автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Повышение качества поверхности порошковых магнитных материалов алмазно-абразивной обработкой с использованием водорастворимых технологических смазочных средств

7 £94

/ЮГ)

На правах рукописи

Для служебного пользования

Эю.№ О^-ОБ/^са УДК 621. 762. 04

АФОНИИ Виталий Петрович

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПОРОШКОВЫХ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ АЛМАЗНО - АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СМАЗОЧНЫХ СРЕДСТВ

Специальность 05. 16. 06 "Порошковая металлургия и композиционные материалы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новочеркасск 2000

Работа выполнена на кафедре "Материаловедение и технология материалов" Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) и в Особом конструк-торско-технологическом бюро "Орион".

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации Дорофеев Ю. Г.

кандидат технических наук, доцент Шульга Г. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Жердацкий Н. Т. кандидат технических наук Ютишев А. С.

Ведущее предприятие: Открытое акционерное общество "Магнит"

г. Новочеркасск

Защита состоится "30 " июня. 2000 г. в И) часов на заседании диссертационного совета К 063. 30. 10 в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) но адресу: 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮРГТУ.

Автореферат разослан "_" _2000 г.

Учёный секретарь ^

диссертационного совета, //.

кандидат технических наук, доцент //^ Горшков С. А.

' 594

{ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание научно - обоснованных технологий получения и механической обработки порошковых магнитных материалов (ГГММ) с высоким качеством поверхности, внедрение современных технологических процессов в производство является актуальной научно - производственной проблемой.

ПММ находят всё более широкое применение в электромашиностроении, приборостроении, электронной и вычислительной технике и устройствах магнитной записи, относятся к категории труднообрабатываемых материалов. Их поверхности подвергают обработке шлифованием, доводке, сопровождающейся образованием трещин, сколов, выкрашиванием кромок, прижогами, что обуславливает большой процент брака, значительный разброс электромагнитных свойств. Пористость ПММ снижает прочность и ухудшает их обрабатываемость.

Несмотря на достижения в области разработки, исследования и применения водорастворимых технологических смазочных средств (ВТСС) вопросы повышения качества поверхности ПММ при алмазно - абразивной обработке с их использованием изучены недостаточно. Повысить качество поверхности ПММ при использовании ВТСС возможно при формировании в зоне обработки абразивный инструмент - обрабатываемое изделие диссипативных структур из смазочной среды при иерархии структурных уровней пластической деформации.

При алмазно - абразивной обработке ПММ могут быть р бГШНЗОВЯНЫ идеи поверхностной инженерии, разработкой и использованием нового ВТСС РВ - ЗУМ, содержащего фрактальные кластеры, прп адсорбция которых на обрабатываемых поверхностях ПММ, зёрнах, связке абразивного инструмента образуются диссинативные структуры, снижающие силовые параметры обработки, улучшающие качество обрабатываемой поверхности, уменьшающие адгезионное взаимодействие системы абразивный инструмент - обрабатываемое изделие и износ инструмента. Такие работы актуальны и требуют технической проработки.

Основанием для выполнения настоящей работы являются: государственная научно - техническая программа "Технологи^дШШБгиьпроиз-водство будущего" по разделу "ПорошковыедСкодатозиционпые магериаЧ

лы"; межвузовская научно - техническая программа "Перспективные материалы" (тема 95/17 ф); тема НИР секции прикладных проблем при Президиуме РАН: "Уговор - ВШ. Исследования по созданию экологически чистых, биологически стойких самосмазывающихся материалов, создающих в зоне трибосопряжений диссипативные саморегулирующиеся системы, работоспособные в экстремальных условиях эксплуатации", выполняемой согласно решения Госкомиссии РФ № 58 от 24. 04. 1991 г.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является улучшение качества поверхности ПММ при алмазно - абразивной обработке с использованием нового ВТСС РВ - ЗУМ.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- проведение анализа литературных и патентных источников по алмазно - абразивной обработке ПММ с использованием ВТСС с целью обоснования возможности улучшения качества поверхности при применении нового ВТСС РВ —ЗУМ, содержащего фрактальные кластеры;

- проведение теоретических и экспериментальных исследований формирования диссипативных структур, генерируемых из смазочной среды в зоне контакта абразивный инструмент - обрабатываемый ПММ с использованием нового ВТСС РВ - ЗУМ и их влияние на процесс алмазно -абразивной обработки;

- разработка методик комплексной оценки эффективности ВТСС при алмазно - абразивной обработке с исследованиями обработанной поверхности, поверхности абразивного инструмента методами рентгеновского микроанализа, металлографического, рентгеноструктурного анализа, а ВТСС - методом дифференциального термического анализа;

- обработка результатов экспериментов методом мачемашческой статистики, оценка влияния блочных эффектов на алмазно - абразивную обработку одинакового состава ПММ, шлифовальных кругов, но из различных партий изготовления при применении ВТСС различных составов с использованием греко - латинского квадрата и ранжирования выбранных для исследования ВТСС по их эффективности;

- оценка эффективности нового ВТСС РВ - ЗУМ по разработанным методикам при алмазно — абразивной обработке феррита бария, сплавов систем Ре - Сг - Со - 51, N<3 - Ре - В;

- разработка технологии производства и применения В'ГСС РВ -ЗУМ при алмазно - абразивной обработке, определение физико - химических свойств ВТСС РВ - ЗУМ;

- разработка рекомендаций по промышленному использованию РВ - ЗУМ и оценка технико - экономической эффективности его применения.

Научная новизна работы:

- высказана и экспериментально подтверждена гипотеза о том, что использование ВТСС РВ - ЗУМ, содержащего фрактальные кластеры, при алмазно - абразивной обработке обеспечивают образование самоорганизующихся диссипативных структур в зоне контакта абразивный инструмент - ПММ, локализующих деформации и адгезионные взаимодействия на микро - и мезоуровнях, обеспечивающих улучшение качества поверхностного слоя ПММ;

- выявлено влияние пор ПММ и абразивного инструмента на процессы их заполнения ВТСС и образования диссипативных структур в зоне контакта абразивный инструмент - ПММ;

- выполнены теоретические и экспериментальные исследования образования фрактальных кластеров и формирования диссипативных структур в зоне алмазно абразивной обработки, которые могут быть использованы для разработки новых ВТСС;

- разработаны методики комплексной оценки эффективности ВТСС при алмазно - абразивной обработке с исследованиями обработанной поверхности ПММ, поверхности абразивного инструмента и ВТСС современными методами исследования.

