автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение стойкости быстрорежущего инструмента путем применения активированной СОТС с кислородсодержащими полимерными присадками

На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ БЫСТРОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ АКТИВИРОВАННОЙ СОТС С КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИМИ ПОЛИМЕРНЫМИ ПРИСАДКАМИ

специальность 05.02.07 - технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10м м

Иваново-2012

005042892

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор, Латышев Владимир Николаевич

Марков Владимир Викторович,

доктор технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина», профессор кафедры технологии автоматизированного машиностроения

Можин Николай Афанасьевич

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Ивановская государственная текстильная академия», доцент кафедры технологии машиностроительного производства

Филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет)) в г. Кинешме

Защита состоится «25» мая 2012 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.062.03 при ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет» по адресу:( 153025, г. Иваново, пр-т. Ленина, д. 136, ауд. 1.)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет» (153025, г. Иваново, ул. Ермака, д. 37/7).

Автореферат разослан » ¿Цп^бМ! 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Новиков В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из более важных направлений повышения работоспособности режущих инструментов и совершенствование процессов обработки металлов резанием является широкое применение смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). Перспективным путем решения ряда этих задач является совершенствования СОТС, посредством введения в них различных по природе и химическому строению функциональных присадок. Присадки ВМС эффективны, благодаря глубокому и многостороннему воздействию на физико-химические и механические процессы и явления, происходящие в зоне резания. Также установлено, что процесс образования химически активных компонентов смазочной среды (атомов, ионов, свободных радикалов, ион-радикалов) можно интенсифицировать различными внешними энергетическими воздействиями на технологическое средство. Компоненты СОТС, подвергнутые предварительной активации, получают дополнительную энергию, что переводит их в метастабильное состояние. Это состояние характеризуется ослаблением или частичным нарушением внутримолекулярных связей, т.е. стимулируется деструкция СОТС с образованием активных атомов, радикалов и групп. Именно эти активные элементы образуют в зоне контакта пленки, которые в свою очередь экранируют адгезионное взаимодействие поверхностей инструмента и обрабатываемого материала.

Исследования выполнялись в рамках федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» 2009 - 2011 по проекту № 2.1.2/11773.

Цель работы. Повышение стойкости быстрорежущего инструмента и улучшение качества обработанных поверхностей путем применения активированной СОТС с кислородсодержащими полимерными присадками.

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 путем изучения характеристик процесса резания (сгойкостные показатели инструмента, усадка стружки, изучение зон вторичной деформации и т.д.), а также качество поверхности обрабатываемого материала (шероховатость поверхности, величину и знак остаточных напряжений).

Научная новизна работы:

1. Выявлена взаимосвязь изменения характеристик резания (стойкость режущего инструмента, усадка стружки, развитость зон вторичной деформаций) и воздействия на исследуемую СОТС коронным разрядом.

2. Установлены закономерности изменения шероховатости обработанных поверхностей, величины остаточных микронапряжений, при использовании в качестве СОТС полимерсодержащих средств активированных коронным разрядом.

3. Установлен механизм смазочного действия СОТС, имеющие в своем составе кислородсодержащие полимерные присадки.

Практическая значимость:

1. Разработана рекомендация по использованию кислородсодержащих полимерных присадок к СОТС для ОАО «ИВХИМПРОМ»

2. Определена оптимальная концентрация присадок ВМС в используемой эмульсии. Определены режимы работы ионизатора для данных концентраций. Изучены физико-химические свойства получаемых смазочных композиций.

3. Получены данные по влиянию полимерных присадок на характеристики процесса резания Ст. 45,12Х18Н10Т и ВТ1-0.

Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертации соответствует следующим областям исследования, указанным в паспорте специальности 05.02.07 — технология и оборудование механической и физико-технической обработки: п. 2 «Теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных физических и химических воздействий» и п. 3 «Исследование механических и физико-технических процессов в целях определения параметров оборудования, агрегатов, механизмов и других комплектующих, обеспечивающих выполнение заданных технологических операций и повышение производительности, качества, экологичности и экономичности обработки».

Апробация работы. Основные положения диссертации были обсуждены 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, 2009,2011); Региональной молодежной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Иваново, 2008,2009 и 2010,2011).

Положения, выносимые на защиту:

1. Механизм действия активированных коронным разрядом полимерсодержащих СОТС при обработке металлов резанием.

2. Экспериментальные данные о влиянии активированных коронным разрядом полимерсодержащих СОТС на стойкостные показатели быстрорежущего инструмента, качества поверхности обрабатываемого материала.

3. Экспериментальные данные о процессах, происходящих в поверхностных слоях обрабатываемого материала после точения, с применением активированных полимерсодержащих СОТС.

