автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение работоспособности быстрорежущего инструмента путем применения охлажденного ионизированного воздуха

На правах рукописи

КУРАПОВ Константин Викторович

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ БЫСТРОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ОХЛАЖДЕННОГО ИОНИЗИРОВАННОГО ВОЗДУХА

Специальность:

05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 ЙЮН 2011

Иваново-2011

/ .

>

4850305

Работа выполнена в Ивановском государственном университете.

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник НАУМОВ Александр Геннадьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор МАРКОВ Владимир Викторович

кандидат технических наук, профессор • МОЖИН Николай Афанасьевич

Ведущая организация:

ГОУ ВПО "Уфимский государственный авиационный технический университет".

Защита состоится 2011 г. в7^$?часов на заседании

диссертационного совета ДМ 212.062.03 при Ивановском государственном университете по адресу: 153025, г. Иваново, пр.Ленина, 136,4-й корп. ИвГУ, ауд.2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного университета (153025, г. Иваново, ул. Ермака,

Д.37)

Автореферат разослан « Л » .-¿¿а^ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Новиков В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Работоспособность режущего инструмента является основным показателем, отвечающим за его эксплуатационные свойства. Применение смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) при металлообработке оказывает эффективное влияние на повышение стойкости инструментов.

Работы многих ученых свидетельствуют о сложности физико-химических взаимодействий между инструментом и обрабатываемым материалом. В настоящее время нет цельного представления о процессах, протекающих в зоне контакта при резании металлов. Поэтому, проведение исследований с целью определения физико-химических закономерностей в контактной зоне является важной научно-технической проблемой. Ужесточающиеся требования защиты окружающей среды и обслуживающего персонала от техногенного воздействия ставят на первое место безопасность СОТС и простоту утилизации.

Ионизированный воздух как СОТС удовлетворяет требованиям защиты окружающей среды. На сегодняшний день доказано его положительное влияние на трибологическую обстановку в зоне контакта инструмента и обрабатываемого материала, но ионизированная газовая среда не обладает удовлетворительной охлаждающей функцией. Повышение охлаждающей функции ионизированного воздуха является актуальной научной проблемой.

Цель работы: Повышение работоспособности быстрорежущего инструмента и улучшение качества обработанной поверхности при лезвийной обработке путем применения ионизированного охлажденного в вихревой трубе Ранка-Хилша воздуха.

Задачи исследования:

1. Разработать и изготовить вихревую трубу для реализации эффекта Ранка-Хилша и определить ее технологические характеристики с целью повышения охлаждающей функции ионизированного воздуха.

2. Изучить влияние охлажденного ионизированного воздуха на характеристики процесса лезвийного резания (температура резания, величина остаточных напряжений, условный угол сдвига, глубина деформированного слоя) и стойкостные показатели быстрорежущих инструментов.

3. Исследовать наличие и вид вторичных структурных образований в контактной зоне при использовании в качестве СОТС охлажденного ионизированного воздуха.

4. Предложить механизмы действия охлажденной ионизированной среды-при резании металлов.

5. Определить экономическую эффективность применения охлажденного ионизированного воздуха в процессах лезвийного резания.

Методы исследования. Работа выполнена на основе фундаментальных положений теории резания металлов, законов физики и химии с применением методов математической обработки экспериментальных данных, при помощи пакета статистической обработки Origin. Функциональные свойства СОТС при резании определяли, измеряя интенсивность изнашивания инструмента, температуру в теле резца, остаточные напряжения в поверхностном слое детали, а также проводили измерение шероховатости обработанной поверхности.

Научная новизна работы:

1. Установлена взаимосвязь характеристик процесса резания (температура, усадка стружки, наличие и величина зон вторичной деформации, параметров процесса стружкообразования), стойкостных показателей инструментов, величины остаточных микронапряжений и степени охлаждения ионизированной воздушной СОТС.

2. Выявлена зависимость охлаждающей способности вихревой трубы Ранка-Хилша от давления воздушного потока на её входе.

3. Установлен механизм действия охлажденной ионизированной воздушной СОТС, заключающийся в охлаждении зоны резания посредством эффекта Ранка-Хилша и интенсификации смазочного эффекта за счет образования оксидных структур в контактной зоне в результате насыщения воздушной СОТС микродозами воды, выделившимися при переходе точки росы.

Практическая ценность работы:

1. Научные и практические результаты работы реализуются в госбюджетных научно-исследовательских работах, выполняемых на базе трибологического центра и кафедры экспериментальной и технической физики ИвГУ.

2. Разработана конструкция ионизатора с вихревым охладителем для подачи охлажденного ионизированного воздуха направленно в контактную зону (Патент РФ №2411115 «Способ охлаждения и смазки режущих инструментов»).

3. Разработаны технология и рекомендации по использованию в качестве СОТС охлажденного ионизированного воздушного потока.

4. Определены оптимальные режимы работы вихревого охладителя и ионизатора, обеспечивающие наибольшую износостойкость быстрорежущего инструмента и наилучшее качество обработанной поверхности.

Апробация работы: Основные положения диссертации были представлены на: II Международном научно-практическом семинаре «Техника и технологии трибологических исследований» (Иваново, 2009); Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии (XV Бенардосовские чтения)» (Иваново, 2009); региональной научно-технической конференции «Материаловедение и надежность триботехнических систем» (Иваново 2009); региональной молодежной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Иваново, 2008,2009 и 2010).

Публикации. Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 15 научных работах, в т.ч. в 3 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патенте РФ, 5 статьях в межвузовских сборниках научных трудов, 6 тезисах докладов на конференциях различного уровня.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, списка литературы и приложения, содержит 152 страницы печатного текста, 12 таблиц, 67 рисунков, 114 литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности изучаемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, определены методическая и теоретическая основы работы, изложены научная новизна и практическая ценность.

В первой главе содержится аналитический обзор научной литературы, касающейся вопросов изнашивания быстрорежущего инструмента и повышения его работоспособности, обзор методов смазки и охлаждения зоны резания и рассматриваются основные принципы их действия. Дается сравнительная оценка методов активации СОТС и их влияния на процессы механической обработки. Большое внимание уделяется газообразным СОТС и методам их активации.

Требования защиты окружающей среды от техногенного воздействия делают невозможным использование многих видов СОТС, содержащих в своем составе или выделяющих в процессе обработки активные, но опасные вещества. Предпринимаются попытки создания сма-зочно-охлаждающих средств с уменьшенным содержанием или полным отсутствием опасных компонентов

Проблема использования ионизированного воздуха в качестве СОТС рассматривается довольно давно. В работах Ахметзянова И.Д., Подураева В.Н., Солодихина А.Е., Латышева В.Н. рассматриваются различные схемы действия коронного разряда на процессы, происходя-

щие в зоне контакта инструмента и обрабатываемого металла. Доказано, что ионизация газовой среды положительно влияет на процессы струж-коотделения и стойкость инструментов.

При всех положительных аспектах действия ионизированной среды, работами П.П. Бахарева и А.Г. Наумова доказано, что она не обладает достаточной охлаждающей функцией. В ходе исследований не выявлено изменения интенсивности охлаждения и повышения стойкост-ных показателей, обусловленных изменением термонапряженного состояния контактных площадок инструментов. Отсутствие у ионизированного воздуха явно выраженной охлаждающей функции ведет к необходимости модификации технологического средства. Это впервые было предложено проф. Подураевым с сотрудниками, которыми производилась предварительная подготовка ионизированного воздуха в холодильной камере, что способствовало повышению показателей износостойкости инструмента и улучшению характеристик резания.

Метод непосредственного охлаждения воздушного потока использованием вихревого эффекта Ранка-Хилша является наиболее простым, эффективным, экологически безопасным и дешевым в условиях современного машиностроения. В соответствии с этим были сформулированы цель работы и задачи исследования.

Вторая глава посвящена материалам и общим методикам проведения экспериментальных исследований.

В качестве обрабатываемых материалов использовались представители различных групп металлов: аустенитная нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, конструкционная сталь 45, алюминиевые сплавы АМг-2 и Д16Т, латунь J190 и титановые сплавы ВТ 1-0, ВТ6.

В качестве режущего инструмента применялись упорно-проходные резцы из быстрорежущей стали Р6М5 с геометрией: при точении нержавеющей стали: ср = 90°, ф, = 12°, у = 12°, а = 6°, ai=6°; титановых сплавов: ср = 90°, cpi = 12°, у = 5°, а = 10°, a¡=6°-, углеродистых сталей и алюминиевых сплавов: ф = 90°, ф, = 15°, у = 20°, а = 6°, ai = 6°.

Эксперименты по определению работоспособности инструментов и качества обработанной поверхности проводились на операциях точения при подаче S = 0,1 мм/об и глубине резания t = 0,5 мм. За критерий стойкости резцов принималась фаска износа по задней поверхности, равная 0,6 мм.