Практическая ценность:

- разработана научно - обоснованная технология получения ВТСС РВ - ЗУМ, содержащего фрактальные кластеры, для алмазно - абразивной обработки ПММ;

использование нового ВТСС РВ - ЗУМ при абразивно - алмазной обработке позволяет улучшить качество поверхности обрабатываемых ПММ;

разработанные методики с использованием современных методов

„„„„„-,„,„,. „„„,„„,„,., „АД,™™.„,.„„,.. тэтпп „„„

ПММ;

разработана установка, технология получения и применения ВТСС РВ - ЗУМ.

Реализация результатов работы.

Технологический процесс шлифования ПММ с использованием ВТСС РВ - ЗУМ рекомендован для внедрения в серийное производство ОАО "Магнит" (г. Новочеркасск).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

метод формирования на контактирующих поверхностях абразивный инструмент - обрабатываемый ПММ при использовании ВТСС РВ -ЗУМ самоорганизующихся диссипативных структур, улучшающих качество поверхности ПММ;

совокупность теоретических и экспериментальных данных по алмазно - абразивной обработке ПММ с использованием нового ВТСС РВ - ЗУМ, содержащего фрактальные кластеры.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Материаловедение и технология материалов" и кафедры "Технология машиностроения" ЮРГТУ (НПИ), научно - технической конференции "Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы" (Шлифабразив - 97) (г. Волжский, 1997 г.); V - й Международной научно - технической конференции "Динамика технологических систем" (г. Ростов - на - Дону, 1997 г.); 2-й международной научно -технической конференции "Новые технологии управления движением технических объектов" (г. Новочеркасск, 1999 г.). По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура н объём работы. Работа состоит из введения, 5 - и глав, общих выводов, списка литературных источников из 140 наименований. Содержит 132 страницы машинописного текста, 30 рисунков и 32 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполняемой темы. Высказаны теоретические предпосылки улучшения качества поверхностного слоя ПММ при шлифовании путём использования ВТСС, содержащих фрактальные кластеры. Рассмотрены научные аспекты формирования диссипа-

тивных структур из смазочных сред и их влияние на качество поверхностного слоя, а также возможности практической реализации таких ВТСС.

В первой главе приведён обзор публикаций, посвященных особенностям структуры, свойств и способов получения магнитотвёрдых ПММ на основе ферритов, железохромкобальтовых сплавов, а также содержащих редкоземельные металлы (РЗМ). Для исследования и разработки технологии шлифования с использованием СОТС выбраны ПММ на основе феррита бария, сплавов железо - хром - кобальт - кремний (Fe - Cr - Со - Si) и неодим - железо - бор (Nd - Fe - В).

Проанализировано влияние структуры, пористости ПММ спеченных и полученных по технологии ДГП на лезвийную обработку. Характерными видами износа лезвийного инструмента являются адгезионное микровыкрашивание и очаговое адгезионно - усталостное разрушение режущей кромки.

Для улучшения обрабатываемости ПММ в их состав вводят легирующие добавки: серу, титан, литий, ниобий, цирконий, селен и др. Используют методы регулируемого нагрева заготовки ПММ, регулируемого нагрева в электролите, абразивного электрохимического шлифования, обработку с повышенными скоростями шлифовального круга.

Проанализированы особенности структуры абразивных инструментов: электрокорунда а - А1203, карбида кремния SiC, карбида бора В4С, кубического нитрида бора BN, алмаза, применяемых связок на основе органических и неорганических веществ, рассмотрен процесс абразивного изнашивания и микрорезания абразивным инструментом.

Рассмотрены номенклатура отечественных и зарубежных ВТСС, применяемых при абразивной обработке, и механизмы действия ВТСС на качество поверхности обрабатываемого ПММ. Показано, что перспективными являются ВТСС на основе растительных масел, не содержащих хлор, борной кислоты, нитратов, фенола, тяжёлых металлов, веществ, разрушающих озоновый слой, содержащие мицеллярные структуры и фрактальные кластеры.

На основе проведённого анализа сформулированы цели работы и задачи исследований.

Во второй главе рассмотрен процесс резания ПММ отдельным абразивным зерном при плоском шлифовании. Показано, что взаимодействие абразивных зёрен со шлифуемым ПММ вследствие наличия у последних пористости происходит в иных условиях, чем при шлифовании непористых материалов. В начальный период абразивное зерно скользит по поверхности ПММ, оказывая воздействие в форме трения. При дальнейшем движении зерна происходит вдавливание абразивного зерна в ПММ, пластическое вытеснение по краям и уплотнение его к центру.

Отдельные зёрна абразивного круга, ударяясь о края пор, вызывают их локальное разрушение, а также дополнительные колебания абразивного зерна в связке шлифовального круга и системы абразивный инструмент -обрабатываемый ПММ. В момент совпадения вершины зерна с радиусом шлифовального круга происходит процесс резания (сдвига).

Отмеченным взаимодействием абразивного зерна с обрабатываемым материалом соответствуют пути контакта: 1т - трения, 1д - деформации, 1р - резания (сдвига).

Проанализированы пути попадания ВТСС в зону шлифования ПММ: из струи ВТСС при поливе, эмульсионного тумана, пор шлифовального круга и ПММ. ВТСС оказывают комплексное влияние на абразивную обработку ПММ. Попадая в открытые и тупиковые поры самопроизвольной пропиткой под действием капиллярного давления, ВТСС выполняют двойную функцию. С одной стороны, ВТСС являются резервуарами, из которых непрерывно образуются граничные смазочные слои на обрабатываемых поверхностях ПММ. С другой стороны, поверхностно - активные вещества (ПАВ), содержащиеся в ВТСС могут попадать в микротрещины пор, создавая адсорбционный расклинивающий эффект, облегчая разрушение на макроуровне поверхностного слоя.

