автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение качества и производительности на операциях обточки и калибровки пруткового материала на автоматических линиях

РГ 5 ОД

2 3 ОПТ 1995

На правах рукописи ЕГОРОВ Сергей Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ НА ОПЕРАЦИЯХ ОБТОЧКИ И КАЛИБРОВКИ ПРУТКОВОГО МАТЕРИАЛА НА АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ

Специальности: 05.02.08 05.03.01

— Технология машиностроения,

— Процессы механической и физико-технической обработки, станки

и инструмент

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 1995

Работа выполнена в Ивановском государственном униве

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор Латышев В. Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Беккер М. С.; кандидат технических наук, профессор Зрюкин В. В.

Ведущая организация—

Научно-исследовательский экспериментально-конструкто ский машиностроительный институт (г. Иваново).

Защита состоится « /9". » . 1995 го;

в часов на заседании диссертационного специализир ванного совета К 063.84.04 в Ивановском государственнс университете по адресу: 153025, г. Иваново, ул. Ермак

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИвГ

ситете.

д. 39, ауд. 459.

Автореферат разослан « /. . »

Ученый секретарь специализированного совета к. т. н.

УМОВ А.

0Б31ЛЯ ХАРАК-ТЕЖТКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшая роль в развитии народного хозяйства отводится повышению технического уровня машиностроения и его конкурентоспособности на мировом рынке. Большую долю операций в машиностроении ■ составляет механическая обработка конструкционных материалов резанием и давлением. Режимы обработки деталей, новые сплавы и режущий инструмент таковы, что невозможно обойтись без высокоэффективных смазочно-охлаждаших технологических средств (СОТС), позволяющих повышать производительность труда, сникать затраты производства. Наукоемкость разработки новых СОТС возросла.

Актуальность проблемы применения СОЮ обусловлена возрастающими масштабами применения новых жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также металлов и неметаллов с особыми свойствами. Опыт использования товарных СОТС показывает, что невозможно предложить универсальную технологическую среду для•различных операций механообработки. В каждом конкретном случае часто приходится подбирать индивидуальную смазочно-охлаждающую композицию.

Возникает множество сопутствующих проблем, связанных с применением СОТС. Это зашита оборудования от коррозии при применении химически-активных составов, загрязнение стружкой, окалиной и пр., биопоражение и разложение СОТС; потеря технологических •свойств в процессе эксплуатации. Происходит переход предприятий па более дешевые продукты нефтехимии, в частности, на водомасля-ные эмульсии, полусинтетические и синтетические жидкости. Налицо значительное снижение потребления масляных составов, что связано с тенденцией снижения себестоимости продукции.

Перед машиностроением с особой остротой в последнее время встала экологическая проблема регенерации и утилизации СОТС. Возросли санитарно-гигиенические требования к составам, применяемым па производстве и находящимся в контакте с обслуживающим персоналом. Возникла необходимость замены высокотоксичных яшдкостей (особенно хлорсодержащих), часто с неприятным запахом, на менее опасные для здоровья. Поэтому наш была сделана попытка предложить менее токсичные, но высокоэффективные жидкости, способные заменить нак отечественные, так и зарубежные СОТС на одном из технологичес;.их процессов - обточке с калибровкой пруткового материала.

Процесс изготовления калиброванной стали на автоматических -пиниях типа "Калов" и "Кизерлинг" включает в себя несколько операций механической обработки, каждая их которых выполняется с применением СОТС, различных по составу и свойствам. Калибровку обычпо проводят с применением жидких масляных или твердых смазочных составов. В масла обычно вводят неорганические кислоты для создания на поверхности обрабатываемого прутка так называемого "подсмазочного" слоя. Применение твердах смазочных материалов ограничено главным образом по двум причинам, во-первых, вследствие низкой эффективности, во-вторых, из-за того, что на поверхности прутка остается непрореагировавшая смазка, которая при дальнейшей термической обработке вступает в химическое взаимодействие с металлом и вызывает потемнение поверхности.

На операции обточки, как правило, применяют водоэмульсионную СОТС. При выборе ее состава руководствуются лишь оценкой влияния смазки на данный технологический переход и не учитывают при этом получение поверхностью прутка "наследственных" трибологических характеристик, которые могут оказывать влияние на дальнейший процесс калибровки. Проблемы оптимального выбора СОТС в данном случае момно решить локально (за счет подбора технологической среды для калибровки). Есть и другой способ: при изготовлении калиброванного металла на автоматических линиях задачу применения СОТС решать комплексно, то есть бибирать Каждую из смазок таким образом, чтоби этот Ьибор был обусловлен эффективностью не только данного технологического перехода, но и операции 6 целом.