Шероховатость поверхности обработанного материала измерялась профилографом-профилометром «Абрис-ПМ7», снабженным программным обеспечением. Для исследования структурного состояния обрабатываемых материалов применялись методы металлографического и металлофизического анализов. Изучение фазового состава вторичных структурных образований в контактной зоне проводилось с использова-

нием электронной микроскопии методом реплик с оттенением. Измерение остаточных напряжений проводилось с помощью прибора «Ситон-тест».

В третьей главе производился расчет требуемых параметров вихревого генератора холода, и исследовались функциональные характеристики охлажденных воздушных сред. Был разработан и изготовлен ряд вихревых труб (ВТ) различных типоразмеров, общая конструкция которых представлена на рис. 1.

Расчет вихревых труб производился по заданным параметрам хла-допроизводительности и питающего давления через секундный расход сжатого воздуха: G = Оь/(36оо- ц « с„. ык) = 0,003 (кг/с> где Qk - количество отводимого тепла, /л - весовой расход холодного потока, Atk - допустимый подогрев охлаждаемого объекта. С учетом поправки на влажность охлаждаемого воздуха, которая составила ¿(At;,.) = 18(psl/p'1)(p1(%) = 7°С гдеps/, р*- давление насыщенного пара и сжатого газа соответственно; <pt - влажность газа, и, учитывая производительность компрессора, было принято решение использовать ВТ с диаметром и длинной вихревой зоны 5 мм и 150 мм соответственно.

-03

Рис. 1. Конструкционные особенности вихревой трубы: 1 - отбортованная трубка; 2 - гайка; 3 - корпус трубки; 4 -улитка; 5 - диафрагма; 6 - гайка; 7 -трубка для отвода холодного потока; 8 -дроссель; 9 - четырехлопастная крестовина; 10 — герметизирующая прокладка.

Рис. 2. Ионизатор с вихревым охладителем: 1 - энергоразделитель ВТ; 2 - штуцер ВТ; 3 дроссель вихревой трубы; 4 - ионизатор; 5 - высоковольтный провод: б - коронирующий электрод на сопле ВТ; 7 - кожух; 8 - разъем к блоку питания ионизатора.

Ионизатор с вихревым охладителем (рис. 2) состоит из вихревой трубы с закрепленным на энергоразделителе ионизатором и корони-рующего электрода на выходе холодного воздуха.

Изучались тепловые характеристики вихревых труб различных типоразмеров. Кривые охлаждения представлены на рис. 3. Для условий получения сжатого воздуха в лаборатории, труба с диаметром вихревой зоны Б=5мм показывает более эффективное энергоразделение.

Представлены результаты экспериментов по исследованию охлаждающей способности воздуха, предварительно подготовленного в ВТ {0=5 мм) (рис. 4, 5). Исследования проводились на нагревательном элементе проточного типа, температура измерялась с помощью термопары медь-константан. Скорость охлаждения вычислялась как отношение ин тервала температуры к интервалу времени К=ДГ/Дт для прямолинейного участка кривых охлаждения.

1

.......

1 //»

Дшмегр ЬI ■ 5 ым а мм 10 №1

Сделаны выводы, что для повышения охлаждающей функции ионизированного воздуха за счет его охлаждения посредством эффекта Ранка-Хилша необязательна работа ВТ на больших питающих давлениях. ° ' 1 1 4 , ! ' ' ' Эффект достигался

Джпеил*Ял7е> , ДЯ7«

Рис. 3. Зависимость эффекта охлаждения п^^гу01^^

вихревых труб от питающего давления при полу- Давлении и,г Миа, почетом максимальной отрицательной температу- скольку в соответствии ры с графиками зависимо-

сти тройной точки от давления воздуха, температуры охлаждения было достаточно. А после прохождения через точку росы холодный поток всегда будет иметь влажность, соответствующую насыщенному влажному газу. И наличие микродоз воды в охлажденном потоке увеличивает скорость охлаждения и отвод теплоты.

Время, мкн

Рис. 4. Кривые охлаждения при обдуве

Рис. 5. Зависимость скорости охлаждения от давления на входе в вихревую трубу

Установлено, что процессах охлаждения при преодолении О "С влажность газовой смеси заметно уменьшается, что доказывает что в процессах отвода тепла первоочередную роль играет содержащаяся в воздухе влага.

Четвертая глава посвящена изучению процессов резания в среде охлажденного ионизированного воздуха.

В качестве СОТС использовались охлажденный в ВТ воздух, охлажденный ионизированный воздух, индустриальное масло И-40, эмульсол-Т (5%). В качестве обрабатываемого материала - сталь 45.

Установлено, что применение охлажденного в вихревой трубе воздуха повышает стойкость быстрорежущего инструмента до двух раз при определенных параметрах работы ВТ. Причем, максимальная стойкость наблюдалась при низком питающем давлении Р = 0,2 МПа, когда

происходило преодоление точки росы воздушной смеси и высоком питающем давлении Р = 0.7 МПа.

Использование охлажденного ионизированного воздуха приводит к возрастанию стойкости

инструмента (рис. 6). При введении охлажденного ионизированного воздуха период нормального износа увеличивался во времени. Следует отметить, что при использовании охлажденных ионизированных сред, масла И-40 и эмульсола-Т (5%) в процессе резания не наблюдалось ярко выраженного катастрофического износа с последующим разрушением инструмента (рис. 7).

Давление на вход« в ВТ. МИа

Рис. 6. Гистограмма стойкости при точении стали 45 инструментом из Р6М5 при обдуве охлажденным воздухом при напряжении +2 кВ

-•—сух

■»-■РШ|1=0.7МП,1 и»-ЗкВ -*-Р =0 "МПл. 1>«-6кВ чмучыоч-Т мл ТО И-40

О 500 1000 1500 2000 2500

Врпи I, с

Рис. 7. Динамика процесса изнашивания резца из стали Р6М5 при резании стали 45 (V - 66 м/мин)

Максимальный период стойкости (т = 38 мин., h3 = 0,6 мм) был зарегистрирован при питающем ВТ давлении 0,7 МПа на отрицательных значениях потенциала (-3 кВ). По сравнению с сухим резанием стойкость возрасла в 11 раз, с применением эмульсола-Т (5%) - в . 1,25 раза. Использование больших отрицательных напряжений приводило к интенсификации износа инструмента (рис. 7). Возможно, высокий отрицательный потенциал приводит к образованию в контактной зоне большого количества активного кислорода, который активно взаимодействует не только с обрабатываемым материалом, но и с инструментальным, вызывая усиление химического изнашивания рабочих поверхностей режущего инструмента и, как следствие, преждевременную потерю им работоспособности.

Результаты экспериментов доказывают, что на стойкость инструмента большое влияние оказывает наличие воды в воздушном потоке, подаваемом в зону резания. При малых рабочих давлениях вихревой трубы насыщенность охлаждаемого воздуха водяным паром достигает 100%,'что необходимо для эффективного проявления смазочного и охлаждающего действий. Также увеличение износостойкости наблюдается при больших питающих давлениях, когда высока охлаждающая способность низкотемпературного потока.

Сопоставление значений стойкости показало', что ионизированный охлажденный воздух значительно увеличивает работоспособность инструмента по сравнению с неионизированным охлажденным воздушным потоком. Это обусловлено предварительной активацией воздуха энергией коронирующего электрода и началом физико-химических процессов образования химически активныхчастиц еще до контактной зоны, что приводит к интенсивному образованию разделительных смазочных пленок на границе раздела инструмент-обрабатываемый материал, усилению смазочного эффекта и, как следствие, к повышению стойкости инструмента.

Проводились исследования температуры резания при свободном точении различных металлов и сплавов с использованием в качестве СОТС охлажденного в ВТ воздуха. Резец был выполнен из быстрорежущей стали Р6М5 с углами резания: у=0°, а=6°. Подача для всех материалов / = 0,1 мм/об. Скорости резания были невысоки для быстрорежущего инструмента: ВТ-6 V= 0,3 м/с; Д16 V= 1 м/с\ JI90 V= 0,45 м/с-, Сталь 45 V= 0,45 м/с.

Резание для всех материалов продолжалось не менее 30 секунд, за это время должна была установиться стабильная температура, характеризующая конкретные условия резания.

eyxe« рг»«ни*

• -обду» CHHkll

•СЗДУ*0|» T * \'C

* ««жуэТ-.З.^С

T- о€ду» T » VC

rf обдув T обдув 'Г

а .5 с

л*

д ¿•■у

Вр<ыя с начала р«ангн. с

Рис. 8. Термограммы резания стали 45.

