работы углеродных фуллероидных наномодификаторов в паре трения «режущий инструмент - заготовка».

3.4 Результаты и выводы по главе.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОТС СОДЕРЖАЩИХ АП ФН С УЧЕТОМ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ И СОСТОЯНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБРАБОТАННЫХ ЗАГОТОВОК.

4.1 Выбор методов и средств испытаний и контроля показателей качества поверхностного слоя обработанных заготовок.

4.2 Триботехнический стенд ИВК «Задир».

4.3 Измерительно-вычислительные комплексы контроля параметров качества поверхностного слоя обработанных заготовок

4.4 Стендовые и натурные испытания СОТС с АП ФН.

4.4.1 Результаты исследования образцов на стандартной четырех-шариковой машине трения ЧШМ 3,2.

4.4.2 Исследования структурных изменений поверхностных слоев спиральных сверл под действием активных препаратов.

4.5 Результаты и выводы по главе.

5 РАЦИОНАЛЬНЫЙ ВЫБОР СОСТАВА ЛЯ В СОТС.

5.1 Алгоритм автоматизированной системы выбора рационального состава АП в СОТС.

5.2 Технико-экономическое обоснование эффективности применения для лезвийной обработки СОТС, содержащей в своем составе АП ФН.

• 5.2.1 Постановка вопроса оценки экономической эффективности

5.2.2 Методика оценки экономической эффективности применения СОТС с АП ФН на операции сверления. Ш

5.2.3 Расчет экономической эффективности применения СОТС с АП ФН на операции сверления. \ \ \

5.2.4 Расчет интегрального экономического эффекта и срока окупаемости затрат. ИЗ

5.3 Результаты и выводы по главе.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Ведущая роль в ускорении научно-технического прогресса отводится машиностроению как базе совершенствования техники и технологии, повышения производительности труда и качества продукции. Во всех отраслях машиностроения большой удельный вес составляет механическая обработка конструкционных материалов, позволяющая получать различные по форме и сложности изделия с высокими требованиями к точности и качеству их изготовления.

Одним из важных факторов снижения трудоемкости обработки и интенсификации процесса резания является использование на операциях лезвийной обработки эффективных поверхностно- и химически активных сма-зочно-охлаждающих технологических средств {СОТС). Широкий спектр обрабатываемых материалов, отличающихся своими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками, большая номенклатура инструментальных материалов, конструктивные и геометрические особенности различных видов инструмента, специфические условия выполнения различных операций, а также большое количество выпускаемых промышленностью СОТС с разнообразным функциональным действием требуют определения оптимальных условий применения технологических сред, их состава и концентрации.

Результаты лабораторных исследований, опытно-промышленные испытания ряда современных водосмешиваемых и масляных СОТС показали их высокую эффективность для повышения обрабатываемости различных материалов. Это выражается повышением стойкости режущего инструмента, в среднем, в 2.3 раза, интенсификацией режимов резания на 20.50% при сохранении технологической стойкости инструмента, снижением энергосиловых затрат на 20.30%, повышением точности обработки на 1.2 квалитета и снижением шероховатости обрабатываемых поверхностей по сравнению с традиционными составами промышленных эмульсий.

В наибольшей степени высокие функциональные свойства современных СОТС проявляются при оптимальном сочетании технологической среды, обрабатываемого материала, режущего инструмента и условий обработки на конкретной операции. Оптимизация условий обработки в значительной степени способствует интенсификации процесса резания, возможности автоматизированного получения рациональных режимов обработки.

Анализ результатов современных исследований, связанных с построением моделей процессов трения при резании лезвийным инструментом с отсутствием СОТС в зоне резания или ограниченным количеством СОТС в виде пленок, не позволяет с достаточной полнотой отобразить указанные процессы трения и износа инструмента. Основным недостатком существующих моделей, описывающих процессы трения при резании с СОТС, является рассмотрение процесса с позиции квазистатической теории. Поэтому применение комплексного динамического подхода позволит существенно расширить возможности технических расчетов и в сочетании с эмпирически полученными коэффициентами на основе стендовых и натурных испытаний, с использованием вычислительных средств создать информативные работоспособные модели процесса трения при резании лезвийным инструментом с СОТС.