При шлифовании ПММ под действием осевой Ру и тангенциальной сил Рг вследствие высокой хрупкости в поверхностном слое образуются дефекты: трещины, сколы, выкрашивание кромок поверхности. Для устранения данных дефектов необходимо локализовать усилия шлифования Ру, Рг на микро - и мезоуровнях, что может быть достигнуто использованием бысокоэц)ц)£ктнбкых ВТСС.

Процессы шлифования ПММ рассмотрены с позиций синергетики. При шлифовании при росте плотности внутренней энергии в процессе деформации ПММ образуются дефекты кристаллической решётки (дислокации, вакансии, дисклинации), а при достижении плотности энергии критической величины в результате самоорганизации диссипативных структур происходят неравновесные фазовые переходы на разных структурных уровнях, отвечающих точкам бифуркаций.

При шлифовании развитие разрушения ПММ под воздействием шлифовального круга связано с конкуренцией двух механизмов: микросдвига при отсуствии адгезии между ПММ и зёрнами шлифовального круга и микроотрыва при наличии адгезии между ПММ и зёрнами шлифовального круга. При микросдвиге реализуется хрупкое разрушение, инициируемое трансляционной неустойчивостью, а при микроотрыве - вязкое разрушение, инициируемое ротационной неустойчивостью. Трансляционная неустойчивость возникает при достижении критического напряжения сдвига т., связанного с критической плотностью энергии упругого изменения формы. Ротационная неустойчивость возникает при достижении в локальном объёме критического напряжения микроотрыва сте, связанного с кришческой пшлносгью энерти изменения объёма. Для описания энергетического состояния локальных областей ПММ, претерпевших предельную пластическую деформацию при микроотрыве, может быть использована постоянная разрушения А, предложенная В. С. Ивановой: А = (Те / стс)2 - (\Уас / Штс) X (в / Е),

где О - модуль сдвига, Е - модуль упругости.

При разработке нового ВТСС для абразивной обработки ПММ высказана гипотеза:

Высокоэффективные ВТСС с высокими смазочными свойствами могут быть созданы путём искусственной организации фрактальных кластеров из пересыщенных растворов силикатов при их нейтрализации органическими кислотами со стабилизацией фрактальных кластеров ПАВ с адсорбцией из водных растворов таких кластеров, последующим физическим и химическим взаимодействием стлбилнзированных фрактальных кластеров с обрабатываемыми поверхностями ПММ, зёрнами и связкой шлифо-

вального круга, с образованием диссипативных структур высокой нагрузочной и смазочной способности.

При конденсационном структурообразовании силикатов образуется новая фаза в виде зародыша - мономера, способного к самопроизвольному росту и превращению частицы с одинаковыми размерами, и связывания частиц в разветвлённые цепочки, затем в сетки, распространяющиеся на всю жидкую среду. Данные структуры, как состоящие из частей подобных целому, рассматривают как фрактальные.

Число сферических частиц в фрактальном кластере определяют по формуле Е. Федера:

N = р гт0)п

где

Яо - радиус частицы;

К - радиус сферы кластера;

N - число частиц, интерпретируют как размерности массы;

р - плотность;

Б - размерность мастера, интерпретируется как размерность массы.

Если сферы упакованы случайным образом, то; р = к / 3 ^2. Для определения фрактальной размерности О используют различные варианты преобразования отрезков прямых в фигурах Коха и получения соответствующих им фрактальных размерностей. Фрактальная размерность Б для различных алгоритмов кривых Коха: Б = ^ 4 / ^ 3 = 1,2618; О = 5 / 3 = 1,4650; 0 = ^8/^4= 1,5000.

Для получения фрактальных кластеров используют пересыщенные растворы силикатов, которые активируют жирными кислотами растительных масел: стеариновой, олеиновой, линолевой, линоленовой, пальметино-вой, линолевой. Для стабилизации роста фрактальных кластеров используют мыла отмеченных выше жирных кислот, а также дополнительно вводят амины, спирты.

Признаком синергетичности систем абразивный инструмент - обрабатываемый ПММ является крупномасштабное упорядочение фрактальных кластеров в водных растворах такого ВТСС, переагрегатирование адсорбирующихся фрактальных кластеров на контактирующих поверхностях.

Под действием нагрузок термического воздействия при достижении точки бифуркации происходит разрушение стабилизированных ПАВ фрактальных кластеров с образованием диссипативных структур на микро - и мезоуровнях. Трибостимулирующим эффектом выступают трансляционные и ротационные (вихревые) моды деформаций обрабатываемого ПММ. Образующиеся при адсорбции фрактальных кластеров на обрабатываемых поверхностях, зёрнах абразивного инструмента, связке диссипативные структуры улучшают качество поверхностного слоя ПММ.

В третьей главе изложена методика комплексной оценки эффективности ВТСС при алмазно - абразивной обработке ПММ в лабораторных, производственных условиях с использованием современных физико - химических методов исследований. Оценку эффективности ВТСС производили в лабораторных условиях на машине трения СМЦ - 2. На нижний ват машины трения СМЦ - 2 устанавливали абразивные круги размером ГГП 50 х 16 х 13 из электрокорунда белого 25А 12 - П СМ1 6 К5 35 м/с Б 1 кл. ГОСТ 2424 - 83; ПП 50 х 16 х 10 из электрокорунда нормального 14А 16 -ПСМ1 6 К5 35 м/с Б 1кл. ГОСТ 2424 - 83, ПП 50 х 16х 10 12А 12-ПСМ1 6 К5 35 м/с Б 1 кл. ГОСТ 2424 - 83, и алмазного 40 х 16 х 16 2720 - 0031 ГОСТ 16167 - 90. На верхний вал машины трения устанавливали обойму, в которой закрепляли обрабатываемые ПММ в виде призмы из феррита бария 16БА190, сплавов Ре - Сг - Со - Б] (28Х23КС), Ш - Ре - В, полученных спеканием и ДГП. В зону обработки ВТСС подавалось при окунании в ванну шлифовального круга, вращающегося с угловой скоростью 300 -1000 мин"'. Оценку эффективности ВТСС производили при ступенчатом увеличении радиальной силы Ру на 100 Н, начиная с 200 Н до критической нагрузки Рук начала разрушения ПММ, которая составляла 300 - 700 Н. Критериями оценки эффективности ВТСС также являлись: тангенциальная сила Рг, Н; эффективная мощность шлифования №, кВт; коэффициент трения ц; температура смазочного материала в объёме ванны Тс, °С; объём снятого материала («!м, мг; объём изношенной части абразива Оп, мг; шероховатость поверхности Ил, мкм, а также коэффициент шлифования по массе Кш = См/С>а, мг/мг"'; коэффициент режущей способности Кр = ОмЛ-Ру. иг-мин"'-Н"': удельная мощность шлифования К = ]\Гэ-г/'Ом, Вт-мин-мг"'; комплексный критерий Км = (^мЛИэ-Иа, мг-мин'|-Вт~1-мкм'1.