При обработке стали 45 введение охлажденного воздуха значительно влияло на температуру резания (наличие среды понижало температуру инструмента на 170 °С), но все термограммы резания с использованием среды лежат в небольшом интервале температур в 50 °С (рис. 8). В ходе резания титанового сплава ВТ-6 с применением охлажденного воздуха наблюдалось явное снижение температуры в теле резца. Наибольшее снижение температуры зарегистрировано при питающем ВТ давлении 0,7 МПа (в два раза ниже, чем при резании на воздухе). Резание

алюминиевого сплава Д16 сопровождалось нестабильностью температуры резания. Наибольшее влияние на температуру инструмента оказал обдув с питающим давлением 0,2 МПа. Термограмма сухого резания Л90 очень нестабильна, в отличие от случаев применения обдува охлажденным воздухом. Это объясняется возникновением задиров, вследствие недостаточной смазочной способности.

Зависимость температуры резания стали 45, Л90 и ВТ-б от питающего давления представлена на рис. 9. Введение функциональной среды в зону резания приводило к снижению температуры инструмента в 1,5 -2 раза в зависимости от материала. Для материалов с большим коэффициентом теплопроводности наблюдалась меньшая степень снижения температуры. При давлении Ртт = 0,2 МПа наблюдается экстремум функции для всех кривых (рис. 9). Возможно, это связано с состоянием

0.3 ол Давление Е'11и . МШ

Рис. 9. Зависимость температуры резания от питающего ВТ давления: I - сталь 45; 2 - ВТ-6: 3 -Л90.

охлажденной воздушной смеси. В результате преодоления тройной точки воздушной смеси, поглощается скрытая теплота фазового перехода воды, находящейся в составе смеси.

Проводились эксперименты по исследованию влияния охлажденной ионизированной среды на величину остаточных напряжений в поверхностном слое детали из стали 45 и титанового сплава ВТ1-0. Использование в качестве смазочно-охлаждаюгцих сред 5%-го раствора эмульсола-Т и индустриального масла И-40 приводило к увеличению значений отрицательных напряжений. Введение воздуха с более низкой температурой, а также уменьшение напряжения на электроде приводит

Рис. 10. Зависимость значений остаточных напряжений от глубины поверхностного слоя стали 45 при обработке в различных средах

Проводились эксперименты по изучению корней стружки и исследованию деформированных слоев после обработки резанием. Корни стружек были получены методом падающего резца. В качестве обрабатываемого материала использовалась сталь 45 и нержавеющая сталь 12Х18Н10Т; в качестве режущего инструмента применялись резцы из быстрорежущей стали Р18. Свободное резание происходило при следующих параметрах: для стали 45 - V= 0,5 м/с., S= 0,1 мм/об. ; для 12Х18Н10Т - V= 0,3 м/с., S= 0,1 мм/об. Наряду с точением в атмосфере воздуха, применяли охлажденный положительно и отрицательно ионизированный воздух.

Применение охлажденного воздуха, активированного коронным разрядом, позволяет значительно сократить величину зоны вторичной деформации. По результатам исследования можно отметить, что значительное влияние на размер зоны вторичной деформации оказывает использование высоких потенциалов на коронирующем электроде.

По данным металлографического анализа условный угол сдвига при резании с использованием охлажденного ионизированного воздуха

увеличивается, поэтому можно сделать вывод о меньших значениях сил трения между стружкой и резцом, и уменьшении энергозатрат на удаление данного объема материала.

Измерения микротвердости поверхностных слоев обработанного материала (сталь 45, ВТ1-0, 12Х18Н10Т) показали, при использовании охлажденного ионизированного воздуха снижается глубина деформированного слоя и поверхностное значение микротвердости относительно значений, полученных при обработке на воздухе. Результаты свидетельствуют о том, что при резании в среде охлажденного в ВТ ионизированного воздуха процесс стружкоотделения происходит в более благоприятных условиях, чем при резании без ее использования, также изменение глубины наклепа может быть связано с изменением направления вектора равнодействующей силы резания.

Эксперименты по исследованию усадки стружки показывают, что применение охлажденного ионизированного воздуха на низких и средних скоростях резания стали 45 для быстрорежущего инструмента снижает коэффициенты продольной усадки стружки, что связано с улучшением смазочной способности СОТС.

Проводились исследования по изучению влияния охлажденных воздушных сред, активированных коронным разрядом, на шероховатость обработанной поверхности. Установлено, что при увеличении скорости резания средняя высота микронеровностей уменьшается. Охлажденный ионизированный воздух, используемый в качестве СОТС, улучшает процесс

стружкоотделения, что

оказывает влияние на качество обработанной поверхности.

Рис. 11. Шероховатость поверхности при резании стали 45 рез1(ом из быстрорежущей стали Р6М5. (V — 18 м/мин., радиус закругления при вершине резца 0,5 мм):1 - резание всухую;2 - резание с обдувом охлажденным воздухом, рабочее давление ВТ Р = 0,2 МПа;3 - обдув охлажденным воздухом 0,7 МП а; 4 -резание с обдувом и ионизацией 0,2 МПа, +2 кВ;5 - обдув и ионизация 0,2 МПа, +5 кВ;б - обдув и ионизация 0,7 МПа, +2 кВ;7 - обдув и ионизация 0,7 МПа, +5кВ;8 - ионизация +10 кВ;9 - ионизация -10 кВ; 10 - полив дистиллированной водой; II- полив маслом И-40

Пятая глава посвящена изучению механизма влияния охлажденного ионизированного воздуха на процессы, происходящие в контактной зоне.

Проводились эксперименты на трибометре по схеме диск-диск по выявлению влияния охлажденного ионизированного воздуха на процесс

трения. Эксперименты проводились при различных технологических средах.

В целом при введении охлажденного воздуха и ионизации процесс трения протекал более стабильно, в отличие от трения на воздухе. Было зафиксировано снижение коэффициентов трения при введении охлажденного и охлажденного ионизированного воздуха.

Расчет межплоскостных расстояний пленок, образованных при трении в воздушных средах показал наличие оксида железа Ре304 при трении на воздухе и оксидов РеО, Ре304 при использовании охлажденного ионизированного воздуха. В присутствии охлажденной ионизированной среды на поверхностях трущейся пары образовывались оксидные пленки (рис. 12).

Рис. 12. Поверхности образца: а) после трения «всухую»: б) после трения в среде охлажденного воздуха, активированного коронным разрядом отрицательной полярности. х200

Теоретически доказано, что в условиях обработки металлов резанием из реакций образования оксидов железа наиболее вероятна реакция образования оксида Ре2Оз. Процесс образования FeгO^ идет наиболее интенсивно по сравнению с другими. Скорость его образования больше, чем скорости образования РеО и Рг}04.

Было проведено изучение структуры и топографии поверхностей стали 45 и 12Х18Н10Т после обработки быстрорежущим инструментом. Зафиксированы вторичные структуры, образованные в результате взаимодействия компонентов внешней среды с ювенильными поверхностями в контактной зоне. Активация воздушной атмосферы коронным разрядом с отрицательным потенциалом на коронируюшем электроде привела к заметному увеличению количества оксидных соединений и незначительному (порядка 3-7%) нитридных на - обработанных поверхностях.

Установлено, что активация охлажденного воздуха коронным разрядом приводит к изменению топографии рассматриваемых поверхностей по сравнению с резанием без использования активации. Это наблюдалось как при положительном, так и при отрицательном потенциале на коронирующем электроде. При этом отмечено, что для разных ма-

териалов выявляется свой предпочтительный знак потенциала. Так, согласно полученным данным при резании нержавеющей аустенитной стали 12Х18Н10Т лучшие результаты по качеству поверхности зафиксированы при положительном потенциале на коронирующем электроде, а в случае обработки стали 45 - при отрицательном.

Из анализа полученных результатов следует,-что при данных условиях проведения экспериментов прогнозные оценки образования того или иного вида вторичных структур, основанные на расчетных значениях изобарно-изотермического потенциала, имеют полное соответствие с экспериментом в случае резания технически чистых материалов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что охлажденный в вихревой трубе ионизированный воздух, увеличивает стойкость инструмента при обработке стали 45 до 10 раз по сравнению с резанием «всухую» и до 1,5 раз по сравнению с применением эмульсола-Т; снижает температуру в контактной зоне в 2-3 раза; улучшает характеристики процесса резания и качество обработанной поверхности.

2. Механизм действия охлажденной ионизированной заключается в повышении охлаждающей функции СОТС и усилении смазочного действия ионизированного воздуха за счет выделения в последнем микро- и нанодоз воды в результате преодоления точки росы.

3. Выявлено, что эффективность охлаждения при использовании вихревой трубы проявляется при давлении на входе 0,2 МПа и более. Повышение давления, питающего вихревую трубу, более 0,6 МПа приводит к дестабилизации процесса резания вследствие изменения геометрии выходного сопла из-за образования инея.