Проблема осуществления управляемого трения и износа элементов режущего лезвийного инструмента технологических систем в настоящее время решается различными способами: созданием специальных инструментальных материалов; модификацией поверхностного слоя - за счет нанесения покрытия; изменением характеристик смазочной среды посредством СОТС с добавлением антифрикционных препаратов (АН) и (ПАВ); применением специальных инженерных решений и пр. Однако применением каждого из указанных способов решаются, как правило, частные задачи. Необходимо разработать комплексный подход, охватывающий все этапы, начиная с проектирования, изготовления и эксплуатации режущего инструмента с СОТС, с учетом работоспособности пары: инструментальный - обрабатываемый материал, производительности, надежности и ресурса инструмента.

Цель диссертационной работы. Основной целью исследований, выполненных в работе, является повышение работоспособности режущего осевого лезвийного инструмента (спиральных сверл) за счет применения СОТС, содержащих активные препараты - фуллероидные наномодификаторы.

Объект исследования. Объектом исследования в диссертации являются спиральные сверла, работающие в условиях граничного трения в зоне резания при ограниченном доступе СОТС, работа которых соответствует требуемому периоду стойкости при заданной производительности.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы основные положения динамики трибосопряже-ний технологических систем для граничного трения, основные положения теории трения и изнашивания конструкционных и инструментальных материалов, принципы прикладной механики, методы системного анализа, оптимизации динамических параметров пары трения «инструментальный - обрабатываемый материал», развитые в задачи мониторинга и диагностики.

Научные положения и выводы, полученные аналитически, подтверждены экспериментально положительными результатами применения в производственных условиях. Достоверность результатов исследования контактных взаимодействий трибосопряжений подтверждена удовлетворительным соответствием результатов с основополагающими решениями, полученными в работах по процессам трения в трибосопряжениях технологических систем механической лезвийной обработки, а также результатами исследований других авторов. Новизна выполненных технических решений подтверждается соответствующими техническими актами, приложенными в работе.

На защиту выносятся:

• результаты теоретических и экспериментальных исследований параметров пары «инструмент - заготовка» и характеристик работоспособности режущего инструмента;

• принцип действия и конструкции триботехнического стенда «Задир», а также, методики измерения с применением измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) «Профиль» и «Latimet Automatic» для оценки параметров качества поверхностного слоя режущей кромки инструмента и обработанной заготовки;

• предложенная модель процесса трения и изнашивания, учитывающая с необходимой полнотой влияние АП в СОТС на параметры трения и износа режущего инструмента;

• система комплексного мониторинга параметров качества и диагностики состояния поверхностного слоя пары «инструмент - заготовка» для обеспечения требуемой работоспособности инструмента;

• выдвинутая, экспериментально обоснованная и инструментально подтвержденная, модель действия АП ФН на СОТС на водной основе и поверхности режущего инструмента;

• созданная и апробированная на практике эффективная система адаптации АП ФН в водных СОТС на основе дифференцированного учета их физико-химических свойств.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

• предложена и обоснована единая концепция обеспечения работоспособности трибосопряжения «инструмент - заготовка» при наличие СОТСсАП;

• описан и исследован механизм оценки влияния параметров трибоси-стемы «инструмент - заготовка» на показатели динамического качества;

• предложен системный подход и эффективная методика исследования характеристик процесса резания лезвийным осевым инструментом при оценке влияние активных антифрикционных модификаторов к СОТС на показатели качества;

• разработаны методы комплексной оценки свойств поверхностного слоя пары трения «инструмент - заготовка», основанные на использовании специальной аппаратуры и новых измерительно-вычислительных комплексов (.ИВК);

• адаптирован принцип действия активных наномодификаторов карбо-новой группы - фуллероидных материалов на показатели износостойкости режущего осевого лезвийного инструмента. Практическая полезность работы.

Разработанная система адаптации АП ФН в СОТС, применяемых на операциях механической лезвийной обработки, позволяет обеспечить высокую работоспособность режущего инструмента, а также добиться параметров качества и точности обработанных заготовок.

