автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности суперфиниширования путем рационального применения смазочно-охлаждающей жидкости

На правах рукописи

БАШКИРЦЕВА Ирина Владимировна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУПЕРФИНИШИРОВАНИЯ ПУТЕМ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ

05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат

диссертации на соискание уч( кандидата технически;

1 003464504

Волгоград 2009

003464504

Работа выполнена на кафедре «Технологии обработки и производства материалов» Волжского института строительства и технологий (филиале) Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шумячер Вячеслав Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Полянчиков Юрий Николаевич

кандидат технических наук Шарабаев Александр Викторович

Ведущая организация ОАО «Научно-производственное объединение

«Волгоградский научно-исследовательский институт технологии машиностроения»

Защита диссертации состоится «^ » 2009 г., в /^часов на

заседании диссертационного совета Д 212.028.66 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, Волгоград, пр. Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Ваш отзыв на автореферат (два экземпляра), заверенный печатью, просим направить по указанному адресу.

Автореферат разослан « _» — 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ю.М. Быков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение объема производства машин и оборудования, улучшение их эксплуатационных характеристик связано с совершенствованием процессов финишной абразивной обработки: хонингова-ния, суперфиниширования, доводки.

Решение задач повышения эффективности финишных операций реали-зовывалось путем оптимизации режимов обработки и характеристик абразивного инструмента, подбора состава смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Вместе с тем сущность физико-химических процессов, протекающих в зоне контакта инструмента и детали, недостаточно изучена.

При описании механизма явлений в зоне обработки зачастую преобладает подход, базирующийся на представлениях механики контактного взаимодействия поверхностей при различных режимах трения. Вне поля зрения исследователей остаются физико-химические явления, сопровождающие образование новых поверхностей при диспергировании обрабатываемой детали абразивным инструментом.

В литературе по проблемам технологии финишной абразивной обработки недостаточно полно проводится физико-химический анализ процессов, протекающих на поверхностях обрабатываемой детали, инструмента, частицах диспергированного материала. В связи с вышеизложенным, необходимость рассмотрения процессов финишной абразивной обработки с позиций физико-химической механики материалов особенно актуально.

Цель работы. Повышение эффективности технологии суперфиниширования путем рационального применения смазочно-охлаждающей жидкости.

Автор защищает:

- методологию рационального применения СОЖ в процессах финишной абразивной обработки;

- математическую модель процесса абразивного диспергирования в присутствии СОЖ;

- методику комплексной оценки качества СОЖ по физико-химическим и эксплуатационным характеристикам.

Научная новизна. Основные научные положения диссертации получены с использованием нового методического подхода к исследованию технологии финишной абразивной обработки с позиций физико-химической механики материалов.

Показано влияние физико-химических свойств СОЖ (краевой угол смачивания, поверхностное натяжение, энергия адгезии) на интенсивность абразивного диспергирования металлов, качество обработанной поверхности и ее эксплуатационные характеристики, в основе механизма которой лежит эффект (Ребиндера) адсорбционного облегчения деформации и разрушения твердого тела в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ). г,

г " ? >

Разработана математическая модель процесса абразивного диспергирования в присутствии СОЖ, которая позволяет оценивать качество СОЖ на стадии их разработки.

Установлено, что интенсивность абразивного диспергирования металла и качество обработанных поверхностей повышается за счет применения водных СОЖ, в состав которых наряду с ПАВ введены стабилизаторы и дис-пергаторы продуктов разрушения металла и инструмента.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований предложено новое технологическое направление оценки качества СОЖ для процесса абразивного диспергирования, включающая определение физико-химических показателей СОЖ с оценкой их качества по эксплуатационным характеристикам. Результаты исследований внедрены на ОАО «Волжский завод металлоконструкций» с ожидаемым экономическим эффектом 84 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всесроссийских и международных конференциях «Российская школа по проблемам науки и технологий) (г. Миасс, 2005 - 06 ), «Абразивное производство (г. Челябинск, 2005), «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2005), «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (г. Волжский, 2005 - 06).

Работа в полном объеме была представлена на расширенном заседании кафедры «Технологии производства и обработки материалов» (Волжский институт строительства и технологий) и рекомендована к защите.

Публикации. По диссертации опубликовано 8 печатных работ, 2 из которых в издании, вошедшем в перечень рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложения и списка литературы (129 наименований). Объем диссертации 112 страниц машинописного текста, содержит 33 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Влияние СОЖ на технологические показатели процессов финишной абразивной обработки

В настоящем разделе обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований, научная новизна, основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Процессы финишной абразивной обработки, относящиеся к низкотемпературным и малоотходным, позволяют при минимальном съеме материала заготовки управлять микрогеометрическими и физическими показателями поверхностных слоев деталей. Широкое распространение финишных процессов абразивной обработки предопределяет научно-технический прогресс в технологии машиностроения.

Известные отечественные и зарубежные ученые Бабичев А.П., Королев А.А., Кремень З.И., Фрагин И.Е., Худобин JI.B., Хаазис Г., Чеповецкий И.Х., Шумячер В.М. и др. теоретически и экспериментально исследовали основные закономерности алмазно-абразивной обработки - хонингования, суперфиниширования, притирки. В значительной мере разработаны теоретические проблемы механики контактного взаимодействия алмазно-абразивных брусков с обрабатываемой поверхностью заготовки. Выполненные глубокие многоплановые исследования в области расчета и экспериментального определения микрогеометрии, параметров опорных кривых поверхностей алмазно-абразивных инструментов (брусков), номинальных контурных и фактических площадей и давлений, сближения и податливости в контакте, объемов зазоров и перемещений абразивных зерен в контакте открыли широкие возможности изучения физических и химических процессов, происходящих при обработке.