4. Установлено уменьшение величины остаточных "напряжений на 10-15% при обработке с использованием охлажденной ионизированной среды по сравнению с резанием «всухую» и использованием эмульгированных и масляных СОЖ.

5. Выявлено увеличение условного угла сдвига и уменьшение поверхностных значений твердости с 260 до 240 кг/мм2 и глубины деформированного слоя при резании в среде охлажденного ионизированного воздуха по сравнению с обработкой «всухую», что объясняется изменением условий взаимного перемещения трибосопряженных поверхностей инструментального и обрабатываемого материала.

6. Зафиксировано уменьшение коэффициента трения на 25-30% при применении охлажденной ионизированной среды по сравнению с трением на воздухе, что обусловлено интенсивным формированием ок-сидов-железа (РеО и Ре304) на трущихся поверхностях.

7. Годовой экономический эффект от внедрения технологии охлаждения и смазки быстрорежущего инструмента составляет 3000 рублей на 1 станок.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Курапов К.В., Наумов А.Г., Латышев В.Н., Клюев М.В., Ткачук О.В. Применение эффекта Ранка-Хилша при лезвийном резании металлов // Металлообработка. СПб., 2010. №5(63). С.9-12. (Автору принадлежит экспериментальная часть публикации)

2. Курапов К.В., Наумов А.Г., Пагин М.П., Ткачук О.В. Влияние ювенильиых поверхностей на процесс образования смазочных пленок при лезвийном резании металлов // Металлообработка. СПб., 2009. №6(54). С.8-13. (Автору принадлежит разработка механизма действия СОТС)

3. Курапов К.В., Латышев В.Н., Наумов А.Г., Раднюк B.C., Репин Д.С., Маршалов М.С., Жуковский С.А., Ткачук О.В. Экспериментальное изучение трибологии резания материалов // Трение и износ. 2010. № 31 С. 500-510. (Автору принадлежит 1\20 часть публикации)

4. Патент РФ №2411115 «Способ охлаждения и смазки режущих инструментов» авт.: Наумов А.Г., Латышев В.Н., Раднюк B.C., Прибылов А.Н., Курапов К.В. (Автору принадлежит экспериментальная часть)

5. Курапов К.В., Наумов А.Г., Федулов Е.А. Повышение охлаждающей способности ионизированного воздуха // Физика, химия и механика трибосистем: Межвуз. сб. науч. тр. Иваново: 2007. Вып. 6. С.112-113.

6. Курапов К.В. Интенсификация процесса охлаждения трибосоп-ряженных поверхностей посредством эффекта Ранка-Хилша // Молодая наука в классическом ун-те. Материалы научн. .конф. Иваново: Иван, гос. ун-т, 2008. Ч..8. С.36.

7. Курапов К.В., Наумов А.Г. Применение эффекта Ранка-Хилша для охлаждения и смазки режущего инструмента. II Физика, химия и механика трибосистем: Межвуз. сб. науч. тр. Иваново: 2008. Вып. 7. С.57-60.

. 8. Курапов К.В., Наумов А.Г. Повышение стойкости быстрорежущего инструмента применением охлажденных ионизированных газовых сред. // Материаловедение и надежность триботехнических систем: сб. науч. тр. Иваново: ИГХТУ, 2009. С.84-92.

9. Курапов К.В. Влияние охлажденных ионизированных газовых сред на стойкость быстрорежущего инструмента // Молодая наука в классическом университете, Материалы научн. конф. Иваново: Иван, гос. ун-т, 2009. Ч..8. С.50.

Ю.Курапов К.В., Наумов А.Г. Повышение стойкости быстрорежущего инструмента применением охлажденных ионизированных воздушных потоков // Материалы межд. научн.- техн. конф. «Состояние и перспективы развития электротехнологии», Иваново: ИГЭУ, 2009. С.137.

11.Курапов К.В., Наумов А.Г., Евграфов И.А. Применение эффекта Ранка-Хилша для увеличения охлаждающей функции СОТС // Техника и технологии трибологических исследований: тез. докл. 2-го междунар. семинара. Иваново. 2009. С.55.

12.Курапов К.В., Наумов А.Г., Евграфов H.A. Применение эффекта Ранка-Хилша для увеличения охлаждающей функции СОТС // Физика, химия и механика трибосистем: Межвуз. сб. науч. тр. Иваново: ИвГУ.

2009. Вып. 8. С. 136-142.

13.Курапов К.В., Наумов А.Г. Использование эффекта Ранка-Хилша для охлаждения режущего инструмента. // Молодые ученые развитию текстильной и легкой промышленности. Материалы научн. конф. Иваново: ИГТА. 2010. С. 146-147.

14. Курапов К.В. Влияние охлажденного ионизированного воздуха на шероховатость обработанной поверхности // Молодая наука в классическом ун-те. Материалы научн. конф. Иваново: Иван. гос. ун-т,

2010. Ч..8. С.50.

15. Курапов К.В., Наумов А.Г. Исследование температур в теле резца при использовании охлажденных воздушных сред // Физика, химия и механика трибосистем: Межвуз. сб. науч. тр. Иваново: 2010. Вып. 9. С.37-41.

КУРАПОВ Константин Викторович

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ БЫСТРОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ОХЛАЖДЕННОГО ИОНИЗИРОВАННОГО ВОЗДУХА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 19.05.2011 Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать плоская. Усл. печ. л. 1.2. Уч.-изд. л. 0.78. Тираж 100.

ГОУ ВПО «Ивановский государственный университет» 153025 Иваново, ул. Ермака, 39

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. "

1.1. Использование смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) в процессах механической обработки.

1.1.1. Функциональные свойства СОТС.

1.2. Физические методы активации СОТС.

1.3. Использование газообразных СОТС при обработке металлов

0 резанием.

1.4. Действие коронного разряда при металлообработке.

1.5. Влияние смазочно-охлаждающих технологических сред на теплофизику процессов резания. "

1.6. Выводы по литературному обзору, постановка целей и задач исследования.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Материалы и методика исследований определения работоспособности инструмента и качества обработанной поверхности.

2.2. Методы металлографического и металлофизического анализов.

2.3. Микродифракционные исследования вторичных структур.

2.4. Исследование остаточных напряжений поверхностного слоя обработанной детали.

ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОХЛАЖДЕННЫХ ВОЗДУШНЫХ СРЕД.

3.1. Исследование теплофизических параметров воздушного вихревого эффекта и расчет параметров вихревой трубы.

3.2. Разработка ионизатора с вихревым охлаждением и теоретические предпосылки для определения его оптимальных параметров.

3.3. Исследование теплофизических параметров воздушного вихревого эффекта.

3.4. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОХЛАЖДЕННЫХ ИОНИЗИРОВАННЫХ ВОЗДУШНЫХ СРЕД НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ.

4.1. Определение оптимальных рабочих параметров ионизатора с вихревым охладителем.

4.2. Исследование влияния охлажденных ионизированных воздушных сред на стойкостные характеристики быстрорежущего инструмента.

4.3. Влияние охлажденных воздушных сред на температуру в теле резца.

4.4. Исследование остаточных напряжений в поверхностном слое после обработки.

4.5. Исследование корней стружек и глубины деформированного слоя после обработки резанием.

4.6. Исследование влияния охлажденного ионизированного воздуха на усадку стружки.,.

4.7. Исследование влияния охлажденного ионизированного воздуха на шероховатость обработанной поверхности.

4.8. Выводы по главе 4.

ЩАВА 5. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ОХЛАЖДЕННЫХ ИОНИЗИРОВАННЫХ СРЕД НА ТРИБ О ЛОГИЧЕСКУЮ ОБСТАНОВКУ КОНТАКТНОЙ ЗОНЫ.

5.1. Изучение смазочной способности активированных охлажденных воздушных сред. "

5.2. Микродиффракционные исследования вторичных структурных образований.

5.3. Теоретические представления о явлениях образования структур в контактной зоне.

В последнее десятилетие в мире встает задача о необходимости использования новых, малоотходных и высокоэффективных технологических процессов с минимальными потерями и полной утилизацией продуктов переработки. В число отраслей с такими задачами входит и машиностроение. Внедрение вышеуказанных процессов невозможно без высокотехнологичных устройств, позволяющих добиться высокой производительности, повышения эффективности, экономии материалов и энергии при минимальных массогабаритных характеристиках. Повышение экономичности машиностроения неразрывно связано с ростом эффективности металлообработки и снижением затрат, связанных с износом металлорежущего инструмента. Износостойкость режущего инструмента на операциях точения в немалой степени зависит от применяемого смазочно-охлаждающего технологического средства (СОТС). В современном машиностроении повышенные требования предъявляются не только к функциональным, но и к экологическим свойствам СОТС, так как СОТС должна не только улучшать работоспособность инструмента и качество обработанной поверхности, но и минимизировать техногенное вдияние на обслуживающий персонал и окружающую среду.