Система, работая совместно с ИВК «Профиль», позволяет осуществлять оценку микрогеометрии поверхности; работая совместно с ИВК «Latimet Automatic», позволяет проводить визуальный мониторинг поверхностей трения и оценку микротвердости; с ИВК «Задир» - осуществлять оценку трибо-технических характеристик СОТС.

Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты исследований, полученные автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками ПИМаш - В.М. Петровым, В.А. Никитиным; СПбГПУ - С.Г. Чулки-ным.

При этом лично автору принадлежат:

• обоснование направления исследований; постановка задач и разработка методологии исследований; планирование и проведение экспериментальных исследований, связанных с триботехническими испытаниями на триботехнических стендах, металлорежущем оборудовании и комплексной оценкой параметров качества на приборах и ИВК;

• разработка модели для оценки комплексного влияния АП ФН на проектируемые СОТС',

• обобщение экспериментальных исследований, построение на их ос» нове моделей и установление основных закономерностей исследуемых процессов;

• разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий в промышленности на основе СОТС с АП ФН.

Реализация результатов. Предложенные методы комплексной оценки основных эксплуатационных параметров качества пары трения «инструмент - заготовка» и методы проектирования СОТС с АП ФН нашли применение в машиностроении на операциях механической лезвийной обработки, при разработке новых СОТС на водной основе, содержащих наномодификаторы карбоновой группы фуллероидные материалы (ОАО Концерн «Силовые машины» JIM3, ЗАО Завод «Композит»).

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс и использованы при подготовке профилирующих дисциплин на технологическом факультете ГОУ ВПО ПИМаш, таких, как:

• «Резание, станки и инструменты» - по разделу «Применение модификаторов и антифрикционных препаратов для создания СОТС с особыми свойствами».

• «Взаимозаменяемость и стандартизация» и «Метрология» - по разделу «Методы и средства контроля параметров точности и качества».

• «Основы технологии машиностроения» - по разделу «Влияние параметров точности и качества на основные эксплуатационные характеристики пар трения».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в период с 2001 г. по 2006 г. на ряде научно - технических конференций, симпозиумов, совещаний и на семинарах: Международной научно-практической конференции «Автоматизация технологических процессов в машиностроении. Режущий инструмент и оснастка» (г. С.Петербург, 2003); Международной научно-практической конференции «Технологии третьего тысячелетия» (г. С.-Петербург, 2003); 6-ой Международной практической конференции - выставке «Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций»; Международном симпозиуме по транспортной триботехнике «Триботехника на транспорте»; «Транстрибо - 2001, 2002, 2005» (г. С.Петербург, СПбГТУ, 2001, 2002, 2005); Международной научно

• практической конференции «Качество поверхностного слоя деталей машин» (г. С.-Петербург, 2003); Международной научно-практической конференции, посвященной 300 - летию Санкт-Петербурга: «Безопасность водного транспорта» (г. С.-Петербург, 2003).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 131 наименований и содержит 135 страниц текста, включая 10 таблиц, 36 рисунков и два приложения, которые подтверждают работоспособность разработанных алгоритмов и внедрение результатов диссертационной работы на отраслевом уровне.

9. Основные результаты исследований были внедрены и получили широкую апробацию в условиях действующего производства ОАО «Силовые машины» (JIM3, Электросила, «Завод турбинных лопаток»), ЗАО «Завод «Композит», ОАО «Санкт-Петербургский завод прецизионного станкостроения» и других организациях и предприятиях РФ.

1. Алексеев Н.М., Буше Н.А. Некоторые аспекты совместимости материалов при трении 1. Подповерхностные процессы.// Трение и износ. - 1985. т.У1.№5. - С.773-783.

2. Алексеев Н.М., Буше Н.А. Некоторые аспекты совместимости материалов при трении II. Поверхностные процессы.// Трение и износ. -1985. t.VI.№6. С.965-974.

3. Алексеев Н.М., Буше Н.А. Некоторые аспекты совместимости материалов при трении III. Микропроцессы механической фрикционной приспосабливаемое™.// Трение и износ. 1987. т.8.№2. - С.197-205.

4. Антифрикционная композиция. Патент на изобретение РФ №2188834, от 10.09.2002. (Рыбин В.В., Пономарев А.Н., Абозин Ю.В., Бахарева В.Е., Никитин В.А., Петров В.М., Малинок М.В.)