4. Электронографические исследования контактной площади стружки для выявления различных соединений, благоприятно влияющих на трибологическую обстановку в зоне контакта инструмента и обрабатываемого материала.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ общим объемом 2,35 пл., лично автору принадлежит 1,15 пл., в том числе 2 публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации;. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, библиографического списка из 109 наименований. Содержит 120 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности предлагаемой работы, сформулирована цель исследования, предложена методическая и теоретическая основа, обозначена научная новизна и практическая ценность.

В первой главе дается литературный обзор, отражающий результаты исследований механизма действия СОТС при резании металлов. Особый акцент делается на улучшение эффективности СОТС, по средствам введения в них различных присадок. Рассматриваются методы активации СОТС и их влияние на процессы механической обработки.

Изучению смазочного действия СОТС при резании металлов посвящены многие работы, выполненные научными школами М.И. Клу-шина, В.Н. Латышева и др.

Установлено, что процесс образования химически активных компонентов смазочной среды (атомов, ионов, свободных радикалов, ион-радикалов) можно интенсифицировать различными внешними энергетическими воздействиями на среду. Технологии физической активации СОТС находят все большее применение. Эти методы позволяют в значительной степени повысить активность СОТС и, тем самым, уменьшить расход ее через зону обработки, а значит и общую ее потребность. Коронный разряд является одним из таких методов.

Также стоит отметить, что одним из перспективных путей решения ряда задач, касающихся улучшения трибологической обстановки в зоне резания, является совершенствования СОТС посредством введения в них различных по природе и химическому строению функциональных присадок. Из многочисленных результатов исследований по данной проблеме следует отметить направление по использованию в качестве

эффективных присадок к СОТС высокомолекулярных соединений, благодаря их глубокому и многостороннего воздействия на физико-химические и механические процессы и явления, происходящие в зоне резания. Полимерсодержащие среды, при операциях механической обработки, вступая в химическое взаимодействие с обрабатываемым материалом, образуют химические связи, которые по энергии значительно превышают силы связей, имеющих место при физической адсорбции низкомолекулярных компонентов СОТС. В результате этого, последние в большей степени снижают уровень поверхностной энергии деформируемого тела, что приводит к снижению усилий резания, повышению стойкости инструмента.

Изучение процессов, протекающих при ионизации СОТС, показало, что одновременно с заряженными частицами в струе ионизированного воздуха присутствует озон, который образуется из кислорода воздуха в коронном разряде. Озон является очень реакционоспособным соединением и как сильный окислитель наряду с ионами участвует в образовании оксидных пленок. Кроме того, продукты деструкции полимерной присадки, содержащиеся в СОТС, становятся более активными в присутствии кислорода. Как показывают результаты исследований, активация интенсифицирует окислительные процессы, повышает химическую активность среды, в результате чего происходит образование промежуточных неустойчивых соединений и различных радикалов, таких как О, ОН, СООН, Н2Ог и др.

Вторая глава посвящена материалам и общим методикам проведения экспериментальных исследований. В качестве обрабатываемых материалов использовались: конструкционная сталь 45, нержавеющая сталь 12Х18Н10Т и титановый сплав ВТ1-0. При выборе данных материалов учитывалась необходимость их применения в промышленности, наличие ценных конструкционных свойств, а также сложность механической обработки, нередко препятствующей их широкому применению.

В качестве режущего инструмента применялись: упорно-проходные резцы и спиральные сверла из быстрорежущей стали Р6М5 с геометрией: при точении нержавеющей стали: ср = 90°, ф] = 12°, у = 12°, а = 6°, а1=6°; титановых сплавов: ф = 90°, ср, = 12°, у =5°,а= 10°, а1=6°; углеродистых сталей и алюминиевых сплавов: ф = 90°, ф1 = 15°, у = 20°, а = 6°, а] = 6°, при сверлении - 2ф=118°.

Для исследования структурного состояния обрабатываемых материалов применялись методы металлографического и металлофизическо-го анализов. Для изучения поверхностного натяжения СОТС использовался метод сталагмометра. Измерение остаточных напряжений проводилось с помощью прибора «Ситон-тест». Для Получения коронного разряда использовался, разработанный в ИвГУ, ионизатор. Изучение, образованных на границе раздела соединений и структур, полученных

при резании с применением полимерсодержащих СОТС, проводилось с использованием электронной микроскопии методом тонких фольг.

Третья глава посвящена изучению процессов резания с использованием полимерсодержащей СОТС, активированной коронным разрядом различной полярности. На основании изучения литературных источников и физико-химических свойств полимеров были выбраны следующие вещества в качестве присадок к СОТС - это полиэтиленгликоль (ПЭГ) и поливиниловый спирт (ПВС) (табл. 1). Благодаря содержанию атомов кислорода, они обладают хорошей растворимостью в водных растворах. ПЭГ, и присадки на их основе является высокоэффективными полимерсодержащими СОТС, это доказано в результате проведенных исследований. Введение в состав СОТС ПВС приводит к улучшению их охлаждающих и антикоррозионных свойств.