-»/V

Особого внимания заслуживает метод сухого электростатического охлаждения (СЭО). Однако, во многих работах [12, 19] не выявлено существенного изменения интенсивности охлаждения и повышения стойкостных показателей, обусловленных изменением термонапряженного состояния контактных площадок инструментов. Т.е. используемый в качестве СОТС ионизированный воздух не обладает достаточной охлаждающей функцией.

Необходимость модификации технологического средства (СЭО) обусловлена отсутствием у него явно выраженной охлаждающей функции. Для повышения охлаждающей функции воздуха, необходима его предварительная подготовка. Одним из способов такой подготовки является 7 охлаждение воздушной массы посредством вихревого эффекта Ранка-Хилша. Этот метод является наиболее простым, эффективным, экологически безопасным и дешевым в условиях современного машиностроения. ^ Настоящая диссертация посвящена разработке и исследованию технологических возможностей метода активации и охлаждения воздушного потока в процессах лезвийной обработки.

Целью работы являлось повышение работоспособности быстрорежущего инструмента и улучшение качества обработанной поверхности при лезвийной обработке путем применения ионизированного охлажденного в вихревой трубе Ранка-Хилша воздуха.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Установлена взаимосвязь характеристик процесса резания (температура, усадка стружки, наличие и величина зон вторичной деформации, параметры процесса стружкообразования), стойкостных показателей инструментов, величины остаточных микронапряжений и степени охлаждения ионизированного воздушного СОТС.

2. Выявлена зависимость охлаждающей способности вихревой трубы Ранка-Хилша от давления воздушного потока на её входе.

3. Установлен механизм действия охлажденной ионизированной воздушной СОТС, заключающийся в охлаждении зоны резания посредством эффекта Ранка-Хилша и интенсификации смазочного эффекта за счет образования оксидных структур в контактной зоне в результате насыщения воздушной СОТС микродозами воды, выделившимися при переходе точки росы.

Практическая ценность работы: • Научные и практические результаты работы реализуются в госбюджетных научно-исследовательских работах, выполняемых на базе трибологического центра и кафедры экспериментальной и технической физики ИвГУ.

• Разработана конструкция ионизатора с вихревым охладителем для подачи охлажденного ионизированного воздуха направленно в контактную зону (Патент РФ №2411115 «Способ охлаждения и смазки режущих инструментов»).

• Разработаны технология и рекомендации по использованию в качестве СОТС охлажденного ионизированного воздушного потока.

• Определены оптимальные режимы работы вихревого охладителя и ионизатора, обеспечивающие наибольшую износостойкость быстрорежущего инструмента и наилучшее качество обработанной поверхности.

Основные положения диссертации докладывались на научной конференции: «Материаловедение и надежность триботехнических систем» (Цваново, 2009), научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодая наука в классическом университете» (Иваново, 2008, 2009 и 2010), межвузовских семинарах «Физика, химия и механика трибосистем» (Иваново 2007, 2008, 2009, 2010), на 2-ом международном научно-практическом семинаре «Техника и технологии трибологических исследований» (Иваново, 2009). ,

Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 15 научных работах, в т.ч. в 3 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, 5 статьях в межвузовских сборниках научных тцудов, 2 тезисах докладов международных конференций и 4 тезисах докладов конференций регионального уровня. Патент РФ №2411115 «Способ охлаждения и смазки режущих инструментов» авт.: Наумов А.Г., Латышев В.Н., Раднюк B.C., Прибылов А.Н., Курапов К.В.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю доктору технических наук А.Г. Наумову; академику Академии технологических наук РФ, заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, д.т.н., профессору В.Н. Латышеву; преподавателям и сотрудникам кафедры экспериментальной и технической физики ИвГУ к.т.н., доц. В.В. Новикову, доц. Н.М. Оношину, инж. А.Н. Прибылову, С.Е. Невской, И.В. Муравьевой. 0 0

4.8. Выводы по главе 4.

1. Исследованиями установлено преимущество сопла с заземлением в его центральной части по отношению к соплу с коронирующим электродом вследствие строгой направленности коронного разряда.

2. Получено увеличение стойкости в 2—3 раза по сравнению с резанием в атмосфере воздуха при использовании охлажденного в вихревой трубе воздуха.

3. Установлено, что при обработке стали 45 при напряжениях —3 , +2 кВ с рабочими давлениями ВТ 0,2 и 0,7 МПа достигается максимальная стойкость быстрорежущего инструмента. Наибольшее значение стойкости было получено при рабочем давлении 0,7 МПа и напряжении —3 кВ. По сравнению с сухим резанием стойкость возрасла в 11 раз, по сравнению с эмульсолом-Т (5%) в 1,25 раза.

4. В ходе исследования температуры в теле резца выявлено снижение температуры резания при использовании охлажденного в ВТ воздуха: до 2-х раз при обработке сплава ВТ-6, и до 2,5-3-х раз для стали 45.

5. Обнаружено снижение остаточных напряжений по всей глубине залегания в образце стали 45 после обработки с применением положительно ионизированного охлажденного воздуха и дистиллированной воды по сравнению с обработкой в атмосфере воздуха. Использование 5%-го раствора эмульсола-Т и индустриального масла И-40 выявило увеличение значений остаточных напряжений.

6. Наличие в зоне резания положительно и отрицательно ионизированного охлажденного воздуха способствовало снижению вторичных деформаций, поверхностных значений твердости и глубины деформированного слоя. Результаты исследований зон деформаций и микротвердости хорошо согласуется между собой.

7. Установлено, что применение охлажденного ионизированного воздуха на невысоких скоростях резания стали 45 для быстрорежущего

112 инструмента однозначно снижает коэффициенты продольной усадки стружки при всех режимах работы ионизатора с охладителем.

8. Выявлено, что отмеченное улучшение трибологической обстановки контактной зоны оказало влияние на шероховатость обработанных поверхностей. Наличие охлажденного ионизированного воздуха положительной полярности снизило среднюю высоту микронеровностей на 50 % по сравнению с обработкой в атмосфере воздуха. 0

-лт?

ГЛАВА 5. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ОХЛАЖДЕННЫХ ИОНИЗИРОВАННЫХ СРЕД НА ТРИБОЛОГИЧЕСКУЮ ОБСТАНОВКУ КОНТАКТНОЙ ЗОНЫ

5.1. Изучение смазочной способности активированных охлажденных воздушных сред

-О-?"

Трение, возникающее в процессе резания, очень сложное явление, отличающееся от граничного трения высокими температурами в контактной зоне и наличием постоянно обновляющихся химически активных ювенильных поверхностей.

Однако моделирование динамического контакта при резании возможно на нагруженных трущихся фрикционных парах и используется для испытаний СОТС. Такие эксперименты позволяют изучить влияние защитных разделительных слоев испытуемого СОТС на контактные взаимодействия.

В исследованиях [12, 44] имеются сведения, касающиеся непосредственно влияния воздушных сред активированных коронным разрядом на фрикционное взаимодействие трущихся поверхностей. В" этих работах влияние коронного разряда объясняется наличием радикалов, молекул и комплексов соединений, образованных в ходе активации воздуха.

Рис. 5.1. Схема трибометра: 1 - контртело; 2 — исследуемый образец; 3 — маятник; 4 - площадка нагружения; 5 - датчик измерения угла поворота маятника и блок регулирования нуля

•' \ . . # ,. .

1 1 1 1 I I I I I I I I I I I I I I-1-1--1-1-1-1--1-1-1-1--1-1-1-1--1-1-1-1--1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г

1 2 3 t, мин

Рис. 5.2. Трибограмма момента силы трения Мтрпри обдуве трущейся пары охлажденным воздухом Рпит = 0,7 МПа.

1 ■ I

115

Были проведены две серии экспериментов по выявлению влияния на коэффициент трения обдува охлажденным воздухом и обдува охлажденным воздухом с ионизацией положительной и отрицательной полярности. В исследованиях использовался трибометр с парой трения диск—диск [44]. Его основные части показаны на рис. 5.1.

В качестве пары трения использовались: исследуемый образец из стали 45 и контртело из закаленной до твердости 59-60 HRC стали 45. Перед проведением испытаний поверхность деталей пары трения шлифовалась до шероховатости Ra = 2+0.2 мкм.

Эксперименты проводились как с увеличением нагрузки (50 Н/см2, 100 л 2

Н/см ), так и при постоянной нагрузке равной 20 Н/см при сухом трении, обдуве охлажденным воздухом, обдуве охлажденным ионизированным воздухом. После каждого эксперимента замерялась твердость диска по шкале HRC, чтобы не допустить изменения параметров эксперимента по причине термического отпуска детали.