Формализация процессов хонингования и суперфиниширования позволила получить расчетные формулы, позволяющие оценивать сложно-напряженное состояние в зоне фактического контакта абразивных зерен и обрабатываемой поверхности, рассчитывать производительность обработки и шероховатость обработанной поверхности, износ брусков.

Работами различных школ доказана сложность и разнообразие технологических процессов финишной абразивной обработки. При этом важными ограничениями для дальнейшего развития и внедрения в промышленности указанных технологий является отсутствие методологии научного прогнозирования эксплуатационных характеристик СОЖ.

На основе выделенных положений для достижения цели, поставленной в работе, сформулированы следующие задачи:

- исследование механизма абразивного диспергирования металла в среде смазочно-охлаждающей жидкости;

- изучение влияния динамики процесса абразивного диспергирования на характер и интенсивность течения эффекта адсорбционного облегчения деформаций и разрушения металла (эффект Ребиндера) при его взаимодействии с поверхностно-активной средой;

- создание математической модели процесса абразивного диспергирования металла с учетом механизма действия СОЖ;

- разработка рекомендаций по оптимизации состава СОЖ для процессов абразивного диспергирования металлов (финишная обработка шлифовальными брусками).

2. Разработка математической модели процесса абразивного диспергирования материалов

В процессе абразивного диспергирования деталь перемещается со скоростью U0. Инструмент прижимается к поверхности с силой Р0 и совершает возвратно-поступательные движения со скоростью U\ в плоскости, перпендикулярной вектору i/o- Абразивные зерна внедряются в обрабатываемый ме-

талл на глубину АЛ, совершая сложное движение по поверхности, диспергируют материал. Как следует из анализа целого ряда исследований, рассмотренных выше, в основу процесса абразивного диспергирования положен принцип усталостного разрушения металла в условиях фрикционного взаимодействия с абразивным инструментом. При этом СОЖ поступает в зону контакта (зазор 1Р) со скоростью [/0 за счет ее прилипания к поверхности.

Жидкость в виде пленки, толщиной 8, транспортируется в зону контакта 1Р, где в нее попадают частицы разрушения металла и продукта износа инструмента. Вследствие этого в контактной зоне образуется суспензия (СОЖ + продукты диспергирования - СПД). В зависимости от физико-химических свойств системы СПД могут реализовываться различные виды контактного взаимодействия инструмента и детали.

Обязательным действием СОЖ на данном этапе является непрерывное удаление системы СПД из зоны 1р. Этим предотвращается образование структурированного («заторможенного») слоя продуктов диспергирования у поверхности инструмента, которое приводит к нивелированию его микропрофиля, увеличению площадки контакта, и, как следствие, уменьшению глубины внедрения зерна в металл.

Движению системы СПД в зазоре 1Р препятствуют силы сопротивления, возникающие вследствие внутреннего трения (вязкости) в ее объеме и из-за адгезионного взаимодействия поверхности инструмента с частицами твердой фазы.

При движении системы СПД в зазоре 1р возникает сопротивление ее течению вследствие обтекания микровыступов «гребенки». Сила сопротивления перемещению цилиндра радиусом г в потоке вязкой жидкости по Ландау - Лившицу определяется из уравнения:

4тш Ш/

2

где с1 - диаметр цилиндра; Г| — динамическая вязкость жидкости; ц - кинематическая вязкость жидкости; С - число Эйлера; V - скорость перемещения цилиндра.

Полагая, что длина 1 образующей цилиндра равна 2/3 с1, а количество «цилиндров» в контакте л, определим силу сопротивления на поверхности при движении по ней суспензии:

г . аи- (2)

— С — / ■ п-

2 ' 8т)

Сопротивление перемещению системы СПД по поверхности определяется из уравнения:

0 <2<1Р, (3)

где 5 - площадь контакта тела 1 и 2; 2- координата плоскости сдвига.

Транспорт системы СПД из зоны контакта осуществляется за счет прилипания ее к движущейся поверхности 2. Следовательно, условие транспортировки реализуется при равенстве:

(4)

Для определения координаты плоскости сдвига г приравняем левые и правые части

равенства (4):

_ С/ 2 4пцЦ

= -—. (5)

г 3 I . аи

— С-1-п-

2 8Г

Произведем преобразование (5) и получим:

г Л.

8 лис/

1 Г 1 аи \ ^ --С-1-п- . (6)

2 8Г 1

35 ^ , <Ш

Примем С, =-, С ,=/•«-.

1 8гаи/ 2 8У

Произведем подстановку в уравнение (6):

г = -С-(0,77 + С2) (7)

Высота контактной зоны Гр определится из зависимости:

Из уравнения (8) следует, что высота контактной зоны 1'р зависит от

реологической характеристики системы СПД, находящейся в контактной зоне, а также от констант, определяющих микрогеометрию абразивного инструмента и детали.

Входящая в уравнение (8) величина / , равная расстоянию между средними линиями профилей инструмента и детали, может быть определена из уравнения, предложенного З.И. Кремнём:

1р = 2,1 р • ^£>3-£>д -1,55/7°-!^, (9)

где р - удельное давление в контакте; Д - дисперсия режущего профиля инструмента; £>д- дисперсия профиля детали; п - число абразивных зерен в контакте.