Отобранные в лабораторных условиях по предложенным критериям ВТСС испытывали в производственных условиях по методике, используемой на ОАО "Магнит" г. Новочеркасск. Испытания ВТСС проводили на плоскошлифовальном станке модели ЗЕ711 при шлифовании алмазным кругом 2720 - 0131 ГОСТ 16167 - 90, размером 250x50x76, при скорости вращения шлифовального круга V = 35 м/с, продольной подаче 5„р0д = 10 м/мин и поперечной подаче Бщт = 5 мм/двойной ход. Испытания проводят при последовательном увеличении снимаемого припуска с плоских шлифуемых образцов до появления дефектов на шлифуемой поверхности, определяемых на оптическом металлографическом микроскопе после снятия припуска на заданном режиме. Так для феррита бария 16БА190 рекомендуется следующая последовательность снимаемого припуска Т: 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,10; 0,12 мм. При переходе на последующий съём припуска проводили правку шлифовального круга алмазным карандашом.

По наибольшему значению бездефектного шлифования определяли теоретическую интенсивность съёма материала в мм3/с:

= ^прод^поп'Т.

Обработку результатов эксперимента производили методами математической статистики по критерию соответствия "ХИ - квадрат". Объектом математической обработки результатов эксперимента является величина объёма снимаемого по массе испытуемого образца из порошкового материала при алмазно - абразивной обработке с использованием выбранного ВТСС. Расчётами установлено, что необходимое количество повторяемых при одной и той же осевой нагрузке Ру опытов п для получения достоверных результатов с точностью е, равной среднеквадратичной погрешности Я и надежности Р = 0,95, равно четырём.

Для ранжирования ВТСС по эффективности при алмазно - абразивной обработке ПММ использовали греко - латинский квадрат, представляющий 1/25 реплику от полного факторного эксперимента (ПФЭ). Проведение испытаний по схеме ПФЭ оказывается трудоёмким, так как необходимое число опытов N составляет Б4 (Ы = 625). При наложении на латинский квадрат р х р (р - число факторов), в котором факторы обозначены латинскими буквами, другого латинского квадрата р х р, в котором факторы обозначены греческими буквами, получается греко - латинский квад-

par. Такие планы позволяют исследовать четыре фактора (строки, столбцы, латинские, греческие буквы) на р уровнях. Греко - латинские квадраты используют при р > 3, кроме р = 6.

Эксперименты проводили на машине трения СМЦ - 2 при постоянной радиальной нагрузке Ру = 300 Н в течение 5 с. Использовали 5 алмазных кругов (2720 - 0031 ГОСТ 16167 - 90) размером 40x16x16 из различных партий поставляемого абразивного инструмента для обработки пяти ПММ на основе Nd - Fe - В из различных партий, но спеченных по единой технологии в виде призмы размером 12x11x19 мм. Испытания проводили с использованием ВТСС, подаваемых в зону обработки при окунании в ванну алмазного круга, вращающегося с угловой скоростью п = 300 мин"1. Достоинство использования греко - латинского квадрата, приведённого в таблице, состоит в том, что каждый ВТСС, ПММ, алмазный круг испыты-вается один раз. Такие испытания позволяют оценивать блочные эффекты влияния неоднородности ПММ, алмазных кругов, съём материала, износ алмазных кругов и выделить ошибки эксперимента.

Таблица

Греко - латинский квадрат для оценки влияния ВТСС на обрабатываемость ПММ алмазным кругом

Номера партий образцов ПММ Номера партий алмазных кругов

1 II III IV V

1 I Ар Еу Да С5 Be

2 Са Де Ау вр Ей

3 By А5 Се Еа ДР

4 Es С(3 BS Ду Аа

5 Д5 Ва Ер Ае Су

где А, В, С, Д, Е - различные составы ВТСС, влияющие на обрабатываемость ПММ - съём материала (¿м, мг;

процентные водные растворы: В - СОЖ ЭГТ ТУ 38101149 - 95; С - СОЖ

Рикос - 2 ТУ 0258 - 13 - 05766706 - 98; Д - СОЖ СП - 3 ГОСТ 5702 - 72; Е-ВТСС РВ-ЗУМ;

а, р, у, 5, е - износ алмазных кругов, мг;

1,2,3,4,5- номера партий образцов ПММ;

1, II, III, IV, V - номера партий алмазных кругов.

Статистическая модель эксперимента, планом которой является греко - латинский квадрат, имеет вид:

Yijki = ц + е, + Tj + Mk + vi/1 + E.jjj, i = 1,2 ,...,p;j = 1, 2,..., p; k = 1, 2 ,..., p; 1 = 1,2 ,...,p где Yyu - наблюдения в i - й строке и 1 - м столбце для j - й латинской и к - й греческой букв;

ц - математическое ожидание,

0, - эффект 1 - й строки (эффект влияния партии ПММ); т, - эффект j - й латинской буквы (эффект влияния ВТСС на съём ПММ Qm, мг);

o)t эффект к - й греческой буквы (эффект влияния ВТСС на износ алмазного круга Qa, мг);

Ць - эффект I - го столбца (эффект влияния партии алмазного круга); Eijki - случайная ошибка, включающая эффект неучтённых факторов.