Следует отметить, что значения моментов силы трения были невелики, поскольку процесс происходил в воздушной среде, и введение активированного охлажденного воздуха незначительно влияло на коэффициент трения. При отражении данных экспериментов на Т|щбограммах наблюдались скачкообразные увеличения моментов силы трения (рис. 5.2. - 5.4.).

В первой серии экспериментов исследовалось воздействие на процесс трения охлажденного в ВТ воздуха. Питающее давление изменялось от 0,1 до 0,7 МПа с шагом 0,1 МПа. Нагрузка увеличивалась ступенчато до момента начала задира. Момент трения при увеличении питающего ВТ давления изменялся незначительно. Наблюдались отклонения момента лишь при давлении 0,7 МПа вследствие проникновения в трущуюся пару частиц инея из ВТ (рис. 5.2). Ь

Во второй серии экспериментов выявлялось влияние охлажденного ионизированного воздуха на процесс трения. Максимальное напряжение на рабочем электроде (аноде) лимитировалось перерождением коронного разряда в искровой и составляло +/— 6 кВ (для отрицательного и положительного знака ионного потока). Сила тока заряженных частиц при этом не превышала 100 мкА.

На рисунках 5.З., 5.4. представлены результаты экспериментов в виде зависимостей момента силы трения Мтр от состава среды. По характеру изменения момента силы трения при фиксированной нагрузке можно судить о стабильности процесса. Так, в случае трения на воздухе 'наблюдались резкие кратковременные увеличения момента трения (задиры, заедания) (рис. 5.4), которые свидетельствуют о нестабильности процесса. При длительном трении в атмосфере воздуха происходило повышение температуры и запуск реакций с компонентами воздуха, вследствие чего образовывались оксиды на трущихся поверхностях, и процесс стабилизировался. При введении охлажденного воздуха, насыщенного • влагой, процесс трения дестабилизировался, поскольку условия трения- изменялись. Далее происходило притирание, как и в случае трения, на воздухе; момент трения * уменьшался, а процесс стабилизировался.

Моменты трения в среде воздуха и среде охлажденного воздуха различались незначительно. Несколько ниже были моменты трения при введении охлажденного ионизированного воздуха. В экспериментах с использованием воздуха в качестве смазочной среды основной вклад в изменение условий трения вносят образующиеся на поверхностях оксиды. Этой закономерности не соответствуют условия трения и =+б кВ, Рпит = 0,2 МПа (рис. 5.4.), это объясняется тем, что в процессе трения в атмосфере воздуха притирание дисков наступило позже, чем в процессе трения с обдувом охлажденным воздухом.

В целом, при введении воздушных сред процессы протекали нестабильно, однако следует учесть, что при использовании воздуха не

119 возникало граничных разделительных пленок среды. Это подтверждается на высоких давлениях, питающих ВТ, когда резкие уменьшения момента трения при использовании среды являлись результатом попадания инея в зону трения, и вода приводила к эффекту граничной смазки.

На первом этапе - трение в атмосфере воздуха — (на трибограмме 5.3) отражаются частые резкие вылеты момента силы трения. Его средняя

О величина составляла 0,88*10*" Н*м. Трение происходило в условиях задира.

Как видно из трибограмм, введение на втором этапе охлажденного воздуха, обогащенного дозами воды, в зону трения, дестабилизировало процесс трения (появлялись вылеты и изменялся момент трения). После притирания усредненный момент трения несколько снижался относительно сухого трения (0,8-0,87* 10" Н*м) либо оставался на прежнем уровне.

Отсюда следует, что в условиях трения смазочный эффект потока влажного воздуха невелик, т.е. его присутствие ведет к незначительному изменению условий трения и образованию на поверхностях соединений, уменьшающих коэффициент трения.

•5?

На третьем этапе происходило подключение активации подаваемого охлажденного воздуха коронным разрядом с положительной или отрицательной полярностью. Первоначальная дестабилизация процесса, которая наблюдалась при введении охлажденного воздуха, отсутствовала. Снижение момента силы трения (до 0,76-0,77*10"" Н*м - при положительной, 0,82-0,83*10'" Н*м — при отрицательной короне) в данных средах можно объяснить образованием окисных пленок на поверхностях трущихся образцов.

При трении в среде активированного влажного воздуха в результате химического взаимодействия атомов металлов с активными ионами воздуха на контактных поверхностях образуются соединения, которые уменьшают коэффициент трения. Данный процесс можно объяснить протеканием химических реакций на ювенильных поверхностях. В результате химической реакции атомов железа на поверхности обрабатываемого материала с

120 гониометрической приставкой в режиме микродифракции при ускоряющем напряжении 75 кВ. Гониометрическая приставка, позволяет разворачивать исследуемый объект в плоскости, перпендикулярной падающему пучку i? электронов, и наклонять его относительно пучка на угол до 15°.

Для расчета картин электронной дифракции постоянная микроскопа С, связывающая расстояния на электронограмме с расстояниями в кристалле, определялась по электронограмме объекта с известными межплоскостными расстояниями dm (тест-объект). В качестве эталона использовался алюминий с четкой кольцевой электронограммой (рис. 5.7), межплоскостные расстояния которого приведены в табл. 5.1.

Определение межплоскостных расстояний производилось при помощи формулы Вульфа-Брэгга при условии, что угол отражения 20 достаточно if мал: ■— = А.л * L = С — const, где п — номер кольца на электронограмме от центра, г — радиус п-то кольца; L — расстояние образец-фотопластинка; Хп -рабочая длина волны излучения. С учетом параметров экспериментальной 4,00 5»л г т установки имеем: а =-\нм\.

Определение вторичных структур производилось по репликам, взятым с поверхностей дисков, являющихся парой трения на трибометре. В случае трения в атмосфере воздуха наблюдалось меньшее количество колец дифракции, чем при использовании ВТ. На электронограммах для всех режимов работы ионизатора с охладителем присутствовали кольца одинаковых радиусов, различавшихся по интенсивности. Примеры электоронограмм с образцов трения в атмосфере воздуха и трения с использованием охлажденной ионизированной среды приведены на рис."5.9.

После расчетов межплоскостных расстояний пленок, образованных при трении с использованием охлажденных активированных воздушных сред, были получены следующие значения (табл. 5.2.). При трении в атмосфере воздуха значения межплоскостных расстояний соответствовали оксиду железа Ре304. При использовании среды сохранялось наличие оксида РезС>4, а также наблюдались линии, соответствующие межплоскостным расстояниям БеО.

Были получены фотографии поверхностей трения при помощи ртЬтрового электронного микроскопа «РЭМ - 100У». По фотографиям поверхностей трения при увеличении *200 (рис. 5.6.) и хЗООО (рис. 5.10.) можно сказать, что при использовании охлажденного ионизированного воздуха процессы образования оксидных пленок на поверхностях трущейся пары происходили более интенсивно, чем при трении в атмосфере воздуха. При использовании только охлажденного обогащенного влагой воздуха также наблюдались более плотные пленки на поверхности диска. Различия в оксидных пленках при использовании положительно и отрицательно ионизированного охлажденного воздуха не обнаружены.

5.3. Теоретические представления о явлениях образования структур в контактной зоне

Образование новых фаз на трибосопряженных металлических поверхностях контактной зоны происходит при физико-химических взаимодействиях применяемых СОТС или их компонентов с ювенильными металлическими поверхностями. Характерным признаком химического превращения является изменение запаса энергии в реагирующих веществах [18].

По значениям термодинамических характеристик химических веществ, используя закон Гесса, который является следствием закона сохранения массы веществ и энергии, можно определить изменение стандартного йЗобарно-изотермического потенциала АС, г. также изменение энтальпии АН и энтропии АБ для любой химической реакции. Сравнение вероятностей образования оксидов железа ./^О?, Ре304 и ЕеО при взаимодействии железа с кислородом происходило по термодинамическим величинам реакций (табл. 5.3).

1. Бакли, Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии / Д. Бакли. — Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1986.0 360 с.

2. Бахарев, П.П. Повышение работоспособности быстрорежущего инструмента путем применения воздушных сред, активированных коронным разрядом: дисс. канд. техн. наук: 05.03.01. / Бахарев Навел Павлович. Иваново, 2005. 132 с.

3. Бобровский, В.А. Электродиффузионный износ инструмента и борьба с ним / В.А. Бобровский. М.: «Московский рабочий», 1969. — 104 с.

4. Болога, М.К., Электроконвекция и теплообмен / М.К. Болога, Ф.П. Гроссу, И.А. Кожухарь. Кишинев: Штиница, 1977. - 320 с.

5. Щ. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М.: Физматгиз, 1972.