Величина Д, может быть определена из зависимости:

£>, =0,0156Ь2„р, (10)

где Ьар - ширина зерна предельной фракции.

Дисперсия профиля детали £>д определяется из уравнения:

где - среднее арифметическое отклонение профиля детали. Количество абразивных зерен, находящихся в контакте:

" = 02)

К

где В - ширина контактной зоны «брусок - деталь»; Я - шаг между абразивными зернами.

На границе раздела фаз СОЖ - частицы диспергированного металла в результате адсорбции ПАВ возникает межфазный слой, что создает структурно-механический барьер. Величиной структурно-механического барьера определяется сопротивление сдвигу коллоидной системы СПД.

Интенсивность абразивного диспергирования металлов будем характеризовать безразмерной величиной Ум:

к

[1 < п0 < со

к

где ^<21 - объем деформируемого слоя металла; А - фактическая площадь

контакта абразивных зерен с металлом; / - длина пути, проходимого инструментом по поверхности детали; по - критическое число воздействий абразивного зерна на микрообъеме металла, приводящее к его разрушению.

Уравнение (13) базируется на принципах усталостного разрушения материалов при трении, вытекающих из фундаментальных работ профессора И.В. Крагельского.

Располагая значениями параметров, входящих в уравнение (13), можно рассчитать ожидаемую интенсивность диспергирования металла. Это представляет практическую ценность при создании новых составов СОЖ и определении областей ее наиболее эффективного применения в металлообрабатывающей промышленности.

3. Методики исследований

Экспериментальными исследованиями предусматривалось определение основных параметров процесса абразивного диспергирования металлов и практическая проверка его математической модели.

Для проведения экспериментов разработаны методики исследования контактного взаимодействия абразивного инструмента и детали в присутствии смазочно-охлаждающей жидкости, определение некоторых физико-химических свойств СОЖ и реологических характеристик системы СПД, изучения антифрикционных свойств СОЖ при трении абразива по металлу,

исследование влияния реологических свойств СПД на интенсивность процесса абразивного диспергирования и качество обработанной поверхности, определение удельной энергии абразивного диспергирования в зависимости от свойств СОЖ и СПД. Испытания СОЖ при суперфинишировании производились на станках моделей ВС-22, 3871-Б.

В качестве режущего инструмента использовались шлифовальные бруски следующих характеристик: 24АМ28СМ2КЛ, 63СМ28СМ2КЛ, 63СМ14СМ1КЛ, ЛМ28 М1 50 %. Испытания СОЖ при хонинговании проводились на станках мод. 3820 и 3821 брусками АСР63/50 50 % М1. В ходе испытаний обрабатывались образцы из чугуна СЧ21, стали 40Х.

Статистическая оценка достоверности эмпирических уравнений проводилась:

- путем сравнения расчетных и теоретических критериев Фишера оценивалась гипотеза адекватности. Расчетные значения критерия Фишера определялись с помощью уравнения:

Г = (14)

где 522 и 5,г - оценки независимых частных совокупностей;

- определялась значимость коэффициентов регрессии полученных уравнений путем расчета для них доверительных интервалов:

Д£/ = ±Л?{</,.}, (15)

где /- табличное значение критерия Стьюдента; 5{</(} - квадратичная ошибка коэффициента регрессии.

Эффективность смазочно-охлаждающих жидкостей при хонинговании, суперфинишировании определялась по следующим показателям:

Qн - съем металла, мм3;

Qк - износ инструмента, мм3;

Д, - шероховатость обработанной поверхности, мкм;

А - удельная работа поверхностного диспергирования, Дж/м2.

Объем диспергированного металла определяли путем взвешивания образцов до и после экспериментов с последующим пересчетом по уравнению:

а. =7; об)

где т - масса диспергированного материала, г; <1 — плотность материала, г/мм3.

4. Результаты экспериментальных исследований

С помощью разработанных методик определены некоторые физико-химические свойства смазочно-охлаждающих жидкостей.

Анализ экспериментальных данных показывает, что смачивающая способность СОЖ улучшается при переходе от водных растворов ПАВ и электро-

литов к эмульсиям и углеводородным жидкостям.. Различие в смачиваемости металлов ШХ15 и СЧ21-40 водными СОЖ (растворами и эмульсиями) обусловлено специфичностью молекулярного взаимодействия этих жидкостей с поверхностями, отличающимися физико-химическими свойствами. Улучшение смачиваемости чугуна водными СОЖ связано с наличием на его поверхности обширных участков свободного графита, что приводит к ее модификации - гидролизации. Адгезия водной жидкости к металлу снижается при введении в нее активных смачивателей: натриевых мыл нафтеновых кислот (НСК-5У), ОП-7 (ИХП 45Э), дикалиевой соли эфира на основе октаглицери-дов и смеси алкенилянтарных кислот (В25), гликолей (Аквол-10). Наличие активной присадки дибутилового эфира трихлорметилфосфорновой кислоты в углеводородной СОЖ ОСМЗ предопределяет ее высокие смазывающие и противозадирные свойства в условиях граничного трения. Смазочные свойства эмульсий НСК-5У и ИХП 45Э обеспечиваются присутствием в масляной среде активной сульфогруппы.