5. Антифрикционные модификаторы входящие в состав масляных СОТС /Никитин В.А., Пономарев А.Н., Петров В.М., Сойту Н.Ю./ и др. Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвуз. сборн. научн. тр. С-Пб.: СЗПИ. 2000. - Вып21. - 9с.

6. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. М.: Физматгиз, 1963.-472 с.

7. Балабанов В.Н. Безразборное восстановление трущихся соединений автомобиля, (методы и средства).-М.:Астрель,2002.-64 с.

8. Бартенев Г.М., Лаврентьев В.В. Трение и износ полимеров. М.: Химия, 1972.-240 с.

9. Белецкий М.С. Рентгенографическое и электроннографическое исследование структур пленок поверхностно активных веществ, адсорбированных поверхностью деформированного алюминия: Дис. д-ра. техн. наук / ВАМИ.Л, 1954. 370 с.

10. Белкин И.М., Виноградов Г.В., Леонов А.И. Ротационные приборы. -М.: Машиностроение,1968.-С.155 -219.

11. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. М.: Машиностроение, 1968. -543 с.

12. Брайсон А., ХО Ю-ШИ. Прикладная теория оптимального управления/ Пер. с анг.- М.: Мир, 1972.- 544 с.

13. Брейтуэйт Е.Р. Твердые смазочные материалы и антифрикционные покрытия / Пер. с анг.-М.:Химия, 1967.- 320 с.

14. Бусленко Н.П. Лекции по теории сложных систем. М.: Советское радио, 1973. - 440 с.

15. Буше Н.А., Копытько В.В. Совместимость трущихся поверхностей. М.: Наука, 1981.- 128 с.

16. Валетов В.А. Оптимизация микрогеометрии поверхностей деталей в приборостроении.- Л.: ЛИТМО, 1989.-100 с.

17. Валетов В.А., Васильков Д.В., Воронин А.В, Могендович М.Р. Автоматизированная система непараметрической оценки микрогеометрии поверхности / Межвуз. Сб. науч.тр.Вып.2.- С-Пб.: СЗПИД995. С.54-67.

18. Васильков Д.В. Теория и практика обеспечения стабильности и качества механической обработки маложестких заготовок/ Машиностроение и автоматизация производста: Межвуз. Сборник. Вып З.-СПб.: СЗПИ, 1996.-С.54-76.

19. Васильков Д.В. Теория и практика оптимизационного проектирования механической обработки маложестких заготовок: Дис. д-ра. техн. наук: 05.03.01/ГТУ. СПб., 1997. 426 с.

20. Васильков Д.В., Вейц B.JL, Лонцих П.А. Динамика технологической системы при обработке маложестких заготовок.- Иркутск: Иркут. Ун-та, 1994.-98 с.

21. Васильков Д.В., Вейц B.JL, Шевченко B.C. Динамика технологических систем механической обработки. СПб.: ТОО «Ивентекс», 1997. - 230 с.

22. Васильков Д.В., Петров В.М. Контроль состояния поверхностного слоя конструкционных материалов // Инструмент. 1996, № 2. - С. 28-29.

23. Васильков Д.В., Роменская Т.В. Анализ чувствительности динамической системы механической обработки к изменению параметров/ Современное машиностроение. Сб. науч. труд, (приложение к журналу «Инструмент»). Вып. 1.-СПб.: Инструмент, 1997.-С.24-26.

24. Вейц B.JL Вопросы динамики машин: Дис. д-ра. техн. наук./ ЛИИ. Л., 1966. 330 с.

25. Вейц В.Л., Дондошанский В.К., Чиряев В.И. Вынужденные колебания в металлорежущих станках. М.: Машгиз, 1959. - 288 с.

26. Вейц В.Л., Кочура А.Е. Динамика машинных агрегатов с двигателями внутреннего сгорания. -Л.: Машиностроение, 1976.- 384 с.

27. Вейц В.Л., Кочура А.Е., Федотов А.И. Колебательные системы машинных агрегатов.-Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1979.- 256 с.

28. Вейц В.Л., Максаров В.В., Лонцих П.А. Динамические процессы, оценка и обеспечение качества технологических систем механической обработки.-Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2001 .-299с.