6. Васильев, Д.Т. Стойкость инструмента при обработке высокопрочных материалов / Д.Т. Васильев // Сб. «Обработка жаропрочных сплавов». -Изд-во АН СССР. 1960.

7. Ватагин, Ю.М. Исследование распределения и характера изменения температур при резании металлов в различных внешних средах: дисс. канд. техн. наук. / Ватагин Юрий Михайлович. Горький. 1970. 151 с.

8. Вейлер, С.Я. Действие смазок при обработке металлов давлением / С.Я.

9. Вейлер, В .И. Лихтман // Изд-во АН СССР. 1961.

10. Верещака, A.C. Влияние условий экологически безопасного резания с охлаждением ионизированной газовой средой на качествоповерхностного слоя и долговечность деталей / A.C. Верещака,-В.А.140

11. Проклад, В.А. Горелов, Ю.В. Полоскин, А.Н. Петухов, О.В. Хаустова // Двигатели и экология: Тез. докл. науч.-техн. симпозиума — М.: ВВДХ. 2002.

12. Верещака, A.C. Исследование теплового состояния режущих инструментов с помощью многопозиционных термоиндикаторов / A.C. Верещака, М.В. Провоторов, В.В. Кузин, Е.А. Тимощук, A.A. Майер// Вестник машиностроения. — 1986, №1. — С. 45-49.

13. Володин, Ю.В. Термодинамический анализ особенностей влияния галогенов на механическую обработку металлов / Ю.В. Володин, Н.В. Перцов // М.: Вестник МГУ. Химия. 1984. - 12с.

14. Вульф, A.M. Резание металлов. / A.M. Вульф. Л.: Машиностроение, 1973.-496 с.

15. Гаврилов, Г.М. Струйное охлаждение инструментов распыленными жидкостями / Г.М. Гаврилов, A.A. Смирнов // Куйбышев. 1966.

16. Гордон, М.Б. Исследование трения и действия внешней среды в процессе резания металлов: дисс. докт. техн. наук. Горький, 1967.

17. Гордон, М.Б. О физической природе трения и механизме смазочного действия внешних сред при резании металлов / М.Б. Гордон // Сборник "Научно-технические основы применения смазочно-охлаждающих жидкостей при резании металлов". Иваново, 1968. — С. 21-45.

18. ГОСТ 21073-75. Металлы цветные. Определение величины зерна. Общие требования. М.: Издательство стандартов, 1976. - 5 с.

19. Дробышева, O.A. Исследование воздействия газовых сред на процесс резания стали: дисс.канд. техн. наук: 05.03.01. / Дробышева Ольга Александровна.- Иваново, 1972. 173 с.

20. Евдокимов, А.Ю. Смазочные материалы и проблемы экологии / А.Ю. Евдокимова. — М.: Нефть и газ, 2000. 424 с.

21. Епифанов, Г.И. Влияние среды на процесс деформации и разрушения металлов при резании: дисс. докт. техн. наук. / Епифанов Георгий Иванович.-Москва, 1955.z?

22. Епифанов, Г.И. Изучение физико-механической природы смазочного действия граничных пленок / Г.И. Епифанов // «Известия ВУЗов», Физика, №3. Москва, 1959.

23. Жилин В.А. Субатомный механизм износа режущего инструмента: дисс. .канд. техн. наук: 05.03.01. / Жилин Вадим Алексеевич. — Ростов-на-Дону, 1973. 168 с.

24. Иммертехник. Производственная компания Электронный ресурс. / Сжатый воздух для промышленности. Режим доступа: http://www.immertehnik.ru/support/compendium, свободный. - Загл. с экрана.

25. Кириллов, А.К. Повышение производительности и качества обработки металлов резанием за счет применения газовых сред / А.К. Кирилов, Т.А. Дмитриева // Сборник научных работ ХДПУ " Высокие технологии в машиностроении". Харьков, 1998. - С. 167-169.

26. Клушин, М.И. Охлаждение и смазка распыленными жидкостями при резании металлов / М.И. Клушин, В.М. Тихонов, Д.Н. Троицкая. -Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1966. 123 с.

27. Клушин, М.И. Получение и применение сильно охлажденных воздухомасляных смесей при резании металлов / М.И. Клушин, В.М. Тихонов // Труды Горьковского политехнического института им. Жданова т.20, вып.4. Горький, 1964. - С. 61-68.

28. Клушин, М.И. Резание металлов / М.И. Клушин. М.: Машгиз. - 1958. - 455с.

29. Комельков, В.А. Повышение работоспособности быстрорежущего инструмента путем применения ионизированного воздуха с включением микродоз масла И-20А: дисс. канд. техн. наук: 05.03.01., 05.02.04. / Комельков Вячеслав Алексеевич. — Иваново, 2006. 130 с.

30. Корчагин, A.B. Исследование процесса резания в газовых контролируемых средах: дисс. канд. техн. наук: 05.03.01. / Корчагин Александр Васильевич. Москва, 2008. 117 с.

31. Кузнецов, В.Д. Физика резания и трения металлов и кристаллов / В.Д.

32. Кузнецов. М.: Наука. - 1977. - 310 с.

33. Курапов, К.В. Повышение стойкости быстрорежущего инструмента применением охлажденных ионизированных газовых сред / К.В. Курапов, А.Г. Наумов // Материаловедение и надежность триботехнических систем: сб. науч. тр. ИГХТУ — Иваново, 2009. -С.84-92.

34. Латышев, В.Н. Композиции на основе лиотропных мезогеннов и их практическое применение в трибологии / В.Н. Латышев, Ю А. Лазюк, Н.В. Усольцева // Жидкие кристаллы и их применение: тез. докл. респ. конф. Баку, 1990. - С. 37-38.

35. Латышев, В.Н. Особенности формирования вторичных структур на трибосопряженных металлических поверхностях с участием ионизированного воздуха / В.Н. Латышев, А.Г. Наумов, Л.И. Минеев, H.A. Демьяновский // Металлообработка. СПб., 2007. - № 1. - С. 912.

36. Латышев, В.Н. Особенности формирования вторичных структур на трибосопряженных металлических поверхностях с участием ионизированного воздуха /В.Н. Латышев, А.Г. Наумов, Л.И. Минеев, Демьяновский H.A. // Металлообработка. 2007. - № 1. С. 9-12.

37. Латышев, В.Н. Повышение эффективности СОЖ / В.Н. Латышев. М.: Машиностроение, 1985. - 64 с.

38. Латышев, В.Н. Роль химических соединений при трении металлов / В.Н. Латышев, А.Е. Колосов, Р.И. Карабанов // Физико-химическая механика процесса трения. Иваново, 1977. - С. 3-18.

39. Латышев, В.Н. Трибология и проблемы СОТС / В.Н. Латышев, А.Г.

40. Наумов // "Инструмент и технологии". СПб., 2004. - С. 117-128.

41. Латышев, В.Н. Исследование механохимических процессов иэффективности применения смазочных сред при трении и обработке145металлов : дисс. докт. технич. наук. / Латышев Владимир Николаевич. Москва, 1973. — 412 с.

42. Латышев, В.Н. Трибология резания. Кн. 1: Фрикционные прцессы при резании металлов / В.Н. Латышев Иваново: Иван. гос. ун-т, 2009. -108с.: ил.-ISBN 978-5-7807-0757-8.

43. Латышев, В.Н. Трибология резания. Кн. 2 : Принципы создания эффективных СОТС / В.Н. Латышев. Иваново: Иван. гос. ун-т, 2009. -156 с. : ил.-ISBN978-5-7807-0777-6.

44. Леб, Л. Основные процессы электрических разрядов в газах / Л. Леб. -М. -Л. «Гос. издат.техн. теорет. Литература», 1950. — 672 с.

45. Литвин, A.M. Техническая термодинамика / A.M. Литвин.- М.: ГЭИ, 1947.- 192с.

46. Лихтман, В.И. Физико-химическая механика металлов / В.И. Лихтман, Е.Д. Щукин, П.А. Ребиндер. Изд-во АН СССР. - 1962.1. Si

47. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лойцянский. М.: Наука, 1970. - 840с.

48. Лоладзе, Т.Н. Износ режущего инструмента / Т.Н. Лоладзе. М.: Машгиз, 1958.-316 с.

49. Меркулов, А.П. Вихревой эффект и его применение в технике / А.П, Меркулов. М.: Машиностроение, 1969. — 182 с.

50. Меркулов, А.П. Исследование вихревого холодильника: дисс. канд. техн. наук. / Меркулов Александр Петрович. Куйбышевский авиационный институт. - Куйбышев, 1956.

51. Можаев, С.С. Тепловые явления при резании стали на высокой скорости / С.С. Можаев // Сб. ЛОНИТОМАШ, «Прогрессивная технология машиностроения». Машгиз. - 1951, ч. 1.