Нулевые гипотезы о равенстве эффектов обработок, представленных строками, столбцами, латинскими и греческими буквами проверяли на основе отношений соответствующего среднего квадрата к среднему квадрату ошибки. В качестве критического значения принимали верхнюю процентную точку F - распределения с р - 1 и (р - 3) (р - 1) степенями свободы.

По результатам анализа оценки эффективности различных ВТСС при алмазной обработке ПММ по схеме греко - латинского квадрата и ранжирования по критерию Дункана наибольшее влияние на снижение износа алмазных кругов наблюдали при использовании ВТСС РВ - ЗУМ и Рикос

Поверхности ПММ после алмазно - абразивной обработки исследовали на металлографическом микроскопе "NEOPHOT - 21", шероховатость поверхностей ПММ измеряли на профилографе - профилометре модели 202, а диссипативные структуры на обрабатываемых поверхностях ПММ изучали методом рентгеноспектралыюго микроанализа на приборе "Came-

Ьах", физико - химические превращения ВТСС, ВТСС - 5 вес % с порошками ПММ - 95 вес % при повышении температуры до 1000 "С со скоростью 10 0С/мин изучались методом дифференциального термического анализа на приборе системы Ф. Паулик, И. Паулик и Л. Эрдеи.

Поверхности ПММ, обработанные алмазным кругом с использованием ВТСС, исследовали методом рентгеноструктурного анализа на ди-фрактометре Дрон - 2,0 в режиме: анод - Ре, ток - 13 мА, напряжение трубки и - 30 кВт, щели, ограничивающие поток рентгеновских лучей 2, 1, 1 мм. Определяли на поверхности ПММ напряжения второго рода ст, блоки мозаики О, плотность дислокаций Разработанные методики позволили производить оценку эффективности различных ВТСС и разработать технологию алмазно - абразивной обработки ПММ с использованием ВТСС.

В четвёртой главе содержатся экспериментальные данные, подтверждающие гипотезу об улучшении качества поверхности ПММ алмазно - абразивной обработкой с использованием ВТСС РВ - ЗУМ, содержащего фрактальные кластеры, а также результаты исследований обрабатываемости выбранных ПММ.

Проведён рентгеноструктурный анализ плоских образцов размером 12x11x14 феррита бария 16БА190,обработанных алмазным кругом 2720 -0131 ГОСТ 16167 - 90 размером 250x50x76 на плоскошлифовальном станке ЗЕ711 по заводской методике с использованием кальцинированной соды и ВТСС РВ - ЗУМ.

На рис. 1 приведены дифрактограммы поверхностей феррита бария 16БА190, обработанные алмазным кругом с использованием 2,5 - процентного водного раствора калыцшнрованной соды (а) и 1,5 - процентного водного раствора ВТСС РВ - ЗУМ (б), содержащего фрактальные кластеры. Производились расчёты внутренних напряжений второго рода с, величины блоков мозаики Б и плотности дислокаций с, по межплоскостным расстояниям с! - 1,092 А, 1,061 А.

При применении 2,5 - процентного водного раствора кальцинированной соды при расчёте по межплоскостному расстоянию 1,092 А величина внутренних напряжений второго рода о составляла 1,58-10"4 рад, бло-

О л г л 1Г1-5 -2

- и,оч-1и см, плотность дислокации с; - 1 и см , а при использовании 1,5 - процентного водного раствора РВ - ЗУМ соответст -

224 2,62 [322) ЛОО)

2.97

^вЪ Щ 2,53.

/,092 (533)

......... ■ 1 ■ 1

т 120 по /00 80 70 60 5й ЬО 30 20 28рек<

а

2, г и

(322)

2,62 С гао)

1,092 (533)

...... I I I I I I I I

>10 /20 /м /оо 90 во 70 60 30 40 30 ¿О

&

Рис. 1 Дифракгограммы поверхностей образцов феррита бария 16БА190 после плоского шлифования алмазным кругом 250 х 76 х 50 2720 - 0131 ГОСТ 16167 - 90 с использованием: а - 2,5 - процентного водного раствора кальцинированной соды; б - 1,5 - процентного водного раствора ВТСС РВ - ЗУМ

оаипп гт г»г>г»тто'-тсутттт Я 70.10 тп п _ о,47-Ю'5 см, ^ - 8,54-Ю11 см"2. Аналогичные закономерности установлены при расчетах по мсжплоскостному

расстоянию 1,610 А. Уменьшение величины блоков мозаики D, увеличение напряжений второго рода а, плотности дислокаций i; при использовании 1,5 - процентного водного раствора ВТСС РВ - ЗУМ, образующего из смазочной среды диссипативныс структуры оказывает существенное влияние на поверхностный слой обрабатываемого ПММ и позволяет без ухудшения качества поверхности снимать припуски большей величины с обрабатываемого ПММ.

Физико - химическое взаимодействие ПММ с ВТСС РВ - ЗУМ изучали на основе данных дифференциального термического анализа на дери-ватографе системы Ф. Паулик, Й. Паулик и JT. Эрдеи. Дифференциальный термический анализ ВТСС РВ - ЗУМ показал, что при температуре 125 °С имеет место экзотермический процесс, обусловленный потерей воды, имеющейся в смазочном материале. Эндотермические процессы при температурах 350 °С и 380 °С с потерей массы навески ВТСС РВ - ЗУМ обусловлены интенсивным окислением и термической деструкцией ПАВ, а температуры 443 °С, 500 °С, 630 °С и 740 °С соответствуют сложным фазовым переходам, протекающим в силикатах, являющихся составными частями смазочного материала РВ - ЗУМ.

При введении в 95 вес % концентрата смазочного материала РВ -ЗУМ 5 вес % порошка феррита бария 16БА190 эндотермический процесс с потерей воды также наблюдается при температуре 125 °С. Окислительные процессы и термическая деструкция ПАВ с потерей массы навески происходит при более высоких температурах 390 °С и 495 °С, а фазовые переходы в силикатах протекали при температурах 710 °С и 800 °С.

Результаты дифференциального термического анализа показали возможность использования ВТСС РВ - З УМ при шлифовании труднообрабатываемых ПММ.