В процессе абразивной обработки в зоне контакта «инструмент — деталь» образуется суспензия (система СПД), состоящая из смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) и продуктов диспергирования металла. При обработке отверстий (хонингование) давление в контактной зоне уменьшается с увеличением скорости диспергирования металла (рис. 1, а). В момент прекращения диспергирования (что фиксировалось с помощью следящей системы станка) происходило падение давления до нуля.

Рис. 1. Влияние скорости абразивного диспергирования чугуна СЧ21 на давление в контакте «брусок - деталь»: а - при хонинговании; б - при суперфинишировании (СОЖ: О - вода дистиллированная; х - ОСМЗ; • - керосин - 85 %; масло индустриальное 20 - 15 %; А - В25; 1- ИХП 45Э, 5 %-ой концентрации; аквол, 10,3 %-ой концентрации; о - 40К5У 5%-ой концентрации

В случае обработки металла абразивным бруском (суперфиниширование) давление в контакте меняется от отрицательного значения 100 Па до положительного (рис. 1, б).

При непрерывном диспергировании металла вследствие интенсивного выноса суспензии из зоны обработки в контактной зоне создается разряжение (рис. 1, б), которое возрастает с течением времени.

В момент прекращения съема металла происходит увеличение давления в контакте до 50 Па, которое затем падает до нуля. Различие в динамике роста давления в контактной зоне при обработке отверстий и наружных цилиндрических поверхностей обусловлено специфическими особенностями контактирования инструмента и детали при этих видах обработки. В случае обработки внутренних поверхностей инструмент имеет прерывистую поверхность. При прекращении съема металла инструмент работает в режиме трения - скольжения, аналогично подшипнику скольжения.

Содержание твердой фазы в суспензии зависит от скорости диспергирования металла (рис. 2). Увеличение объемного содержания твердой фазы в СОЖ, находящейся в зоне контакта «инструмент - деталь» происходит с ростом интенсивности абразивного диспергирования металла (рис. 3). Критическое содержание продуктов разрушения в контактной зоне, при котором происходит прекращение диспергирования металла, для водных растворов находится в пределах 5 -И 0 %, эмульсий - 7,5 -И 2 %, углеводородных СОЖ - 18 %.

С,% 20

15

10

5

0,2 0,3 0,4 0,5 е, с-1

Рис. 2. Влияние скорости абразивного диспергирования чугуна СЧ21 на состав системы СПД в контакте «брусок - деталь» (хонингование брусками АСР63/50 - 50 % М1)

Проведены также исследования реологических характеристик коллоидных систем, СПД, коэффициента трения абразива по металлу и др.

5. Рациональное применение состава СОЖ при финишной абразивной обработки

В соответствии с предлагаемой математической моделью теоретически рассчитанные величины интенсивности абразивного диспергирования металла на порядок ниже экспериментальных.

Основной причиной этого, на наш взгляд, является то, что математическая модель процесса абразивного диспергирования не учитывает эффект адсорбционного понижения прочности обрабатываемого металла при взаимодействии его со средой. Сложность и многообразие явлений, протекающих при взаимодействии среды с разрушаемой поверхностью металла, служит серьезной причиной при формализации процесса абразивного диспергирования металла.

В условиях значительной по уровню поверхностной активации металла при ее абразивном диспергировании среда оказывает существенное влияние на течение процесса обработки. Углеводородные и эмульсионные среды в значительно более высокой степени, чем водные, интенсифицируют процесс абразивного диспергирования металла. Расчеты показывают, что при работе с водной жикдостью Аквол-10 число взаимодействий абразивного зерна с металлом, приводящее к отделению микрообъема материала в 4 раза больше, чем при использовании углеводородных и эмульсионных СОЖ.

4

30 х 10-5

са ц

§

Ё «

К

к «

ш о о. X и О. и с и

20 х 10'

10 х Ю -5

а. к <и ц

И

О

х/

Уж •

/ и

А/

/и

10 х 10-5 20x 1 о-5 30х10-5

Расчетная интенсивность диспергирования металла

Рис. 3. Корреляция расчетных и экспериментальных интенсивностей абразивного диспергирования металла

Механизм действия СОЖ при абразивном диспергировании металлов складывается из двух одновременно протекающих процессов. Среда взаимо-

действует с поверхностью обрабатываемого металла, осуществляя адсорбционное понижение его прочности. Адсорбционное облегчение разрушения металла зависит от интенсивности деформации его поверхностного слоя. В свою очередь динамика процесса абразивного диспергирования зависит от свойств системы: «СОЖ + продукты диспергирования». Значительная сложность механизма действия СОЖ потребовала введение в уравнение (13) эмпирического коэффициента 3 примет вид:

3» = 3 ~П- (17)

При абразивном диспергировании сталей (HRC 50.60) 3 = 2 ... 3,7, а для чугунов з = 1,4 ... 2,3. Данные коэффициенты рассчитаны для абразивного инструмента зернистостью М20 М10, а алмазного 63/50 28/20.

Коэффициент корреляции между рассчитанными по уравнению (17) и полученными экспериментально интенсивностями абразивного диспергирования металла находится в пределах 0,68 ... 0,81.