52. Можин, H.A. О регулировании химической активности СОЖ / H.A. Можин, В.Н. Латышев // Вопросы обработки металлов резанием.

53. Сборник научных работ. Иваново, Иван. гос. энергетич. ин-т. 1975.— С. 26-31.

54. Мэрчент, М.Ю. Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей на износ режущего инструмента / М.Ю. Мэрчент // «Международная конф. по смазке и износу» под. ред. А.И. Петрусевича. — Машгиз, 1962. — С. 1318.

55. Наумов, А.Г. Облегчение процесса резания материалов микро- и & нанодозами СОТС / А.Г. Наумов, В.Н. Латышев, B.C. Раднюк, A.C.

56. Тимаков, A.B. Корчагин // Металлообработка. СПб., 2008. - № 4 (46). -С. 7-13.

57. Наумов, А.Г. Повышение износостойкости быстрорежущего инструмента методом йодонитроцементации: дисс. канд. техн. наук: 05.03.01, 05.02.01. защищена 03.06.89 / Наумов Александр Геннадьевич. Иваново, 1989. — 221 с.

58. Наумов, А.Г. Повышение стойкости быстрорежущего инструмента применением охлажденных ионизированных воздушных потоков / А.Г.

59. Наумов, К.В. Курапов // Мат. конф. «Состояние и перспективы развития электротехнологии». Иваново. - 2009. — С. 137.

60. Наумов, А.Г. Применение эффекта Ранка-Хилша для охлаждения и смазки режущего инструмента. / А.Г. Наумов, К.В. Курапов // Физика, химия и механика трибосистем: межвуз. сб. науч. тр. Иваново, 2008. - №7. - С. 57-60.

61. Наумов, А.Г. Улучшение экологии процессов лезвийной обработки металлов / А.Г. Наумов // Станки и инструмент. 2002. — № 7. — С. 913.7Д. Обрабатываемость резанием жаропрочных и титановых сплавов. Подобщ. ред. В.А. Кривоухова. -М.: Машгиз, 1961.

62. Пагин, М.П. Повышение стойкости режущих инструментовизменением трибологических параметров ювенильных поверхностей147направленным воздействием активированных газовых сред: дисс.канд. техн. наук: 05.02.07. / Пагин Максим Петрович. Москва, 2010. 125с.

63. Пат. 2287419 РФ. Устройство для получения ионизированных и озонированных СОТС / В.Н. Латышев, А.Г. Наумов, Л.И. Минеев, А.Н. Прибылов, И.Н. Пименов, H.A. Демьяновский. № 2287419; заявлено 21.05.; опубл., Бюл. № 4. -2с.

64. Петрянов-Соколов, И.С. Аэрозоли / И.С. Петрянов-Соколов, А.Г. Сутугин. -М.: Наука, 1989. 144 с.

65. Подгорков В.В. Влияние состава СОЖ на эффективность их действия / В.В. Подгорков, В.Н. Латышев // Известия вузов: «Технология текстильной промышленности». — Иваново, 1966. № 5. С. 44-48.

66. Подгорков, В.В. Исследование эффективности и некоторых физических сторон действия распыленных смазочно-охлаждающих жидкостей приурезании металлов: дисс. канд. технич. наук / Подгорков Владимир Викторович. — Горький, 1967.

67. Подгорков, В.В. Разработка способов и техники применения технологических сред и магнитных жидкостей при трении и резании металлов: дисс. докт. технич. наук / Подгорков Владимир Викторович. — Иваново, 2002. 382 с.

68. Подураев, В.Н. Механическая обработка с охлаждением ионизированным воздухом / В.Н. Подураев, A.C. Татаринов, В.Д. Петрова//Вестник машиностроения. -Москва, 1991. №11. С. 27-31.

69. Проклад, В.А. Экологически безопасная технология резания / В.А. Проклад, В.А. Горелов, Ю.В. Полоскин, И.Д. Ахметзянов, A.C. Верещака, О.В. Хаустова // Тез. докл. научно-технического симпозиума" Двигатели и экология". М.: ВВДХ, 2000. - С.47-54.

70. Режимы резания металлов: Справочник / Ю.В. Барановский, JI.A. Брахман и др. -М.: НИИТавтопром, 1995. — 456 с.

71. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник / Я.Л. Гуревич, М.В. Горохов.- М.: Машиностроение, 1986. 240 с.

72. Резание конструкционных материалов, режущие инструменты и станки. Под общ. ред. В.А. Кривоухова. -М.: Машгиз, 1967.

73. Резников, А.Н. Температура и охлаждение режущих инструментов / А.Н. Резников. Куйбышев, 1959.

74. Резников, Н.И. Учение о резании металлов / Н.И. Резников. М.: Машгиз, 1974.-256 с.

75. Серов, В.А. Совместимость присадок различного функционального действия применительно к маслам для резания металлов / В.А. Серов, Г.Т. Малиновский // Химия и технология топлив и масел. 1978. № 3. - С. 46-49.

76. Смазочно-охлаждающие жидкости для обработки металлов резанием. Рекомендации по применению / Справочник под ред. Клушина М.И. М.: НИИМаш, 1979. 96 с.

77. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием: Справочник под ред. Энтелиса С.Г., Берлинера Э.М. М.: Машиностроение, 1995. - 496 с.

78. Щ. Смазочно-охлаждающие технологические средства и их применение при обработке резанием: Справочник / JI.B. Худобин, А.П. Бабичев, Е.М. Булыжев и др. / Под общ. ред. JI.B. Худобина. М.: Машиностроение, 2006. - 544 е.; ил. - ISBN 5-217-03328-2

79. Солодихин, А.Е. Влияние электростатического состояния воздушной среды на процесс точения стали / А.Е. Солодихин // Электронная обработка материалов. 1972. - № 3. - С. 15 - 19.

80. Солодихин, А.Е. Влияние электростатического состояния воздушной среды на процесс точения стали / А.Е. Солодихин // Электронная обработка материалов. 1972. - №3. — С. 15 - 19.

81. Справочник по триботехнике. Под общ. ред. М. Хебды и A.B. Чичинадзе. М.: Машиностроение. - Т.2. - 1990. 420 с.

82. Суслов, А.Д. Вихревые аппараты / А.Д. Суслов, C.B. Иванов, -A.B. Мурашкин, Ю.В. Чижиков. М.: Машиностроение. - 1985. - 256 с.

83. Тимофеев, П. В. О действии кислорода в процессе резания металлов. / П.В. Тимофеев // Известия вузов. М.: Машиностроение, 1969. - В 8. - С. 12 -15.

84. Тихонов, В.М. Влияние смазочно-охлаждающих сред на теплообмен и р. температуру резания при точении: дисс. канд. техн. наук. Горький,1968.

85. Феклисова, Т.Г. Некоторые особенности трибологического окисления углеводородов / Т.Г. Феклисова, А.А. Харитонова и др. // Трение и износ. 1985. - Т. 6. N 2. - С. 339-346.

86. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов / Г.П. Фетисов, М.Г. Картман, В.М. Матюнин и др. М.: Высшая школа. -2000. - 637 с.

87. Худяков, К.В. Обеспечение комфортных условий работы водителя на 0 основе совершенствования характеристик вихревых труб и системкондиционирования: автореф. дисс.канд. техн. наук: 05.22.10. / Худяков Константин Валентинович. Волгоград, 2007. — 19с.

88. Шлыков, Ю.П. Контактный теплообмен / Ю.П. Шлыков, Е.А. Гантин. -М.: Госэнергоиздат. — 1963.

89. Ящерицын, П.И. Бесполивное охлаждение токарных резцов струей низкотемпературного воздуха / П.И. Ящерицын, В.М. Анисимов // Сб. научн. трудов. 1982,- с. 158-161.

90. Ящерицын, П.И. Теория резания: учеб./ П.И. Ящерицын, Е.Э. 0 Фельдштейн, М.А. Корниевич. 2-е изд., испр. и доп. -Мн.: Новоезнание, 2006. 512с.: ил.- ISBN 985-475-195-3/

91. Cherrington, В.Е. Gaseous Electronics and Gas Laser / B.E. Cherrington // Pergamon Press. Oxford, N.Y.- 1982. P. 112-117.

92. Doyle, E. Adhesion in metal cutting: anomalies associated with oxygen / E. Doyle, J. Home // Wear. 1980. - P. 383-391.

93. Merchant, M.E. Cutting fluid action and the wear of cutting tools / M.E. Merchant // Conf. Inst. Mech. Eng., Lubrication and wear. London. — 1957. -P. 127-136

94. Scheper, G.S. The Vortex Tube-Internal Flow Data and a Heat Transfer

95. Theory / G.S. Scheper // Refrigerating Engineering. 1951.151