Цель работы. На основе физико-химических и триботехнических исследований выбрать для процесса изготовления калиброванного металла на автоматических линиях такую пару трибоактивных СОЮ для операций обточки с калибровкой, которые бы обеспечили повышение производительности работа оборудования и повышение качества продукции. Разрабатываемые СОТС должны■быть малотоксичными й приемлемыми по аналитическим критериям.

Метода исследования. Проводились модельные испытания СОТС на операции сверления (измерение крутящего момента, 'осевой нагрузки, работы резания, износа и стойкости инструмента, коэффициента утолтения стружки). Трийотехническия исследования процессов, про-

исходящих при трении с критическими нагрузками, выполняли на машине трения СМЦ-2. Исследование трийохимических реакций в условиях высоких давлений были проведены на триЗометре ТАУ-1.

Изучение контактной поверхности деталей и инструмента после резания, трения и волочения в среде СОТС с присадками высокого давления (ВД) проведено электронномикроскопическим и рентгено-спектральным методами. После калибровки исследовали шероховатость поверхности, наличие остаточной смазки и хемосорбционных слоев химическими методами. Измерение поверхностного упрочнения при калибровке проводилось на микротвердомере ЛМТ-7. Также проводили исследование качества поверхности прутка после термической обработки и снятия напряжения в поверхностном слое.

С целью объяснения выявленных эффектов проведен цикл физико-химических экспериментальных исследований: измерение поверх-постного натяжения и вязкости растворов; измерение электродного потенциала поверхности при зачистке под раствором; оценка трибо-химической активности присадок методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) при термическом разложении; измерение коррозионной активности' водных растворов присадок.

Теоретические расчета и статистическая обработка результатов исследований производились с помощью персонального компьютера, в том числе по разработанным автором вычислительным программам.

Научная новизна. Применен комплексный подход к выбору СОТС для многостадийных операций с несколькими технологическими средами.

Впервые предложено для условий комбинированной обработки обточкой с калибровкой осуществлять выбор СОТС по принципу управляемого формирования смазочного слоя. Граничный слой при этом формируется в 2 этапа: химический подслой образуется в хода предварительной обработки, где зона резания служит своеобразным "химическим реактором". Необходимыми условиями образования оптимального подслоя служит состав СОТС, вклшаюший присадку химического действия, и режим обточки. Наружная часть смазочного слоя формируется при прохождении прутка через ванну со второй СОТС -поверхностно-активной смазкой с высокой адгезией к поверхности.

В качестве присадки ВД для формирования "подсмазочного" и смазочного слоев предложено использовать фосфорорганические сое-

динения ряда алкилфосфатов. В результате ряда физико-химических и технологически* экспериментов произведен выбор типа и концентрации присадки ВД для формирования подслоя.

Практическая ценность.

Разработаны рекомендации по выбору оптимальной комбинации из двух СОТС для агрегатной обработки прутка - обточки с калибровкой;

- предложена серия тестов для оценки действия СОГС для исследуемого технологического процесса;

разработаны новые высокоэффективные технологические смазочные составы, рекомендуемые для обработки стального прутка на автоматических линиях типа "Калов" и "Кизерлинг", которые позволяют повысить производительность более чем на 50% без ухудшения качества изделия.

Реализация работы. Разработаны СОТС для комплексной обработки металлов обточкой с калибровкой на автоматических линиях "Калов" и "Кизерлинг" для Орловского сталепрокатного завода АО "ОСПаЗ". Проведены производственные испытания применяемых смазочных составов. Разработана техническая документация на новую СОТС для калибровки "Калийроль И" и передана для организации промышленного производства на Ивановское объединение АО "ИВХИМПРОМ". Научно-методические разработки автора используются в учебном процессе на физическом факультете Ивановского государственного университета .

Апробация работы. Основные полояения диссертационной работа докладывались и обсуждались на:

- ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Ивановского государственного университета 1992-1995 гг.;

международной научно-технической конференции "Смазочно-о'оаудаюшие технологические средства для обработки материалов" - Херсон, 1992;

международной научно-технической . конференции "Смазочно-охлавдшше технологические средства при механической обработке заготовок vra различных материалов" - Ульяновск, 1993; • II между народим конференции по липтропнш жидким кристаллам -Иваново, 1ЭЧЗ;

- российской научно-технической конференции "Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении" - Рыбинск, 1994;

- I международной конференции "Современное состояние производства и применения смазочных материалов" - Фергана, 1994;

- международной научно-технической конференции "Технология механообработки: физика процессов и оптимальное управление" - Уфа, 1994.