Оптимальные концентрации полимеров в СОТС определялись по изменению поверхностного натяжения. Исследование поверхностного натяжения присадок, растворенных в СОТС, производили методом сталагмометра. Строились зависимости поверхностного натяжения от концентрации присадки.

Таблица1

Поли мер Химическая формула Молекулярная масса Плотность г/см3 Температура деструкции, °С

ПЭГ Н0-(-СН2СН20-)„-0Н 1000 1,12-1,21 245

ПВС . [-СНгСН (ОН)-]„ 8000 1,25 230

Полученные кривые имеют классический вид, который подразумевает два характерных участка. В области малых концентраций значение поверхностного натяжения быстро убывает. После достижения критической концентрации мицеллообразования (ККМ), поверхностная активность значительно снижается, и дальнейшее уменьшение поверхностного натяжения, за счет адсорбции молекул затруднено. По данным графикам были определены оптимальные концентрации растворенных полимеров, приводящих к наилучшему смазочному эффекту. Значение концентрации соответствуют точке ККМ. Для ПВС оптимальная концентрация в растворе составляет 0,6% по массе, а для ПЭГ — 3% по массе. С целью объяснения модифицирующего действия исследуемых присадок на СОТС, были изучены поверхностные свойства на границе обрабатываемый металл - СОТС. Для расчета использованы уравнения Юнга, Дюпре. К числу наиболее важных физико-химических явлений, происходящих в этих условиях, относится смачивание. Мерой смачива-

ния служит краевой угол в между смачиваемой поверхностью металла и поверхностью жидкости на площади смачивания.

Таблица 2

Физико-химические свойства Эфтол Эфтол+ПЭГ Этол+ПВС

Поверхностное натяжение, у,(103Н/м) 44,92 43,21 40,05

Краевой угол, в,град (cos 6) 26 0,89879 20 0.93969 17 0,9563

Работа смачивания (Ю^Н/м) 40,37 40,6 38,29

Работа адгезии (103Н/м) 85,21 83,84 78,31

Работа когезии (Ю^Н/м) 89,84 86,42 80,1

При статическом смачивании он связан с удельными свободными поверхностными энергиями взаимодействующих фаз утж, Уж- уравнением Юнга. Исходным продуктом для изготовления водных СОТС являются эмульсол - Эфтол (ТУ 0258-137-05744685-00). Для проведения исследований были приготовлены три различных по составу СОТС: СОТС 1 - 5% раствор эмульсола Эфтол в дистиллированной воде (в соответствии с ГОСТ 6709-72); СОТС 2 - 5 % раствор эмульсола Эфтол + 0,6 % присадки ПВС; СОТС 3 - 5% раствор эмульсола Эфтол + 3% присадки ПЭГ. Все рассчитанные значения указанных выше характеристик поверхностных свойств СОТС с новыми присадками приведены в таблице 2. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующий вывод, что растворение используемых в качестве присадок ВМС в СОТС уменьшает ее поверхностное натяжение, что в свою очередь позволяет улучшить смачивание обрабатываемой поверхности. А, как известно, смачивание жидкостью поверхностей заготовки и инструмента является необходимой предпосылкой для выполнения смазочного, моющего, охлаждающего, диспергирующего и демпфирующего действий СОТС.

Были проведены стойкостные испытания при использовании кислородсодержащих полимерных присадок в СОТС как с применением, так и без применения активации коронным разрядом.

Таблица 3

Знак заряда базовая СОТС (Эфтол) присадки

ПВС ПЭГ

без коронного разряда 0 1 1,16 1,13

в коронном разряде + 1,19 1,53 1,31

- 1,6 2,29 1,99

Как видно из представленных на рисунке 1 результатов исследований, активированные СОТС, имеющие в своем составе присадки полимеров, более эффективны, чем неактивированные. В таблице 3 приведены значения изменения стойкости инструмента при использовании данных присадок активированных коронным разрядом относительно базовой СОТС.