Методом рентгеносиектрального анализа на приборе "Camebax" исследовался состав диссипативных структур, образующихся на обрабатываемых поверхностях ПММ. Исследованиями таких структур, образующихся из смазочной среды, в отражённых, вторичных, поглощённых электронах по концентрационным кривым распределения SiKu установлено, что в них содержи ic« Si.

}* -я*, мг ~9°> МГ — Тс, "С - Р*, и Г ^ 8т

0,35 — 350 ~ 350 — 35 — 350 - 350

0,30 -300 -300 — 30 -300 -300у

0,25 -250 - 250 — 25 - 250 - 250

0,20 -200 - 200 — 20 -200 - 200

0/5 — /50 - /50 — /5 - /50 - /50

0,(0 -/00 - /00 /О - /00 ~/0(?

0,05 - 50 - 50 — 5 - 50 - 50

О _ о _ О _ О - О 1- О

3 ч

к

2 1

К7 л;

Г1 г

а

2<Ю ш Ру,н

р г Г Г Гс- 8 1

кг Мг "С н

0,20 - 200 - 20 - 20 -200 - 200

0,15 -/50 — /5 - /5 - /50 -/50

о,ю -/00 - /О - /а - /ао — /00

0Д5 - 50 ~ 5 - 5 - 50 - 50

О _ О _ О _ о _ О а

! К

1 к- Л

1 ¡>-, А Л

6

гоо 4оо боо Ру,н

&

Рис. 2 Эффективность абразивной обработки образцов феррита бария 16БА190 алмазным кругом 40x16x16 2720 - 0031 ГОСТ 16167 - 90 с использованием: а - 2,5 - процентного водного раствора кальцинированной соды; б - 1,0 - процентного водного раствора РВ - ЗУМ 1 - ц = Г (Ру); 2 - Ом = Г (Ру); 3 - Оа = Г (Ру); 4 - Тс = Ч (Ру); 5 - Рг = {(Ру); 6-Мэ = Г(Ру)

Характер разрушения пор на обрабатываемых поверхностях ПММ исследовали на металлографических шлифах при помощи микроскопа "ЫЕОРНОТ - 21". Установлено, что при шлифовании алмазным кругом с использованиём 1,0 - 1,5 - процентных водных растворов ВТСС РВ -ЗУМ, формирующего диссипативные структуры, разрушение кромок пор ПММ снижалось с улучшением качества обрабатываемых поверхностей. Проведены сравнительные испытания предлагаемого 1,0 - процентного водного раствора ВТСС РВ - ЗУМ с 2,5 - процентным водным раствором кальцинированной соды, применяемом при механической обработке в производственных условиях при алмазно - абразивной обработке следующих ПММ: феррита бария 16БА190, а также сплавов Ре - Сг - Со -(28Х23КС), К'с1 Ее В, полученных но технологии спекания и ДТП.

Проведённые лабораторные исследования показали, что при абразивной обработке шлифовальными кругами из электрокорунда белого 25А 12 - П СМ1 6 К5 35 м/с Б 1 кл. ПММ увеличение размеров абразивных зёрен способствует разрушению поверхности ПММ, вследствие их хрупкости, снижению критической нагрузки начала разрушения Рук и появлению дефектов на обрабатываемых поверхностях в большей степени при использовании 2,5 - процентного водного раствора кальцинированной соды и в меньшей степени при использовании 1,0 - процентного водного раствора ВТСС РВ - ЗУМ. Улучшение физико - механических характеристик ПММ по сравнению со спеченными, применением технологии ДГП, обработка ПММ с использованием мелкозернистых алмазных кругов, применение ВТСС РВ - ЗУМ способствовали увеличению критической нагрузки начала разрушения Рук, снижению Р/, N3, дефектов на поверхности ПММ.

На рнс. 2, приведены результаты испытаний при обработке феррита бария 16БА190 алмазным кругом 40x16x16 2720 - 0031 ГОСТ 16167 - 90 с использованием 2,5 - процентного водного раствора кальцинированной соды (а) и 1,0 - процентного водного раствора ВТСС РВ - ЗУМ (б). Из рис. 2 видно, что критическая радиальная нагрузка начала разрушения Рук при испытании с 2,5 - процентным водным раствором кальцинированной соды составляет 600 Н, а с 1,0 - процентным водным раствором РВ - ЗУМ - 700 Н.

0,30 025

Г

мг

300 - 250

ОЖ- 200

ОД

0,05 О

— т

о,ю — юо

I— 50

О

Г

МГ

0,55 V- 350

Г (За, мг г 7с, °с Г р*> н I

- 30 — 30 — 300 — 300

- 25 — 25 — 250 -250

— 20 — 20 —200 — 200

- 15 — /5 —150 —150

- Ю — /О —/оа —юо

— 5 — 5 - во - 50

_ О _ О - о — О

Л

1 »—о —

-3 Л / 1

г

' \ 1 к 5 г

200

а

0,30

-500-100

0,25 - 250

' о, га

0,15 0,10 ¿7/15 О

мг - 550

т - (50 юо

50

1_ О

Тс,

ял

- 250 200

-150

- /¿2? - 50

О

'С 35

30

- 25

— 20 15

Ю 5 О

— Р*>

н

350

— 300 250

Ь 200

- 150 \- 150

100 50 О

5

Ш 600 Ру,и

бОО Ру7Н

Рис. 3 Эффективность абразивной обработки образцов сплава Ре - Сг - Со - Бт (28Х23КС), полненных по технологии ДТП, алмазным кругом 40x16x16 2720 - 0031 ГОСТ 16167 - 90 с использованием: а - 2,5 - процентного водного раствора кальцинированной соды; б - 1,0 - процентного водного раствора РВ - 3 УМ

1 - ц = Г (Ру); 2 - Ом = I (ру); 3 - Оа = Г (Ру): 4 - Тс = f (Ру); 5 - р/ = т (Ру); 6 - Нэ = ^ (Ру).......

Начиная с радиальной нагрузки Ру 500 H при использовании 2,5 - про-t центного водного раствора кальцинированной соды резко возрастает износ круга Qm, а при использовании 1,0 - процентного водного раствора PB -ЗУМ износ алмазного круга значительно меньше.