Обьем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 207 наименований, изложена на 115 страницах машинописного текста с 67 рисунками, 36 таблицами и I приложением на 6 листах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований.

В первой главе приводится краткий исторический обзор развития научных представлений о действии СОЮ при механической обработке металлов резанием. Отмечается большой вклад отечественных и зарубежных ученых в развитие науки о резании, трении и применении СОТС. Рассматриваются исследования механизма действия СОЮ и физико-химических процессов, происходящих при трении и резании, выполненные A.M. .Розенбергом, И.В. Гребенщиковым, А.К. Зайцевым, А.Г. Самарцевым, П.А. Ребиндером, В.Д. Кузнецовым, Г.И. Епифановым, А.И. Исаевым, Г.В. Карпенко, Б.В. Дерягиным, Н.Б. Гордоном, В. Кенигом, М.Е. Мерчантом, Г. Опитцем, Д. Тейбором, Дж. Вильямсом, Г.В. Виноградовым, A.C. Ахматовым, С.С. Силиным, H.H. Заревым, В.Н. Латышевым, В.В. Подгорковым, Л.В. Худобиным, Е.Г. Бердичевским, Н.В. Талантовым, А.Н. Резниковым, Ю.М. Ватагшым, М.И. Клушиным. Приводятся основные гипотезы о функциональном действии СОТС и о проникновении внешней смазочно-охлаждаюшей среда в зону контактного взаимодействия. Определено, что СОТС проникает в зону контактного взаимодействия, но остается открытым вопрос о механизме ее транспортировки. Дается характеристика наиболее общей концепции смазочного действия СОТС, сформулированной М.И. Клушиным.

Рассматривается вопрос о влиянии,СОТС на силы резания, износ и стойкость инструмента, наростсобразсвание, шероховатость обрабатываемой поверхности и на .процесс стружкообразования.

Детально анализируются результаты исследований функционального действия внешних смазочно-охлаждающих сред. Оказывается, что наилучшими охлаждающими свойствами обладают жидкости на водной основе и распыленные аэрозоли, подаваемые под давлением. Смазочное действие во многом определяется наличием в СОТО поверхностно-активных веществ. При наличии в смазке трибоактивных присадок, агрегатное состояние среды не является определяющим. Играет роль только способ подачи ее в зону контакта.

Сделан обзор по проблеме использования присадок ВД к СОТС. Обсуждается важная роль кислорода в химии сосредоточенных контактов. Присадки высокого давления, вводимые в СОТС, при контактном взаимодействии могут образовывать как физические, так и химические пленки. На процесс образования соединений оказывают влияние температура и давление, возникающие в зоне контакта.

Рассматриваются особенности действия СОТС при волочении. К технологическим средам применяемым на операции волочения предъявляются аналогичные резанию требования. Смазка должна обеспечивать необходимое смазочное и охлаждающее действия. Имеют важное значение способы подачи СОТО в зону деформации и другие технологические условия.

Делается вывод, что наиболее перспективным способом нанесения смазки при. калибровке Является бондеризация поверхности, т.е. нанесение антифрикционных слоев в процессе движения прутка в волочильной ванне. Анализируются существующие смазочные композиции для бондеризации. Выдвигается предположение о возможности нанесения антифрикционного слоя в процессе обработки прутка на операции обточки. Одним из первоначальных доказательств этого являются эксперименты Усуи, Шзу и Гьюрела по волочению алюминия в среде четыреххлористого углерода и эксперименты В.Н. Латышева по резанию в химически активных средах.

Во второй главе построена мидель технологической операции обточки с калибровкой пруткового материма. Построение модели проведено по принципу "черного яшика". Подобного рода подход полезен тем, что дане на этапе до создания математического описания

объекта позволяет путем анализа выявить существенные параметры его функционирования (входные, выходные, промежуточные) и наиболее важные внутренние связи. Результат подобного анализа, выполненного нами по отношению к процессу обработки прутков, представлен на блок-схеме (рис. I).

Произведем краткое описание данной схемы.

a) Главными, блоками модели являются:

- технологические переходы - обточка прутка (i); нанесение смазки на обточенный пруток (Ii); калибровка прутка (ш);

- материалы - исходный прокат (А); СОТС I (В); пруток после обточки (С); СОТС 2 (D); окончательно обработанный пруток (Е).

b) Основные функциональные связи и параметры модели:

- входные параметры - оператором задается скорость обточки (vi), скорость подачи прутка (у > и припуск на обточку (Ь). Величина подачи при резании (s±) при этом обусловливается скоростью протяжки прутка (у2) и числом оборотов резцовой головки (п).