Рис. I.Диаграмма стойкости упорно-проходных резцов из быстрорежущей стали Р6М5 при точении стали 45 под действием коронного разряда различного знака на полимерсодержащие СОТС (\= 1,1м/с, Б-0,1мм/об, *-0,5мм):

1-без СОТС; 2-Эфтол;3-Эфтол+ПЭГ; 4-Эфтол+ПВС;5-Эфтол(+); б-Эфтол+ПЭГ('+); 7-Эфтол+ПВС(+); 8-Эфтол(-); 9-Эфтол +ПЭГ(-); 10-Эфтол +ПВС(-)

Использование полимерных присадок неактивированных коронным разрядом показало незначительную эффективность по сравнению с базовой СОТС. Предварительная активация позволяет повысить эффективность данных присадок по отношению к базовой СОТС. Причем как можно заметить, максимальная стойкость резцов наблюдалась при отрицательном знаке на коронирующем электроде с использованием в качестве присадки ПВС. В случае использования базовой СОТС, усиление эффективности наблюдается также при использовании отрицательного коронного разряда. Полученные результаты позволяют говорить о том, что присадки, проходя через зону действия коронного разряда, претерпевают деструкцию, т.е. происходят физико-химические процессы образования химически активных частиц - свободных радикалов и зарождение цепных реакций еще до контактной зоны. Далее осколки используемых молекул уже в виде активных радикалов попадают в зону

контакта, значительно повышая стойкость резцов вследствие образования пленок окислов на границе раздела инструмент - обрабатываемый материал, а тепло образующееся при экзотермической реакции окисления повышает температуру стружки, делает ее более пластичной в тонких слоях, в результате чего уменьшается расход энергии на трение и диспергирование обрабатываемого материала.

Исследование влияния активированной коронным разрядом поли-мерсодержащей СОТС при резании на шероховатость обработанной поверхности стали 45, 12Х18Н10Т, ВТ1-0 показали, что в присутствии среды среднее значение высоты микронеровностей снижается по сравнению с применением базовой СОТС (рис.2).

Рис.2.Шероховатость поверхности стали 45 при использовании резцов из быстрорежущей стали Р6М5 под действием коронного разряда различного знака на полимерсодержагцие СОТС (г=0,75м/с, Б=0,1 мм/об, 1=0,5мм):

1-всухую; 2-эфтол; 3-Эфтол+ПЭГ; 4-Эфтол+ПВС; 5-Эфтол(-); 6-Эфтол+ПЭГ(); 7-Эфтол+ПВС(-); 8-Эфтол(+); 9-Эфтол+ПЭГ(+); 10-Эфтол +ПВС(+)

Было замечено, что при увеличении скорости резания, средняя высота микронеровностей уменьшается. Активированные полимерсодер-жащие СОТС, улучшают трибологическую обстановку контактной зоны, что оказывает влияние на качество обработанной поверхности. Были проведены стойкостные испытания при использовании полимер-содержащих СОТС как с применением, так и без применения активации коронным разрядом.

Проведены исследования по изучению продольной усадки стружки. В качестве обрабатываемого материала использовалась сталь 45, в каче-

стве режущего инструмента применялись упорно - проходные резцы из быстрорежущей стали Р6М5 (НЯС 60). Анализ результатов показывает, что при использовании активации полимерсодержащих СОТС коронным разрядом на низких (0,5м/с) и средних (0,75м/с) скоростях резания стали 45 снижает коэффициенты продольной усадки стружки. Данные свидетельствуют о том, что СОТС с присадками полимеров, подвергнутые предварительной активацией коронным разрядом, обладают лучшей смазочной способностью, экранируя адгезию обрабатываемого материала с инструментальным.

Поскольку применение полимерных присадок к СОТС дало положительный эффект на процесс точения используемых материалов, то целесообразно было провести исследования при других видах обработки. Так было решено изучить эффективность данных СОТС на процессе сверления. Для исследования влияния активированных СОТС коронным разрядом на процесс сверления, была изготовлена приставка для измерения сил резания и крутящего момента. Ионизатор размещался на установке как показано на рисунке 3.

Были проведены эксперименты по определению крутящего момента при использовании полимерсодержащих СОТС как с применением, так и без применения активацией коронным разрядом. В качестве СОТС были использованы все те же вещества, с той же концентрацией, что и в предыдущих экспериментах. Данные полученные для стали 45 представлены на (рис.4). В результате проведенных исследований установлено, что активированная полимерсодержащая СОТС, улучшает смазочные свойства базовой и неактивированной полимерсодержащей СОТС, способствует уменьшению крутящего момента.

Рис.3.Схема подачи ионизированной СОТС в зону резания I - обрабатываемый материал,

2-режущий инструмент, 3 - емкость для подачи СОЖ, 4 — ионизатор

Так, использование в качестве присадки ПВС уменьшает Мкр по сравнению с базовой СОТС с 0,84 до 0,54 Н*м при сверлении стали 12Х18Н10Т. При сверлении стали 45 значение М„р для Эфтола составил 0,69Н*м, активированная полимерсодержащая СОТС позволила снизить Мкр до 0,45 Н*м. При обработке титанового сплава ВТ1-0 были полученные следующие значения М^ 0,39Н*м для базовой, использование активированной СОТС уменьшило М,,, до 0,26 Н*м.