Методика оценки эффективности состава СОЖ для процесса абразивного диспергирования металлов состоит из следующих этапов:

- определение физико-химических показателей СОЖ нескольких составов: поверхностное натяжение, коэффициент смачивания, работа адгезии к поверхности обрабатываемого металла, вязкость, плотность;

- определение реологических характеристик систем «СОЖ + продукты диспергирования» предельное напряжение сдвига, объем седиментационных осадков;

- оценка диспергирующей и стабилизирующей способностей СОЖ: се-диментационный анализ продуктов диспергирования в исследуемой СОЖ, определение коэффициента стабилизации;

- определение коэффициента трения абразива по металлу при работе с разными СОЖ;

- расчет интенсивности диспергирования металла по уравнению, описывающему математическую модель процесса.

По наши данным оптимальный состав СОЖ для финишной абразивной обработки брусками имеет следующие физико-химические показатели:

- вязкость - 1,2 4-1,5 сст;

- поверхностное натяжение - 32 * 40 • 10"3 Н/м2;

- краевой угол смачивания -12 -ь 30°;

-коэффициент стабилизации шлама -1,2 1,5;

- коэффициент трения абразивного зерна по металлу

в среде данной СОЖ - 0,06 -И),08.

Смазочно-охлаждающая жидкость не должна корродировать на металле, обладать стабильностью, быть невзрывоопасной.

Рекомендуемые жидкости для данного вида обработки: ОСМ-3, ИХП-45Э, В25.

ВЫВОДЫ

1. В основе механизма действия смазочно-охлаждающей жидкости при абразивном диспергировании металлов шлифовальными брусками лежит эффект адсорбционного облегчения деформации и разрушения твердого тела в присутствии ПАВ (эффект Ребиндера).

Показана специфичность адсорбционного эффекта облегчения разрушения твердого тела при действии ПАВ, определяемая совокупностью физико-химических факторов: химическим составом СОЖ и металла, условиями деформации.

2. Установлено влияние СОЖ на динамику процесса абразивного диспергирования металла (условия деформации и разрушения твердого тела), которое выражается в изменении реологических характеристик коллоидной системы «СОЖ + продукты диспергирования» в контакте «брусок - деталь». Для данного вида абразивного диспергирования металла реологические свойства коллоидной системы в контакте «брусок - деталь» является определяющим условием для реализации эффекта адсорбционного облегчения деформации и разрушения.

3. Показано влияние физико-химических свойств СОЖ (краевой угол смачивания, поверхностное натяжение, энергия адгезии) на интенсивность абразивного диспергирования металлов, качество обработанной поверхности и ее эксплуатационные характеристики.

4. Разработана математическая модель процесса абразивного диспергирования в присутствии СОЖ. Установлена усталостная природа разрушения металла при данном процессе. Диспергирование частицы микрообъема металла происходит по достижению определенного числа воздействий (число циклов) на него абразивного зерна. Число циклов, приводящее к разрушению, зависит от динамики процесса, поверхностных и химических свойств среды.

Использование математической модели процесса абразивного диспергирования металла позволяет на качественно более высоком уровне, чем в настоящее время, осуществлять оценку качества состава СОЖ и эффективности процессов финишной абразивной обработки.

5. Разработана установка и методика для оценки смазочных свойств СОЖ в условиях граничного трения абразивного зерна по металлу. Показано влияние физико-химических свойств среды на динамику граничного трения и характер контактных взаимодействий абразивного зерна и металла при трении.

6. Установлено, что интенсивность абразивного диспергирования металла и качество обработанных поверхностей повышается за счет применения водных СОЖ, в состав которых наряду с ПАВ введены стабилизаторы и дис-пергаторы продуктов разрушения металла и инструмента на ВМС (например КМЦ). Разработаны требования, предъявляемые к СОЖ для абразивного диспергирования металла шлифовальными брусками.

7. Влияние СОЖ на износ шлифовальных брусков на керамической связке выражается в адсорбционном понижении их прочности (твердости). Износ алмазных брусков обусловлен их адгезионным взаимодействием с обрабатываемым металлом. Действие СОЖ на износ сводится к изменению трения абразива по металлу.

По теме диссертации опубликованы следующие работы, раскрывающие её основное содержание:

Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ

1. Башкирцева, И. В. Исследование влияния смазочно-охлаждающих жидкостей на коэффициент трения абразива по металлу / О. В. Душко, В. М. Шумячер, И. В. Башкирцева // Технология машиностроения. - 2005. - № 12.-С. 39-41.

2. Башкирцева, И. В. Математическая модель процесса абразивного диспергирования металла / О. В. Душко, В. М. Шумячер, И. В. Башкирцева // Технология машиностроения. - 2005. - № 12. - С. 46 - 50.

Публикации в других изданиях

3. Башкирцева И. В. Исследование влияния смазочно-охлаждающей жидкости на износ доводочных брусков и качество обработанной поверхности / В. М. Шумячер, О. В. Душко, И. В. Башкирцева // Сб. науч. тр. XXV Российской школы по проблемам науки и технологий. - Екатеринбург: УрО РАН. - 2005. - С. 212 - 214.

4. Башкирцева И. В. Микромеханика контактного взаимодействия абразива с материалом в присутствии смазочно-охлаждающей жидкости / О. В. Душко, В. М. Шумячер, И. В. Башкирцева И Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Шлифабразив - 2005 : сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. -Волжский: ВИСТех (филиал) ВолгГАСУ, 2005. - С. 199-203.

5. Башкирцева И. В. Динамика контактного взаимодействия инструмента и детали при абразивном диспергировании / В. М. Шумячер, О. В. Душко, И. В. Башкирцева // Абразивное производство : сб. науч. тр. - Челябинск: Южноуральский государственный университет. - 2005. — С. 131 - 138.