- выходные параметры технологического перехода I - силы резания (Р,), стойкость инструмента (Т1), характеристики обточенного прутка (С): диаметр (dt), шероховатость (Ra ) и. физико-

химические свойства поверхностного слоя );

- выходные параметры технологического перехода II - физико-химические свойства поверхности прутка (х );

- выходные параметры технологического перехода III - усилие волочения (Рг), стойкость инструмента (Т2), шероховатость (Rg ),

толщина остаточной смазки (<5), поперечный размер прутка <d2) и физико-механические свойства (ст);

- функциональные связи - процесс обточки связан с обрабатываемым прутковым материалом и применяемой СОТС; первый и второй технологические перехода связаны через шероховатость (Rg ) и физико-химические свойства поверхностного слой (* ); на второй переход оказывает влияние СОТС 2; третий и второй переходы связаны через физико-химические свойства поверхностного слоя (*2); третий и первый перехода, связаны через диаметр обточенного прутка (^ ), на его постоянство влияет стойкость режущего инструмента (Т4), которая зависит от силовых характеристик резания (Р4 ); между третьим технологическим переходом и прутковым материалом (А) также существует связь через физика-механические свойства; ско-

ю

А Прутковый материал

фазовый]

химический| состав |

состав

физиков I механические свойства

I

Обтачка

Ь, п

РХ1 1. р. г, С

О Обточенный пруток

II РХ2 С, г, I

III 1 М

Калибровка 1

Р т'

р Калиброванный металл

6 О

В СОТС I

концентрация

состав

О СОТС 2

концентрация

состав

з , v 1 ' 1

Рис. I Блок-схема технологической операции изготовления калиброванного прутка с учетом входных, выходных и промежуточных параметров.

рость калибровки влияет на режимы обточки , sf).

На первом технологическом переходе при обточке реализуется идея химического реактора (PXI). На образование химических соединений на поверхности прутка влияют химический состав обрабатываемого металла и СОТС, скорость протекания химических реакций, давление и температура, которые задаются скоростью резания, глубиной и подачей.

Следующий технологический переход - нанесение смазки в волочильной ванне (блок II), которая непосредственно соприкасается с фильерой. Здесь существует второй химический реактор (FX2). На формирование смазочного слоя влияют шероховатость прутка, состояние поверхностных слоев, физико-химические свойства СОТС 2 (блок D), температура смазки и время протекания химических реакций.

Третьим технологическим переходом является калибровка (блок III). На этот процесс оказывают влияние физико-механические характеристики прутка, материал инструмента, сформированный смазочный слой и поперечный размер'прутка. В данной схеме нас интересует, главным образом, вклад в течение процесса смазочных сред. При задаваемых выходных параметрах процесса (качество поверхности, усилие волочение, стойкость инструмента) скорость калибровки можно представить в виде:

' р,. та. а2 = f <*>

где Уг - скорость калибровки;

R^ - шероховатость поверхности после калибровки;

Р2 - усилие волочения;

Т2 - стойкость фильеры;

с^ - диаметр прутка после калибровки; . - диаметр прутка после обточки;

- шероховатость поверхности после обточки;

xz - физико-химические свойства смазки;

а - физико-механические свойства прутка.

Заметим, что функция (I) зависит от шероховатости прутка после обточки, так как адсорбция лучше идет на более развитой поверхности. Разумно предположить, что толщина "смазочной пленки пе-

род калибровкой ¿2 является не просто арифметической суммой <5^ и слоя наносимого в реакторе РХ2, так как в ванне с СОЮ 2 происходит не только механическое наращивание исходного слоя <5 , но и его качественное преобразование под действием нового реагента.

В зависимости от того, какими свойствами будут обладать применяемые СОЮ I и СОЮ 2, будут определяться трибологические свойства слоя и условия протекания реакций на поверхности. Трибологические свойства слоя, образующегося на поверхности прутка зависят от природы металла, состава СОТС, внешних условий и времени контакта. Для первого химического реактора справедливо:

= Г (м1 , А , С , V, , з, . Ь), (2)

где И -■ природа металла прутка (составляющих его компонентов); А^ ■ физико-химические свойства СОТС I; С. ' концентрация компонентов СОТС I;

х - физико-химические свойства смазочного слоя после обточки.

Параметр М( включает в себя множество величин - это химический состав металла, фазовый состав, размер зерен и т. д. Физико-химические свойства СОТС I (А) и концентрация его компонентов (С) записаны с индексами 0.) потому, что являются многофазными. Условия резания также будут оказывать влияние на процесс формирования поверхностного слоя и определять температуру и давление в месте контакта детали и инструмента. Они также могут оказывать влияние на параметры СОТС, изменять фазовый состав поверхности.