Изучалось влияние активированных коронным разрядом полимер-содержащих СОТС на высоту микронеровностей Ra обработанной поверхности. Исследования проводились при сверлении стали 45, нержавеющей стали 12Х18Н10Т, титана ВТ1-0 сверлами, изготовленными из быстрорежущей стали Р6М5. При сверлении стали 45 с использованием активированной полимерсодержащей СОТС среднеарифметическое отклонение профиля Ra снижается относительно базовой СОТС на 42% при использовании Эфтол+ПВС(-) и на 35% с Эфтол+ПЭГ (-), при использовании положительной короны уменьшение Ra составило около 20% для обоих полимеров.

При обработке нержавеющей стали 12Х18Н10Т с использованием активированной полимерсодержащей СОТС так же было замечено снижение Ra, хотя и не такое значительное, как при сверлении стали 45. При использовании Эфтол+ПВС(-) уменьшение шероховатости составило 40%, ас Эфтол+ПВС(-) 23%.

Рис.4 Диаграмм крутящего момента при сверлении стали 45 с использованием активированных и неактивированных коронным разрядом полимерсодержащих СОТС (V=9,5 м/с, / = 3,35 мм, Б = 0,1 мм/об):

1) без СОТС; 2) Эфтол; 3) Эфтол (+);4) Эфтол(-■); 5) Эфтол+ПВС; 6) Эфтол+ПЭГ; 7) Эфтол+ПЭГ(+); 8) Эфтол+ПЭГ(-); 9) Эфтол+ПВС(+); 10) Эфтол+ПВС(-)

При положительно коронирующсм электроде снижение для присадки ПВС составило 30%, а для ПЭГ 11%. Было отмечено положительное влияние шероховатости обработанной поверхности активированных полимерсодержащих СОТС при обработке титанового сплава ВТ1-0. Использование Эфтол+ПВС(-) позволило уменьшить Яа на 37%, а Эф-тол+ПЭГ(-) на 33%. Положительная активация используемых СОТС дала снижение - Эфтол+ПВС(+) на 29%, а Эфтол+ПЭГ(+) на 27%.

Четвертая глава посвящена изучению механизма действия активированных СОТС с полимерными присадками при резании металлов. Исследованы зоны вторичных деформаций и определена микротвердость после обработки резанием. Корни стружек были получены методом падающего резца. Режущий инструмент был изготовлен из быстрорежущей стали Р6М5, в качестве обрабатываемого материала использовалась сталь 45. Свободное резание происходило при следующих параметрах: для стали 45 - V- 0,5 м/с., 5= 0,1 мм/об.

В данном эксперименте использовались различные варианты технологических сред: точение без СОТС, с подачей активированных и неактивированных СОТС. При обработке стали 45 с использованием различных технологических средств наблюдался нарост. Из полученых данных можно проследить, что активированные полимерсодержащие СОТС оказывают положительное действие, на процесс резания, по сравнению с резанием без СОТС и с применением неактивированной СОТС снижая величину зон вторичных деформаций.

Таблица 4

Значения угла сдвига при точении стали 45

Применяемая СОТС без СОТС Эфтол Эфтол(+) Эфтол(-) Эфтол+ПВС Эфтол+ПЭГ т Ь ? і о Эфтол+ПВС(+) Эфтол+ПЭГ(-) Эфтол+ПВС(-)

Угол сдвига 11 14 17 17 17 16 19 18 24 28

Р, град

Таким образом, активация СОТС с присадками полимеров позволило уменьшить величину зон вторичных деформаций, что подтверждает ее хорошую смазочную способность. Были определены углы сдвига р для стали 45 с использованием различных СОТС. Результаты расчетов представлены в таблице 4.

Величину деформированного слоя определяли по распределению твердости с поверхности вглубь материала. В качестве обрабатываемых материалов использовались сталь 45, 12Х18Н10Т, ВТ1-0. Из построенных зависимостей можно сделать вывод, что максимальное значение микротвердости на поверхности. При продвижении вглубь образца, она плавно понижается до значения микротвердости матрицы.

При использовании в качестве обрабатываемого материала стали 45 наибольшие значения микротвердости было зафиксировано при резании без использования СОТС (40-42 мкм). С использованием в качестве как неактивированных, так и активированных СОТС снижает не только поверхностное значение твердости, но и глубину деформированного слоя. Наименьшее значение микротвердости и глубины деформированного слоя было получено при использовании ПВС и ПЭГ в качестве исследуемых присадок, активированных отрицательным зарядом (20-22 мкм).