На рис. 3 приведены результаты обработки алмазным кругом сплава Fe - Сг - Со - Si (28Х23КС), полученного по технологии ДГП. Из рис. 3 видно, что износ алмазного круга Qa при использовании 1,0 - процентного водного раствора PB - ЗУМ (б) значительно ниже, чем при использовании 2,5 - процентного водного раствора кальцинированной соды (а).

Преимущества ВТСС PB - ЗУМ выявлены также и при алмазной обработке сплава Nd - Fe - В.

Сравнительные испытания 1,0 - процентных водных растворов ВТСС PB -ЗУМ и BLASOKUT 4000 SF 004 швейцарской фирмы "Blaser Svvisslube Inc." при обработке алмазным кругом феррита бария 16БА190, сплавов Fe - Сг - Со - Si (28Х23КС), Nd - Fe - В показали, что при обработке феррита бария 16БА190 с PB - ЗУМ критическая нагрузка начала разрушения Рук составляла 700 Н, с BLASOKUT 4000 SF 004 - 400 H, наблюдался также более низ - кий коэффициент трения ц между обрабатываемым ПММ и абразивным инструментом и износ алмазного круга Qa. При обработке сплава Fe - Сг - Со - Si (28Х23КС) по обрабатываемости получены близкие данные.

При обработке сплава Nd - Fe - В алмазным кругом и использовании 1,0 - процентного водного раствора BLASOKUT 4000 SF 004 получены лучшие данные по съёму Qm обрабатываемого ПММ по сравнению с PB -ЗУМ.

Таким образом водные растворы PB - ЗУМ могут широко применяться при абразивно - алмазной обработке ПММ.

В пятой главе приведён технологический процесс производства и приготовления ВТСС PB - ЗУМ на специальной установке, схема которой приведена на рис. 4. Данная установка состоит из двух реакторов 1 с пропеллерными мешалками, ёмкостей 11-17 для загрузки исходных компонентов, из которых насосами 18 компоненты закачиваются в мерные ёмкости 4 - 10, а затем с помощью дотирующих устройств 3 с заданной скоростью из мерных ёмкостей 4-10 подаются в реакторы 1.

Рис 4 Принципиальная технологическая схема установки для производства ВТСС РВ-ЗУМ

Установка снабжается системой нагрева и охлаждения реакторов 1 и включает ёмкость 20, насос 18, вентили 3, а также системой нейтрализации продуктов производства РВ - ЗУМ, включающей ёмкость 19, насос 18.

Процесс производства ВТСС РВ - ЗУМ включает активирование силикатов для получения фрактальных кластеров, стабилизирующую их ПАВ, введение нейтрализующих и стабилизирующих компонентов.

Процесс приготовления ВТСС РВ - ЗУМ заключается в разведении концентрата смазочного материала РВ - ЗУМ еодой до получения эмульсий 1,0 - 2,0 - процентной концентрации при перемешивании концентрата с водой.

т1 а /"ч 1 г ii т т

па магнит г. Новочеркасск проведены сравнительные испы-

тания 1,5 - процентных водных растворов ВТСС РВ - ЗУМ с 2,5 - про-

центными растворами кальцинированной соды при обработке ПММ алмазным кругом 2720 - 0131 ГОСТ 16167 - 90 размером 250x50x76 по заводской методике. Испытания показали, что с использованием 1,0 - 2,0 -процентных растворов РВ - ЗУМ можно увеличить припуск обработки за один ход на 0,01 - 0,03 мм по сравнению с 2,5 - процентным водным раствором кальцинированной соды. Шероховатость обработанных поверхностей с использованием 2,5 - процентного раствора кальцинированной соды составляла Яа = 0,95 - 0,72 мкм, а с использованием РВ - ЗУМ Яа = 0,52 -0,38 мкм.

Произведена оценка экономической эффективности от внедрения в производство ВТСС РВ - ЗУМ при алмазной обработке партии деталей ДЖБ 33. 4. 1849 "Плитка", изготовленной из феррита бария 16БА190. Ожидаемый экономический эффект от внедрения РВ - ЗУМ в производство в расчёте на 1 тыс. изделий составит 20 - 25 тыс. руб. (в ценах по состоянию на 30. 09. 1999 г.). Эффект достигается за счёт улучшения качества поверхности ПММ, уменьшения образования трещин, сколов и прижо-гов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Высказана и экспериментально подтверждена гипотеза о том, что высокоэффективные ВТСС с высокими смазочными свойствами могут быть созданы путём искусственной организации фрактальных кластеров из пересыщенных растворов силикатов при их нейтрализации органическими кислотами со стабилизацией фрактальных кластеров ПАВ с адсорбцией из водных растворов таких кластеров, последующим физическим и химическим взаимодействием стабилизированных фрактальных кластеров с обрабатываемыми поверхностями ПММ, зёрнами и связкой шлифовального круга.

2. На основании высказанной гипотезы разработано ВТСС РВ -ЗУМ, содержащее фрактштьные кластеры, для алмазно - абразивной обработки ПММ: феррита бария 16БА190, сплавов Ре - Сг - Со - (28Х23КС), N(1 - Ре - В.

3. Разработана методика комплексной оценки эффективности ВТСС при алмазно - абразивной обработке на машине трения СМЦ - 2 с иссле-

дованиямн обработанной поверхности ПММ методами рентгеновского микроанализа, металлографического, рентгеноструктурного анализа, а ВТСС методом дифференциального термического анализа. Измерение шероховатости ПММ производили на профилографе - профилометре 202. Оценку эффективности ВТСС производили по критической радиальной нагрузке Рук, Н начала разрушения ПММ, тангенциальной силе Рг, Н, эффективной мощности шлифования Ыэ, кВт, коэффициенту трения р, температуре ВТСС в объёме ванны Тс, ПС, объёму снятого материала Ом, мг, объёму изношенной части абразива ()а, мг, шероховатости поверхности Иа, мкм, а также коэффициенту шлифования по массе Кш, мг-мг"1, коэффициенту режущей способности Кр, мгмшГ'-Н"1, удельной мощности шлифования К, Втмин-мг"', комплексному критерию Км, мг-мин"'-Вт"

1 -I

•мкм .