Ддя второго химического реактора функция свойств смазочного слоя будет иметь вид:

. *2 = Г 01а . А. , С) . . I), (3)

где А^ - физико-химические свойства СОТС 2; С. концентрация компонентов СОТС 2; г температура СОТС 2.

СОГС 2 должна по возможности не разрушать уже имеющийся на прутке смазочный слой и образовывать на поверхности прочную адсорбцион-

ную пленку, а хемосорбированный слой (* ) не должен препятствовать дальнейшей физической адсорбции.

Основываясь на экспериментальной модели процесса калибровки прутка, необходимо проверить влияние различных факторов на формирование поверхностного слоя. Так как полный факторный эксперимент сопряжен а рядом трудностей (большое количество обрабатываемых материалов, компонентов СОТС, инструментальных материалов и энергозатрат), решено было выбрать ограниченный ряд обрабатываемых и инструментальных материалов, ограничиться конкретными присадками к СОТС, отобранными на основе предварительных экспериментов, и установить влияние режимов обработки на конечный результат.

Таким образом, действуя в рамках предложенной модели, необходимо разработать две СОТС, удовлетворяющих перечисленным выше требованиям, и определить наилучшие режимы обточки. Следуя этому принципу, мы обосновали выбор трибоактивных присадок к СОТС, химическое строение которых должно способствовать образованию хемо-сорбционных антифрикционных слоев на контактных поверхностях детали и инструмента. Выбрано для исследований шесть веществ, являющихся солями диалкилфосфорной, алкиламидофосфорной и алкилиоли-фосфорной кислот. Обоснован выбор обрабатываемых и инструментальных материалов.

В третьей главе описывается моделирование технологических процессов в лабораторных условиях. Были использованы известные методики. Так как процесс обточки пруткового материала производится со скоростями резания до 0,16 м/сек, для предварительного изучения СОТС воспользовались методикой сверления сквозных отверстий.' Основным требованием, предъявляемым при выборе методики, было воспроизведение режимов резания, наличие большого статистического материала и наименьший расход ресурсов.

Для сравнения значений работы, затрачиваемой на обработку одного отверстия, проводились контрольные замеры -по сверлению в различных средах: воздух; вода; индустриальное масло ИЯПА; масло касторовое сульфированное; полусинтетическая СОТС "Прогресс 13К"; масляные СОТС "Прогресс 4", МР99. Затем готовились водные растворы исследуемых присадок различных концентраций. Резание проводили с различной подачей и скоростью. Скорость резания менялась в пределах от 0,03 м/сек до 0,18 м/сек. Выявлено, что с увеличением

концентрации присадки в СОТС работа, затрачиваемая на обработку отверстий на операции сверления, уменьшается во всем диапазоне скоростей. Опыт показал, что лучшими смазочными свойствами обладают триэтаноламиновые соли диалкилфосфорной кислоты на основе первичных жирных спиртов фракции С12-С1л, а лучшие противоизнос-ные свойства проявляют эти соли на основе оксиэтилированных моно-алкилфенолов.

Исследование процесса стружкообразования позволило выявить диапазон оптимальных концентраций исследуемых веществ в СОТС, в котором пластическое деформирование обрабатываемого материала минимально. При концентрациях присадок в растворах, больших чем О,00IX, на контактных поверхностях при резании идет формирование ориентированного монослоя из поверхностно-активных молекул. Этот слой способствует снижению нагрузки, при которой происходит пластическое деформирование металла прутка. При увеличении количества присадки в СОТС толщина слоя на контактных поверхностях увеличивается, идет формирование мицелл, а при концентрации, большей чем 0,09%, мицеллообразование затрудняет проникновение молекул присадки в зону оезания, что отражается на процессе стружкообразования.

Для выявления возможности использования различных веществ на операции калибровки были проведены трибологические эксперименты. Проводились испытания по схеме диск-колодка на машине трения СМЦ-2 при постоянной скорости и меняющейся нагрузке. С целью определения антизадирных свойств присадок была осуществлена попытка моделирования процесса трения в условиях начала задира. Регистрировали момент трения и критическую нагрузку начала задира. Исследовали как масляные, так и водомасляные композиции серу-, хлор-, фосфорсодержащих присадок различного количественного состава, мыла, основные носители. Увеличивая количество трибоакгиввых присадок, удалось повысить нагрузку, при которой происходит задир, до 7,25 МПа. Серу- и хлорсодеркашие присадки, вводимые в состав смазок, при повышенных давлениях и температурах начинали дымить. Поэтому дальнейшие эксперименты проводили с фосфорсодержащими при-бадками. При трении в среде исследуемых присадок, активированных избытком ортофосфорной кислоты, происходит активное фосфатирова-ние поверхности трения. На контактной поверхности образуется про-тивоизносный и прйтивозадирный фосфатный слой серого цвета.