Исходя из данных полученных при измерении микротвердости стали 45, можно сделать вывод, что активированные полимерсодержащих СОТС более благоприятно влияют на процесс стружкообразования, чем неактивированных. Полученные данные при резании нержавеющей стали 12Х18Н10Т, показали, что глубина деформированного слоя при резании без СОТС составила (43-45 мкм). Применение активированных полимерсодержащих СОТС, способствовало уменьшению микротвердости и глубины деформированного слоя (20-25 мкм). Наилучшие результаты были получены при использовании в качестве присадки к СОТС ПВС активированной обоими знаками. По изменению микротвердости титана ВТ1-0, можно судить, что величина зоны деформации уменьшается при действии в зоне резания активированных коронным разрядом полимерсодержащих СОТС. Так при резании без применения СОТС глубина деформированного слоя ВТ1-0 составила 48-50 мкм. Использование же активированных полимерсодержащих СОТС позволило уменьшить глубину деформированного слоя до 18 мкм.

Весьма низкая теплопроводность титановых сплавов и присущая им относительно высокая температура рекристаллизации, а также значительная жаропрочность, обусловливают большую величину фактора упрочнения стружки при их резании, а, следовательно, большую величину углов скольжения, малую усадку стружки и сравнительно невысокую интенсивность пластического деформирования срезаемого слоя при превращении его в стружку.

Были произведены исследования остаточных напряжений в поверхностных слоях стали 45 и титанового сплава ВТ1-0 после обработки инструментом изготовленного из быстрорежущей стали марки Р6М5. Для стали 45 были выбраны следующие параметры резания: V- 0,5 м/с,

5 = 0,1 мм/об, * = 0,5 мм; для титанового сплава: V = 0,35 м/с, 5 = 0,1 мм/об, I = 0,5 мм. При резании стали 45 напряжения в поверхностном слое были сжимающими. Наименьшие остаточные напряжения по всей глубине залегания наблюдались после обработки с применением отрицательно активированной полимерсодержащей СОТС (рис.5). Далее по уменьшению значимости полученных эффектов идут положительно активированные и неактивированные СОТС. Было замечено незначительное уменьшение остаточных напряжений при использовании неакгивированных полимерсодержащих СОТС. Наибольшие сжимающие напряжения наблюдались при использовании положительно активированной полимерсодержащей СОТС. Из полученных данных можно сделать вывод, что отрицательно активированные СОТС уменьшают остаточные напряжения, что свидетельствует об облегчении процесса резания. При положительной активации происходит увеличение остаточных напряжений, следовательно, процесс резания ухудшается. Уменьшение остаточных напряжений, при применении отрицательно активированной полимерсодержащей СОТС, связано с облегчением процесса деформации металла в ходе резания, а это, в свою очередь можно объяснить возникновением активных радикалов в зоне обработки. Изучение остаточных напряжений в поверхностных слоях титанового сплава ВТ 1-0 выявили присутствие растягивающих напряжений.

отрицательная активация Рис.5. Остаточные напряжения после точения стали 45 (V = 0,5м/с, Б = 0,] мм/об., Г = 0,5 мм)

При использовании неакгивированных СОТС, изменение остаточных напряжений зафиксировано не было. Положительная активация способствовала незначительному увеличению поверхностных растягивающих напряжений, изменения наблюдаются на глубине 150-350 мкм. Причем стоит заметить, что эмульсия при данной активации наоборот, уменьшает напряжения. Введение отрицательно активированных сред способствует снижению напряжений на глубине от 150 до 300 мкм на величину. Здесь, как и в исследовании остаточных напряжений стали 45, можно предположить, что возникновение активных радикалов в процессе деструкции полимерных присадок приводит к изменению остаточных напряжений на поверхности обработанного материала.

Для выявления полученных в ходе резания структур, были сняты дифракции с поверхности стружки. После расчетов межплоскостных расстояний пленок, образованных при резании с использованием активированных полимерсодержащих СОТС были получены следующие результаты :при резании без использования СОТС значения межплоско-сгных расстояний соответствовали оксиду железа Fe}04. При использовании СОТС с присадками полимеров сохранялось наличие оксида Fe304, а так же наблюдались линии, соответствующие межплоскостным расстояниям FeO и Fe(OH)2, не зависимо от знака на электроде.

Также было произведено экспериментальное изучение структуры и топографии поверхностей прирезцовой стороны стружки стали 45. Изучались изменения внешнего вида поверхностей, образованных при резании с использованием в качестве СОТС, активированной коронным разрядом полимерсодержащей СОТС и вид вторичных структур, образовавшихся в результате протекания в контактной зоне физико-• химических процессов между компонентами внешней среды и трибо-сопряженными металлическими поверхностями. Проведенными исследованиями установлено, что при резании стали 45 на обработанной поверхности фиксировались фрагменты структур, отличных от матричного металла. Наибольшее количество этих фрагментов отмечено при наличии отрицательно активированной полимерсодержащей СОТС. С учетом выше изложенного, наблюдаемые фрагменты были классифицированы как вторичные структуры, образованные в результате взаимодействия компонентов внешней среды с ювенильными поверхностями в контактной зоне.