29. Вейц В.Л., Максаров В.В., Лонцих П.А. Динамика и моделирование процессов резания при механической обработке. Иркутск: ИГИУВ, 2000.-189 с.

30. Вейц В.Л., Максаров В.В. Динамика технологических систем механической обработки резанием в 5-ти частях. Часть5. Автоколебанияв технологических системах механической обработки.- СПб.: Изд-во СЗТУ СПбИМаш, 2002. - 224 с.

31. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984.- 280 с.

32. Вульфсон И.И. О влиянии фазовых сдвигов на развитие квазилинейных фрикционных автоколебаний. Вильнюс: Вибротехника, 1970. -С. 2631.

33. Гаркунов Д.Н., Крагельский И.В., Поляков А.А. Избирательный перенос в узлах трения.-М. Транспорт, 1969.-104 с.

34. Гаркунов Д.Н. Повышение износостойкости на основе избирательного переноса.-М. Машиностроение, 1977.- 214 с.

35. Гельдфанбейн Я.А. Методы кибернитической диагностики динамических систем.- Рига: Зинатие, 1967.-542 с.

36. Гончаренко Ю.В., Петров В.М., Шабанов А.Ю. Восстанавливающие антифрикционные препараты. М.: Русэкотранс,2003. - 40 с.

37. Горячева И.Г., Добычин М.Н. Контактные задачи в трибологии. М.: Машиностроение, 1988. - 256 с.

38. Грин А.П. Пластическое течение металлических соединений при совместном действии сдвига и нормального давления // Машиностроение.- 1955.№6. С. 43-58.

39. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981.- 244 с.

40. Денисов А.А., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления.- JL: Энергоиздат, 1982.-288 с.

41. Дерягин Б.В. Что такое трение. М.: Изд-во АН СССР, 1963. - 230 с.

42. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.П. Адгезия твердых тел.-М.: Наука, 1973.-280 с.

43. Джонсон У., Меллор П.Б. Теория пластичности для инженеров. / Пер. с англ. А.Г. Овчинников.- М.: Машиностроение, 1979.- 567 с.

44. Егоров С.Н. Оптимизация в системах автоматизированного проектирования технологических процессов. М.: НИИЗинформэнергомаш, 1987. - С.87.

45. Егоров С.Н. Оптимизация режимов фрезерования криволинейных поверхностей на станках с ЧПУ: Дис. канд. техн. наук. JL: 1984. С. 268.

46. Елецкий А.В. Новые направления в исследованиях фуллеренов// Успехи физических наук.-1995.т.164.№9. С. 1007-1009.

47. Епифанов Г.И. О двухчленном законе трения / Исследования по физике твердого тела. -М.: Изд-во АН СССР, 1957. С. 60-70.

48. Епифанов Г.И., Ребиндер П.А. Влияние поверхностно-активных сред на граничное трение и износ / Развитие теории трения и изнашивания. М.: Изд-во АН СССР, 1957. - С. 47-58.

49. Зимов А.Д. Адгезия пыли и порошков. Изд.2-е, пер. и доп.-М.:Химия, 1976.-432 с.

50. Зимов А.Д. Адгезие жидкости и смачивание. М. :Химия, 1974.-416 с.

51. Зорев Н.Н. Вопросы механики процессов резания металлов. М.: Машгиз, 1956. - 367 с.

52. Ишлинский А.Ю. и Крагельский И.В. О скачках при трении// Ж-л Техническая физика.- 1944. Т. 14. вып. 5-6. С. 276-283.

53. Кайдановский H.JI. Природа механических автоколебаний, возникающих при сухом трении // Техническая физика.- 1949. Т. 19. Вып. 9. С. 985996.

54. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин: Учебное пособие для машиностр. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1991. - 319с.:ил.

55. Касти Дж. Большие системы. Связность, сложность и катастрофы/ Пер. с англ.- М.: Мир, 1982.-216 с.

56. Колев К.С., Горчаков JI.M. Точность обработки и режимы резания.- М.: Машиностроение, 1976.- 144 с.

57. Ко Р., Брокли С. Измерение трения и колебаний, вызванных силами трения// Проблемы трения и смазки. М.: Мир, 1970. Вып. 4. - С. 9 - 14.65.