Предполагается, что механизм действия фосфорорганических присадок заключается в физической химической адсо|х5ции, сопровождающейся образованием физических и химических пленок. Изучение трибохимических реакций, происходящих при тронии и резании, проводили на трибометре ТЛУ-1 по схеме палец-плоскость. Исследовали масло, масляные растворы фосфорорганических присадок, масляный раствор хлорпарафина ХП-470 с концентрациями от 0,001% до 1Ж и масляный раствор оргофосфорной кислоты, при давлениях от 4 до 25 МПа. Хлорпарафин применялся как присадка с явным химическим действием .

Данный вид трибометра позволяет проводить исследования различных пар трения. Испытывали пары сталь - сталь, сталь -стекло и стекло - стекло с вышеназванными веществами. Оказалось, что масляные раствори фосфорорганических присадок и хлорпарафина, по сравнению с чистым маслом, снижают коэффициент трети г.этал-лических пар (сталь ШХ15 - сталь 45) и "полуметаллических" (сталь ШХ15 - стекло). На паре трения стекло - стекло снижают коэффициент трения только фосфорорганические присадки. Это свидетельствует о физическом действии этих веществ.

При трении пары сталь 45 - сталь 111X15 фосфорорганические присадки и хлорированный парафин снижали коэффициент трения в 2 раза по сравнению с маслом, использованным в качестве растворителя. При трении пари стекло - сталь 111X15 фосфорорганические присадки и хлорированный парафин снижали коэффициент трения в 1,2 раза.При трении пары стекло - стекло фосфорорганические присадки снижали коэффициент трения в 1,5 раза по сравнению с маслом. Введение оргофосфорной кислоты и хлорированного парафина в масло не оказывало влияния на коэффициент тре)шя стекла по стеклу.

На основании этих экспериментов делается вывод об образовании фосфорорганическими присадками на стеклянной поверхности прочных физических адсорбционных слоев, способных выдерживать большие давления. При наличии химически-активной поверхности (сталь) фосфорорганические присадки образуют и химические адсорбционные слои.

В четвертой главе представлен цикл исследований физико-химических свойств СОТСна основе растворов фосфорорганических присадок. Для того, чтобы исследовать адсорбционное действие присадок, проводили эксперименты по измерению поверхностно-

го натяжения растворов. Эксперименты показали, что поверхностная шстивность присадок положительно влияет на триботехнические свойства: чем более поверхностно-активно вещество, тем эффективнее оно воздействует на процесс резания и трения. Триэтаноламиновая соль алкилфосфорной кислоты имеет самую большую среди исследуемых веществ поверхностную активность, и при резании с водным раствором этой присадки работа,' затрачиваемая на обработку отверстия, минимальна. Все исследуемые присадки образуют в растворах мицеллы при концентрации около 0,СШ масс.

Важной термодинамической характеристикой поверхности раздела фаз типа металл - раствор является электродный потенциал. Адсорбционное взаимодействие растворенного вещества с поверхностью обновленного в процессе резания металла приводит к пассивации последнего. Исследования показали, что потенциал зачистки не является показателем интенсивности процесса пассивации. Для оценки эффективности растворов присадок использовалась другая физическая величина, принятая для оценки изменения экстенсивных величин -время релаксации. Введение этой величины возможно из-за того, что кривая спада потенциала, показывающая процессы происходящие при пассивации электрода хорошо описывается сложной экспоненциальной зависимостью.

Эксперименты с электродом из нержавеющей стали в растворах присадок показали, что пассивация происходит значительно быстрее в растворах веществ, содержащих ионы К', Ш4* и амида, чем в других. Это свидетельствует о различной скорости адсорбции веществ.

Для решения практического вопроса, в каком количестве необходимо введение ингибиторов коррозии в состав смазочно-охлаждаюших композиций, были проведены исследования коррозионных процессов. Выявлено, что при концентрации выше 0,155 исследуемые вещества являются слабыми ингибиторами кислотной коррозии смешанного типа. Наилучшей ингийирующей способностью обладает, триэтаноламиновая соль алкиламидофосфорной кислоты.