6. Башкирцева И. В. Исследование влияния смазочно-охлаждающих жидкостей на процессы финишной абразивной обработки / В. М. Шумячер, О. В. Душко, И. В. Башкирцева // Материалы и технологии XXI века: сб. ст. III Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Поволжский Дом Знаний. - 2005. - С. 85 - 87.

7. Башкирцева И. В. Метод оценки эффективности процессов финишной абразивной обработки материалов / В. М. Шумячер, О. В. Душко, И. В. Башкирцева // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Шлифабразив - 2006 : сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. - Волжский: ВИСТех (филиал) ВолгГАСУ, 2006,- С. 178-181.

8. Башкирцева И. В. Изучение технологической эффективности смазочно-охлаждающих жидкостей в процессах абразивной обработки с использованием методов математического планирования / В. М. Шумячер, О. В. Душко, И. В. Башкирцева И Сб. науч. тр. XXVI Российской школы по проблемам науки и технологий. - Екатеринбург : УрО РАН. - 2006. - С. 347 - 349.

БАШКИРЦЕВА Ирина Владимировна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУПЕРФИНИШИРОВАНИЯ ПУТЕМ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ

Автореферат

Подписано в печать 12.02.09. Формат 60x84/16. Бумага Union Prints. Гарнитура Times New Roman. Печать трафаретная Усл. печ. л. 0,93 . Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Волжский институт строительства и технологий (филиал) Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета 404111, г. Волжский Волгоградской области, пр. Ленина, 72

Введение.:.

Глава 1. Влияние СОЖ на технологические показатели процессов финишной абразивной обработки.

1.1. Перспективные направления исследований.

1.2. Влияние среды на процессы разрушения и деформации твердых тел.'.

1.3. Механизм диспергирования твердого тела.

1.4. Выводы и постановка задачи исследований.

Глава 2. Разработка математической модели процесса абразивного диспергирования материалов.:.

2.1. Расчетные параметры процесса.'.

2.2. Выводы.

Глава 3. Методики исследований.

3.1. Программа исследований.333.2. Методика проведения экспериментов при абразивном диспергировании металлов (суперфиниширование, хонингование).

3.3. Методики исследования'основных процессов, протекающих внконтакте «инструмент - деталь».

3.4. Методика исследования физико-химических свойств СОЖ.

3.5. Методика исследования реологических характеристик систем СПД.

3.6. Методика исследования влияния СОЖ на коэффициент трения абразивного зерна по металлу.

3.7. Методика определения удельной поверхности продуктов абразивного диспергирования металла.

3.8. Методика исследования кинетики седиментации продуктов диспергирования металла в смазочно-охлаждающих жидкостях

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований.

4.1. Физико-химические свойства смазочно-охлаждающих жидкостей

4.2. Влияние СОЖ на процессы, протекающие в контакте «инструмент - деталь».7.

4.3. Исследование реологических характеристик коллоидных систем СПД.

4.4. Исследование влияния СОЖ на коэффициент трения абразива по металлу.

4.5. Исследование влияния реологических свойств системы СПД' на интенсивность абразивного диспергирования.металла

4.6. Влияние свойств СОЖ на удельную энергию абразивного диспергирования металла.

4.7. Влияние СОЖ на износ абразивного инструмента и качество обработанной поверхности.

4.8. Выводы.

Глава 5. Рациональное применение состава СОЖ при финишной абразивной обработки.

5.1. Экспериментальная проверка математической модели процесса абразивного диспергирования металла.

5.2. Рекомендации по рациональному применению СОЖ для процесса абразивного диспергирования металла.

5.3. Выводы.

Актуальность проблемы. Повышение объема производства машин и оборудования, улучшение их эксплуатационных характеристик связано с совершенствованием процессов финишной абразивной обработки: хонингова-ния, суперфиниширования, доводки.

Решение задач повышения эффективности финишных операций реали-зовывалось путем выбора рациональных режимов обработки и характеристик абразивного инструмента, подбора состава смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Вместе с тем сущность физико-химических процессов, протекающих в зоне контакта инструмента и детали, недостаточно изучена.

При описании механизма явлений в зоне обработки зачастую преобладает подход, базирующийся на представлениях механики контактного взаимодействия поверхностей при различных режимах трения. Вне поля зрения исследователей остаются физико-химические явления, сопровождающие образование новых поверхностей при диспергировании обрабатываемой детали абразивным инструментом.

В литературе по проблемам технологии финишной абразивной обработки недостаточно полно проводится физико-химический анализ процессов, протекающих на поверхностях обрабатываемой детали, инструмента, частицах диспергированного материала. В связи с вышеизложенным, необходимость рассмотрения процессов финишной абразивной обработки с позиций физико-химической механики материалов особенно актуально.

Цель работы. Повышение эффективности суперфиниширования путем рационального применения смазочно-охлаждающей жидкости.

Научная новизна. Основные научные положения диссертации получены с использованием нового методического подхода к исследованию технологии финишной абразивной обработки с позиций физико-химической механики материалов.

Показано влияние физико-химических свойств СОЖ (краевой угол смачивания, поверхностное натяжение, энергия адгезии) на интенсивность абразивного диспергирования металлов, качество обработанной поверхности и ее эксплуатационные характеристики, в основе механизма которой лежит эффект (Ребиндера) адсорбционного облегчения деформации и разрушения твердого тела в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Разработана математическая модель процесса абразивного диспергирования, которая позволяет оценивать качество СОЖ на стадии их разработки.