4. Рентгеноструктурный фазовый анализ на дифрактометре Дрон -2,0, рентгеновский микроанализ на приборе "СатеЬах" поверхностного слоя феррита бария 16БА190 при обработке алмазным кругом с использованием 2,5 процентного раствора кальцинированной соды и 1,5 - процентного раствора РВ - ЗУМ показали, что из смазочной среды в случае применения РВ - ЗУМ формируются диссипативные структуры, увеличивающие напряжения второго рода ст, плотность дислокаций с, уменьшающие величину блоков мозаики Б, облегчающие процесс абразивной обработки.

Дифференциальный термический анализ на дериватографе ВТСС РВ - ЗУМ, 95 вес % порошка феррита бария 16БА190 с добавкой 5 вес % РВ -ЗУМ показал, что сложные физико - химические процессы с концентратом РВ - ЗУМ происходят в области температур, превышающих 250 °С, и РВ -ЗУМ может быть использован в качестве ВТСС при алмазно - абразивной обработке различных труднообрабатываемых ПММ.

5. По разработанной методике на машине трения СМЦ - 2 проведены сравнительные испытания эффективности ВТСС: 2,5 - процентного раствора кальцинированной соды, 1,0 - процентных ВТСС: СОЖ ЭГТ, СОЖ Рикос - 2, СОЖ СП - 3, РВ - ЗУМ. Произведено ранжирование дан-

т., г.г ОТЛГ .... v ... „ . .... -..........__........Г г-

ных а 1 1и) ил плнлпши на тнис <иш<ишл о круга при оораоотке сплава N(1 - Бе - В. Установлено, что наиболее эффективными являются Рикос -

2, РВ - ЗУМ. Сравнительные испытания 1,0 - процентных водных растворов ВТСС РВ - ЗУМ с СОЖ, отмеченными выше, а также с "ВЬАБОКиТ 4000 ББ 004" при обработке алмазным кругом феррита бария 16БА190, сплавов Ре - Сг - Со - (28Х23КС), Ш - Ре - В показали, что разработка ВТСС типа РВ - ЗУМ, содержащих фрактальные кластеры, является перспективным методом повышения их эффективности.

6. Опенка эффективности ВТСС при обработке ПММ алмазными шлифовальными кругами, из электрокорунда белого, нормального показали, что на процесс алмазно - абразивной обработки ПММ оказывает существенное влияние величина зернистости. С увеличением величины зернистости с 20 до 60 качество поверхности ПММ ухудшалось. Наилучшие результаты качества поверхности ПММ получены при использовании алмазных кругов зернистостью 125/100 - 80/63.

7. На алмазно - абразивную обработку с использованием ВТСС оказывают существенное влияние физико - механические свойства ПММ ПММ Ре - Сг - Со - (28Х23КС) и N<1 - Бе - В, полученные по технологии ДТП, обладают лучшей шлифуемостью по сравнению со спеченными материалами.

Увеличение пористости ПММ ухудшают' качество поверхностною слоя вследствие локального разрушения отдельными абразивными зёрнами краёв пор. Использование ВТСС РВ - ЗУМ, генерирующего из смазочной среды диссипативные структуры, уменьшает краевое разрушение пор.

8. Разработана опытно - промышленная технология производства и применения ВТСС РВ - ЗУМ и определены его физико - химические свойства. Разработана и сконструирована установка для производства ВТСС РВ

ЗУМ Разработаны практические рекомендации по внедрению ВТСС РВ - ЗУМ при шлифовании магнитных материалов на ОАО "Магнит" г. Новочеркасска. Ожидаемый экономический эффект от внедрения ВТСС РВ -ЗУМ составит 20 - 25 тыс. рублей (в ценах по состоянию на 30. 09. 1999 г.) на 1000 деталей ДЖБ 33. 4. 1849 "Плитка", изготовленных из феррита бария 16БА190.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1 Шульга Г. И., Гоголев А. Я., Афонин В. П.. Самоорганизация три-босопряжений при ротационной вытяжке тонкостенных оболочек из листовых сталей // Динамика технологических систем: Тез. докл. V Между-нар. науч. - техн. конф., 1997, Ростов - на - Дону: ДГТУ, 1997. - С. 151 -153.

2. Шульга Г. И., Гоголев А. Я., Афонин В. П. Водорастворимые технологические смазочные материалы для абразивной обработки // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы (Шлифабра-зив - 97): Тр. науч. - техн. конф,, 14 - 16 октября 1997, Волжский: Волж-скИСИ, 1997.-С. 141 - 143.

3. Гоголев А. Я., Шульга Г. И., Афонин В. П. Водорастворимый смазочный материал РВ - ЗУШ для абразивной обработки // Техника, экономика, культура: Юбил. сб. науч. тр. проф. - препод, сост. НГТУ, Новочеркасск: НГТУ, 1997.-С. 41-42.

4. Гоголев А. Я., Афонин В. П., Семченков В. П. Пути повышения эффективности смазочно - охлаждающих жидкостей при механической обработке деталей // Проблемы поверхностной обработки, упрочнения, нанесения покрытий и модификация материалов в машиностроении: Сб. тр. ХХХХУ1 науч. - техн. конф., 10 - 25 апреля 1997, Новочеркасск: НГТУ, 1998.-С. 56.

5. Шульга Г. И., Гоголев А. Я., Афонин В. П. Оценка эффективности водорастворимых технологических смазочных средств на машине трения СМЦ - 2 при абразивном изнашивании материалов // Проблемы поверхностной обработки, упрочнения, нанесения покрытий и модификация материалов в машиностроении: Сб. тр. ХХХХУН науч. - техн. конф., 10-25 апреля 1998, Новочеркасск: Набла, 1999. - С. 74 - 80.

6. Дорофеев Ю. Г., Шульга Г. И., Афонин В. П. Сравнительная эффективность водорастворимых технологических смазочных средств при абразивном изнашивании материалов // Проблемы поверхностной обработки, упрочнения, нанесения покрытий и модификация материалов в машиностроении: Со. тр. XXлXVII науч. — техн. конф., 10 — 25 апреля 1998, Новочеркасск: Набла, 1999. - С. 80 - 83