По данным многих исследователей, механизм химического смазочного действия определяется природой и количеством активных Частиц - продуктов термомеханической деструкции компонентов смазочного состава. По этой причине является важным при оценке химически-активных смазок выявлять такую их характеристику, как ради-калообразуюшая спбсобность.' Для целей настоящей работы на базе

серийного радиоспектрометра СЭЛР-2 была смонтирована экспериментальная установка по лабораторной оценке трибохимической активности присадок методом ЭПР. Метод заключается в измерении интенсивности выхода свободных радикалов при нагреве исследуемого вещества. Задачей эксперимента было получение сравнительных ха-рактеристж трибохимической активности фосфорорганических присадок. Природу активных частиц установить не удалось. Обнаружен пш< активности при температуре около 125°С, то есть активность исследованных органических присадок проявляется уже при относительнё низких температурах.

При сопоставлении данных, полученных методом ЭПР, с данными по резанию металлов видно, что существует взаимосвязь между двумЛ исследуемыми параметрами: радикалообразованием и трибохимической активностью' СОТО. Это подтверждает гипотезу В.Н.Латышева о химическом механизме смазочного действия сложных органических соединений.

Для изучения обзазуюшихея на поверхности при резании и трении пленок были применены злектронномикроскопические исследования. Поверхности, обработанные на операции сверления с применением растворов фосфорорганических присадок и ортофосфорной кислоты, изучались на просвечивающем электронном микроскопе методом угольных реплик. Выявлено, что исследованные режимы резания и химическая агрессивность СОТС не влияют на образование смазочных пленок на обрабатываемой поверхности.

В пятой главе представлены производственные испытания технологических сред, выбранных для дальнейшего использования на автоматических линиях "Калов", и "Кизнрлинг". Для операции обтс ши была применена полуоинтегическая омазочно-охлаждаюшая композиция "прогресс 13Ф", содеркашая одну из исследованных фосфорорганических присадок. Для испытаний на операции калибровки были предложены масляные, твердые смазки и водоэмульсионные составы. Из исследованных в лабораторных условиях смазочных ко'мпозшцо! применяли для производственных испытаний фосфорсодержащие, а также серу- и хлорсодеркащие. Обрабатываемым материалом служили сталь ШХ15 и I2XH. Волочильный инструмент был изготовлен из сплава BKS с параметрами, рекомендуемыми' технологической каргой производственного процесса.

Применение серу- и хлореодержании технологических сред не позволило достичь необходимой эффективности, без потери санитарных норм. Скорость калибровки не поднималась выше 12 м/мин, тогда как применение твердых смазок позволяет вести процесс со скоростью до 20 м/мин. Применение разработанной нами фосфорсодержащей технологической среда "калиброль И" позволило увеличить скорость калибровки на 70Ж по сравнению с серу- и хлор-содержашими СОТС, на 50% по сравнению с твердой мыльной смазкой, применяемой в настоящее время на производстве. Зарубежные и отечественные аналоги позволяли проводить калибровку со скоростями до 30 м/мин. Рекомендуемая технологическая среда в совокупности с СОТС, применяемой на оперции обточки, позволила вести производственный процесс калибровки при скорости до 32 м/мин.

Качество поверхности после калибровки в среде СОТС "калиброль И" резко отличалось от поверхности, полученной при обработке в других смазочных составах. Внешний вид поверхности получался блестящий, шероховатость - в четыре раза ниже, без задиров и наволакивания. Остаточная смазка присутствовала в минимальных количествах (0,40 г/м2), что свидетельствует о малом расходе смазки при калибровке. Наклеп поверхности при калибровке в СОТС "Калиброль И" «почти в полтора раза ниже, чем при использовании про-мышленно применяемых составов.

-На поверхности прутка методом Травления определена толщина и плотность фосфатно-окисной пленки. Методом электронной микроскопии исследована топография поверхностных фосфатных образований. .

Приводится расчет экономической эффективности применения новых СОТС. Экономический годовой аффект от применения новых СОТС составляет 25 млн. рублей.

В главе шестой обсувдаются результаты исследований и приводятся обшие выводы по работе.

ОБЩЕ ВЫВОДУ ПО РАБОТЕ

I. Показана возможность комплексного (системного) подхода к разработке номенклатуры и состава смазочных веществ для технологической цепочки из 'нескольких переходов.

Г9

2. Разработана модель технологического процесса обточки и ка либровки стального прутка, представленная в виде обшей блок-схемы и описания.

3. Предложено использование первого технологического перехода (обточки) в качестве "химического реактора" для создания смазочного подслоя, необходимого для последующего перехода (калибровки).