Установлено, что интенсивность абразивного диспергирования металла и качество обработанных поверхностей повышается за счет применения водных СОЖ, в состав которых наряду с ПАВ введены стабилизаторы и диспер-гаторы продуктов разрушения металла и инструмента.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований предложено новое технологическое направление рационального применения состава СОЖ для процессов суперфиниширования, включающая определение физико-химических показателей СОЖ с оценкой их качества по эксплуатационным характеристикам. Указанная разработка внедрена на ОАО «Волжский завод металлоконструкций» с ожидаемым экономическим эффектом 84 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях «Российская школа по проблемам науки и технологий) (г. Миасс, 2005 - 06), «Абразивное производство (г. Челябинск, 2005), «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2005), «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (г. Волжский, 2005 - 06).

Работа в полном объеме была представлена на расширенном заседании кафедры «Технологии производства и обработки материалов» (Волжский институт строительства и технологий) и рекомендована к защите.

Публикации. По диссертации опубликовано 8 печатных работ, 2 из которых в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложения и списка литературы (129 наименований). Объем диссертации 112 страниц машинописного текста, содержит 33 рисунков и 8 таблиц.

5.3. Выводы

1. Предложенная математическая модель удовлетворительно описывает процесс абразивного диспергирования металла.

2. Использование данной модели позволило определить пути интенсификации процесса абразивного диспергирования металла, повышения качества обработки, а также позволило более полно объяснить результаты исследований других авторов с точки зрения механизма действия СОЖ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В основе механизма1 действия смазочно-охлаждакяцей жидкости при абразивном; диспергировании металлов* шлифовальными брусками; лежит, эффект, адсорбционного-облегчениящеформациши:разрушения-твердого тела в присутствии IIAB (эффект Ребиндера).

Показана специфичность адсорбционного эффекта облегчения разрушения твердого тела при» действии ПАВ, определяемая - совокупностью физико-химических' факторов: химическим составом СОЖ и-металла, условиями• деформации: ,

2. Установлено? влияние* СОЖ на; динамику», процесса абразивного дисг пергирования металла (условия деформации*; и разрушения-; твердого? тела), которое выражается; в £ изменении; реологических? характеристик коллоидной системы «СОЖ + продукты диспергарования>> в^контакте «брусок — деталь». Для; данного вида- абразивного диспергирования; металла-; реологические свойства коллоидной^ системы в контакте «брусок^— деталь» является' определяющим; условием для. реализации1 эффекта адсорбционного облегчения деформации и разрушения.

3. Показано влияние физико-химических свойств СОЖ (краевой угол смачивания;, поверхностное натяжение, энергия? адгезии); на интенсивность абразивного диспергирования- металлов, качество - обработанной; поверхности и ее эксплуатационные характеристики.

4. Разработана математическая модель; процесса абразивного диспергирования в присутствии СОЖ. Установлена усталостная природа разрушения; металла при данном процессе. Диспергирование частицы, микрообъема металла- происходит по достижению определенного числа воздействий (число циклов) ша; него: абразивного'зерна. Число-циклов;. приводящее к разрушению, зависит от динамики; процесса, поверхностных, и химических свойств среды.

Использование математической модели: процесса7 абразивного' диспергирования металла позволяет оценивать качество СОЖ на стадии их разработки.

5. Разработана установка и методика для оценки смазочных свойств СОЖ в условиях граничного трения:абразивного зерна по металлу. Показано влияние физико-химических свойств среды на динамику граничного трения и характер? контактных, взаимодействий: абразивного зерна и металла, при- трении; . ;

6. Установлено, что интенсивность абразивного-диспергирования металла и качество обработанных поверхностей? повышается за счет применения водных СОЖ, в состав которых наряду с ПАВ введены стабилизаторы и диспергаторы продуктов - разрушения, металла, и;: инструмента -на - ВМС (например ?КМЦ). Разработаны^ требования, предъявляемые к СОЖ для абразивного диспергирования металла шлифовальными брусками.

1. . Влияние СОЖ на износ шлифовальных брусков на> керамической: связке выражается в. адсорбционном- понижении их прочности (твердости). Износ алмазных брусков обусловлен их адгезионным-взаимодействием' с обрабатываемым металлом. Действие СОЖ на износ сводится к изменению; трения абразива по металлу.

8. На основе теоретических и экспериментальных исследований предложено новое технологическое направление рационального применения состава СОЖ для процесса суперфиниширования, включающая определение физико-химических показателей СОЖ с оценкой их качества по эксплуатационным характеристикам. Указанная разработка внедрена на ОАО «Волжский: завод металлоконструкций» с ожидаемым экономическим эффектом 84 тыс. руб;

1.Абразивная и алмазная обработка материалов : справочник / Под ред. А. Н. Резникова. - М. : Машиностроение, 1977. 391 с.

2. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. М. : Наука, 1976. -269 с.

3. Башкирцева, И. В. Исследование влияния смазочно-охлаждающих жидкостей,на коэффициент трения абразива по металлу / О. В. Душко, В. М. Шумячер, И. В. Башкирцева // Технология машиностроения. — 2005. — № 12. -С. 39-41.