Предварительная активация СОТС содержащей присадки ВМС 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. Напрашивается следующий вывод, что полимер находящиеся в СОТС проходит стадию деструкции, и

соответственно разрушается с образованием активных радикалов. Образовавшиеся радикалы, попадая в контактную зону резания, вступают в химические реакции. Как видно из расчета межплоскостных расстояний продуктом этих реакций является различные модификации оксида железа FeO, Fe304. 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.

Основные результаты и выводы:

1. Установлено, что применение метода активации коронным разрядом СОТС с кислородсодержащими полимерными присадками, позволяет увеличить стойкость инструмента при обработке стали 45 в 1,9 -2,3 раза по сравнению с применение базовой СОТС; улучшает характеристики процесса резания и качество обработанных поверхностей.

2. Установлено положительное влияние активированных полимер-содержащих СОТС на процесс сверления материалов. При использовании данных СОТС зафиксировано уменьшение величины крутящего момента на 35-45%, при уменьшение шероховатости обработанной поверхности на 30-40% по отношению к базовой СОТС.

3. Активированные присадки увеличивают условный угол сдвига и уменьшают поверхностное значений твердости с 250 до 225 кг/лш2 и глубину деформированного слоя, что объясняется изменением условий взаимного перемещения трибосопряженных поверхностей инструментального и обрабатываемого материала.

4. Установлено, что максимальное уменьшение величины остаточных напряжений составляет величину порядка 20% по сравнению с базовой СОТС и порядка 10% по сравнению с положительно активированной СОТС.

5. Исследование влияния коронного разряда на полимерсодержащие СОТС при обработке металлов резанием показало, что при отрицательном знаке на коронирующем электроде эффект от данных присадок был значительным по сравнению с положительным знаком.

6. Выявлен механизм действия кислородсодержащих полимерных СОТС на процесс резания, который заключается в интенсификации образования в зоне контакта оксидов типа FeO, Fe304, которые оказывают эффективное действие по уменьшению адгезионных взаимодействий между инструментальным и обрабатываемым материалом, улучшающим трибологическую обстановку контактной зоны.

7. Расчетный экономический эффект от внедрения технологии охлаждения и смазки быстрорежущего инструмента путем применения

активированных коронным разрядом полимерсодержащих СОТС составил 2592,76 руб. на 1 станок в год, по сравнению с базовой СОТС (Эф-тол).

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях

1. Репин Д.С., Маршалов М.С., Латышев В.Н., Наумов А.Г., Раднюк В.С., Курапов КВ., Жуковский С.А., Ткачук О.В. Экспериментальные исследования трибологических явлений при резании материалов // Трение и износ. - 2010. - Т. 31. - № 5. - С. 500—510, (автора - 0.1 пл.)

2. Репин Д.С., Латышев В.Н., Наумов А.Г. Влияние активированных полимерсодержащих СОТС при обработке металлов резанием // Металлообработка. - 2011. - №4(65). - С. 2-4, (автора - 0,1 пл.)

3. Репин Д.С. Влияние коронного разряда на эффективность по-лимерсодержащей СОТС при обработке металлов резанием // Материалы межд. научн.- техн. конф. «Состояние и перспективы развития электротехнологии», 1-3 июня Иваново : ИГЭУ, 2011. - С. 341-343 (автора -0,2 пл.)

4. Репин Д.С., Латышев В.Н. Полимерные и кислородсодержащие присадки к СОТС при металлообработке // Техника и технологии трибологических исследований: тез. докл. 2-го междунар. семинара. 22-23 октября Иваново : Иванов.гос.ун-т, 2009. - С. 63, (автора - 0,03п.л.)

5. Репин Д.С., Латышев В.Н. Исследование СОЖ с полимерными присадками // Физика, химия и механика трибосистем. Межвуз. сб. научн. тр. Иваново : Иванов.гос.ун-т, 2008. - Вып. 7. - С. 146—148, (автора -0,1 пл.)

6. Репин Д.С., Латышев В.Н. Влияние полимер- и кислородсодержащих СОТС на эффективность резания металлов // Физика, химия и механика трибосистем: Межвуз. сб. науч. тр. Иваново : Иванов.гос.ун-т, 2009. -Вып. 8. - С. 147-149, (автора-0,1 пл.)