4. Исходя из посылки, изложенной ь п. 3, произведен научно обоснованный выбор состава и концентрации СОТС на операции обточки, для чего:

a) проведено зкспериментальное моделирование поверхностно-химических (вт. ч. коррозионных) процессов с использованием электрохимических методик и метода ЭПР;

b) проведено измерение физико-химических характеристик (вязкость, поверхностное натяжение);

c) произведено определение сравнительных трибологических характеристик составов;

й) проведены технологические лабораторные испытания в условиях резания.

5. С учетом концепции, изложенной в п. 3, и на основе исследований, перечисленных в п. 4, разработан состав смазочной среды для процесса калибровки прутка, позволивший заменить ранее применявшиеся составы на основе ортофосфорной кислоты.

6. Производственные испытания вновь разработанного комплекта из двух смазочных материалов на автоматических линиях "Калов" и "Ки-зерлинг" позволили обеспечить:

a) шероховатость колерованной поверхности на уровне технических требований (На < 0,2 мкм);

b) требуемые физико-механические характеристики обработанного поверхностного слоя;

c) повышение производительности установки на 50% за счет увеличения рабочей скорости процесса без ухудшения качества продукта.

7. Разработки, выполнение в рамках настоящей диссертации, внедрены на АО ОСПАЗ. Предполагаемый экономический годовой аффект от внедрения новой ООТС составляет 25 млн. рублей (в ценах 1994 г.) в масштабах цеха.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Березина Е.В., ,Егоров С.А., Годлевский В.А. Усовершенствованная методика ЭПР для определения трибохимической активности

. компонентов СОЖ // В кн.: Смазочно-охлаждаюпше технологические

' средства для обработки материалов- Тез. докл. международной научн.-техн. конфер. . Херсон, 10-11 сент. 1992. - Киев, 1992. - С. 72-73.

2. Егоров С.А., Латышев В.Н. Исследование коррозионной активности водных растворов СОН! методом импедансных измерений // В кн. : Смазочно-охлаждающие технологические средства при механической обработке заготовок из различных материалов. Тез. докл. международной научн.-техн. конфер. - Ульяновск, 28-30 сент. 1993. -С. 31-32.

3. Годлевский В.А., Латышев В.Н., Березина Е.В., Егоров С.А. и др. Температурные аспекты трибологической активности растворов производных фгалоцианина в процессах металлообработки // В кн.: II Международная конференция по лкотропным жидким кристаллам. Тезисы докладов. - Иваново, 15-17 декабря 1993. - С. 85.

4. Ключников C.B., Егоров С.А. Улучшение технологических свойств смазки для свивки латунированного металлокорда // В кн.: Ивановский государственный университет - региональный центр науки, культуры и образования. Тез. докл. юбилейной научной конфер. , Иваново, 11-12 января, IS94. - С. 210.

Б. Егоров С.А. Взаимосвязь трибологических и электрохимических характеристик СОТС на водной основе // В кн.: Ивановский государственный университет - региональный центр, науки, культуры и образования. Тез. докл. юбилейной научной конфер., Иваново, 11-12 января, 1994. - С. 211.

6. Латышев В.Н., Егоров С.А., Ключников C.B. Оптимизация составов СОТС для операции обточки с калибровкой на линиях, "Калов" и "Кизерлинг" // В кн.: Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении. Тез. докл. российской научно-технической Конференции. - Рыбинск, 1994. - С. 50-51.

7. Латышев В.Н., Егоров С.А., Ключников C.B., Копылов Г.Г Интенсификации процесса резания труднообрабатываемых конструкционных сталей путем введения в состав СОТС многоком-

понентных присадок // В кн.: Современное состояний производства и применения смазочных материалов. Доклада и Тезисы докладов конференции. - Фергана, 4-6 октября, 1994. - С. 6768.

8. Егоров С.А., Годлевский В.А., Ключников C.B., Латьавез В.Н. Исследование влияния некоторых фссфорорганичесшп присадок на технологические свойства СОТС, применяемых при комплексной обработке высоколегированных сталей на автоматических линиях для обточки и калибровки прутков И В кн.: Технология механообработки: физика процессов и оптимальное управление. Тезисы докладов, ч. 2. - Уфа, 1994. - С. 23-24.

9. Godlevskl V., Latyshev V., Berjozlna Е., Egorov S. and Zhukova L. To the mechanizm of lubrication action of

phthalocyanlne derivatives solutions In ргосезз of metal machining // Mol. Mat., 1995, Vol. 5. - P. 57 - 62.

IQ. Годлевский В.А., Латышев В.Н., Березина E.B., Егоров С.А., йукова Л.Н. К механизму смазочного действия растворов производных фталоцианина в процессах металлообработки // Изв. академии наук. Сер. физ. 1995. Т. 59, э 3, - С. IÔI-I65.