4. Башкирцева, И. В. Математическая модель процесса абразивного диспергирования металла / О: В. Душко, В. М. Шумячер, И. В. Башкирцева // Технология машиностроения. 2005. - № 12. — С. 46 - 50.

5. Бердичевский, Е. Г. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки материалов : справочник / Е. Г. Бердичесвский. — М. : Машиностроение, 1984. 224 с.

6. Безъязычный, В. Ф. Эффективность применения твердых смазочных композиций»при обработке лопаток ГТД / В. Ф. Безъязычный", А;-В. Лобанов, Ю. А. Рудин // Вестник машиностроения. 1994. - № 3: - С. 32 - 34.I

7. Билик, Ш. М. Абразивно-жидкостная обработка металлов / Ш. М. Билик. М. : Машгиз, 1960. - 198 с.

8. Богомолов, Н. И. Оптимизация и особенности процессов абразивной доводки / Н. И. Богомолов // Теория и практика алмазной и абразивной обработки деталей приборов и машин : тез. докл. Всесоюз. конф. МВТУ им. Н. Э. Бауманна. М., 1973. - С. 13 - 19.

9. Бокучава, Г. В. Трибология процесса шлифования / Г. В. Бокучава. — Тбилиси : Сабгота сакартбело, 1984. 238 с.

10. Боуден, Ф. Трение и смазка / Ф. Боуден, Д. Тейбор. М. : Машгиз, 1960.- 152 с.

11. Булыжев, Е. М. Ресурсосберегающее применение смазочно-охлаждающих жидкостей при металлообработке / Е. М. Булыжев, JT. В. Ху-добин. — М. : Машиностроение, 2004. 352 с.

12. Бушманов, Б. Н. Физика твердого тела / Б. Н. Бушманов, Ю. А. Хромов. -М. : Высшая школа, 1971. — 224 с.

13. Васин, С. А. Резание металлов. Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании / С. А. Васин, А. С. Верещака, В. С. Кушнер. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. - 448 с.

14. Верещака, А. С. Анализ проблемы экологически безопасного резания / А. С. Верещака // Конструкторско-технологическая информатика : труды IV Междун. конгресса. М. : МГТУ «Станкин», 2000. - Т. 1. - С. 112 -115.

15. Виноградов, Г. В. Механизм противоизносного и антифрикционного действия смазочных средств при тяжелых режимах граничного трения / Г. В. Виноградов, Ю. А. Подольский // Природа трения твердых тел. Минск : Наука и техника, 1971. - С. 210 - 213.

16. Волков, М. П. Исследование влияния физико-химических свойств СОЖ на качество и динамику процесса шлифования / М. П. Волков, В. М. Шумячер // Абразивы. 1977. - № 4. - С. 1 - 3.

17. Выбор обрабатывающих сред при полировании деталей уплотненным абразивом / В. А. Скрябин и др. // Машиностроитель. 1998. - № 35. -С. 22-23.

18. Годлевский, В. А. Повышение эффективности и качества обработки материалов резанием путем управления смазочным действием СОТС : дис. . д-ра техн. наук / В. А. Годлевский. — Иваново : ИвГУ, 1995. 556 с.

19. Демкин, Н. Б. Контактирование шероховатых поверхностей / Н. Б. Демкин. М. : Наука, 1970. - 227 с.

20. Дерягин, Б. В. Адгезия твердых тел / Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова, В. П. Смилга. М. : Наука, 1973. - 279 с.

21. Доводка прецизионных деталей машин / П. Н. Орлов и др. ; под ред. Г. М. Ипполитова. М. : Машиностроение, 1978. — 256 с.

22. Ефимов, В. В. Научные основы техники подачи СОЖ при шлифовании. Саратов : изд-во Саратовского гос. ун-та, 1985. — 140 с.

23. Ешенко, Е. П. Эффективное внедрение СОЖ в металлообрабатывающих производствах / Е. П. Ещенко // Мир техники и технологии. — 2003. -№ Ю.-С. 64-65.

24. Жулев, А. А. Применение водных СОЖ при суперфинишировании деталей подшипников / А. А. Жулев, Б. И. Коротков, М. П. Волков // Станки и инструменты. 1980. - № 9. - С. 29 - 30.

25. Иванов, Ю. И. Пожароопасные СОЖ / Ю. И. Иванов // Машиностроитель. 1972. - № 2. - С. 32.

26. Измайлова, В. В. Структурообразование в дисперсных системах / В. В. Измайлова, П. А. Ребиндер. М. : Наука, 1974. - 268 с.

27. Карпов, Н. Ф. Эффективность действия различных поверхностно-активных веществ на процесс абразивной доводки / Н. Ф. Карпов, P. HI Ошер, И. Ф. Молохов // Станюъи инструмент. 1984. - № 12. - С. 32.

28. Кащеев, В. Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов / В. Н: Кащеев. М. : Машиностроение, 1978. - 213 с. ^

29. Киселев Е.С. Технологическая эффективность современных СОЖ для лезвийной обработки / Е. С. Киселев, А. Н. Унянин, С. 3. Курзанова // СТИН.- 1995.-№ 11.-С. 22-25.

30. Концентрат синтетической смазочно-охлаждающей жидкости для механической обработки металлов / А.В. Радушев и др. // Химия и технология топлив и масел. 1997. - № 4. - С. 14-15.

31. Корчак, С. Н; Производительность процесса шлифования стальныхрдеталей / С. Н. Корчак. — М. : Машиностроение, 1974. — 280 с.j *