7. Репин Д.С., Латышев В.Н. Исследование эффективности активированных коронным разрядом полимерсодержащих СОТС при обработке металлов резанием И Физика, химия и механика трибосистем. Межвуз. сб. научн. тр. Иваново : Иванов.гос.ун-т, 2011. - Вып. 10. - С. 102—106, (автора-0,15 пл.)

8. Репин Д.С. Колебания температуры при резании материалов // Материалы межд. научн.- техн. конф. «Состояние и перспективы развития электротехнологии», 27-29 мая Иваново : ИГЭУ 2009. - С. 134, (автора -0,06 пл.)

9. Репин Д.С., Латышев В.Н. Влияние полимерных присадок и озона введенных в СОТС на температуру резания при точении стали 45 // Тез. докладов научных конференций фестиваля студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодая наука в классическом университете», 20 - 24 апреля Иваново : Иванов.гос.ун-т, 2009. - С.69, (автора-0,03 п.л.)

10. Репин Д.С., Латышев В.Н. Влияние СОТС с полимерными присадками на качество поверхности // Тез. докладов научных конференций фестиваля студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодая наука в классическом университете», 20-30 апреля Иваново : Иванов.гос.ун-т, 2010. - С.53, (автора-0,03 пл.)

11. Репин Д.С., Латышев В.Н. Полимерные присадки к СОТС // «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (поиск -2010)», Иваново : ИГТА, 2010. - С. 148, (автора - 0,03 пл.)

12. Репин Д.С., Латышев В.Н. Шероховатость поверхности при использовании полимерсодержащих СОТС // Физика, химия и механика три-босистем: Межвуз. сб. науч. тр. Иваново : Иванов.гос.ун-т, 2010. - Вып. 9. - С. 150-153, (автора-0,15 п.л.)

РЕПИН Денис Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ БЫСТРОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ АКТИВИРОВАННОЙ СОТС С КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИМИ ПОЛИМЕРНЫМИ ПРИСАДКАМИ

специальность 05.02.07 — технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать: 20.04.2012 Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл. печл.1.16. Уч.-изд. л.0.9. Тираж-100 экз. Издательство «Ивановский государственный университет» 153025, г. Иваново, ул. Ермака, 39 тел. (4932) 93-43-41 Е-таП:риЬК5Ьег@1Уап0У0.ас.ги

61 12-5/3631

Ивановский государственный университет

ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ БЫСТРОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ АКТИВИРОВАННОЙ СОТС С КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИМИ ПОЛИМЕРНЫМИ ПРИСАДКАМИ

05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

На правах рукописи

РЕПИН Денис Сергеевич

Специальность:

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор ЛАТЫШЕВ Владимир Николаевич

Иваново - 2012

РЕФЕРАТ

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав и списка литературы, содержит 120 страницы печатного текста, 11 таблиц, 49 рисунков, 109 литературных источников.

Цель работы: Повышение стойкости быстрорежущего инструмента и улучшение качества обработанных поверхностей путем применения активированной СОТС с кислородсодержащими полимерными присадками.

Объект исследования. Быстрорежущий инструмент, применяемый на операциях точения и сверления.

Основные результаты: Исследовано влияние активированной коронным разрядом полимерсодержащей СОТС на работоспособность быстрорежущего инструмента. Определена оптимальная концентрация полимерных присадок в используемой эмульсии. Определены режимы работы ионизатора для данных концентраций, обеспечивающие наибольшую износостойкость и лучшее качество обработанных поверхностей.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................6

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ............................................................................................................................................9

1.1. Общие сведения о механизме действия СОТС..............................................................9

1.2. Свободно-радикальный характер взаимодействия СОТС

с ювенильными поверхностями металлов....................................................................................14

1.3. Роль радикалов в процессах металлообработки............................................................17

1.4. Повышение эффективности СОТС в результате их активации физическими методами..................................................................................................................................20

1.5. Активация СОТС коронным разрядом..................................................................................23

1.6. Использование полимерных смазок и полимерных присадок к СОТС при трении..................................................................................................................................................................................28

1.7. Полимерные присадки к СОТС при обработке металлов резанием............32

1.8. Влияние ионизированной СОТС на процесс резания металлов........................37

1.9 Выводы по литературному обзору и постановка задач исследования... 39 ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 41

2.1. Материалы и общая методика исследований..................................................................41

2.2. Методы металлографического и металлофизического анализов..................42

2.3. Метод измерения поверхностного натяжения и краевого угла........................43

2.4. Исследование остаточных напряжений................................................................................45

2.5. Установка для активации СОТС..................................................................................................47

2.6. Микродифракционные исследования вторичных структур..............................48

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ АКТИВИРОВАННЫХ СОТС С ПРИСАДКАМИ ПОЛИМЕРОВ НА ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ МЕТАЛЛОВ........................... 50

3.1. Изучение высокомолекулярных соединений как присадок к СОТС...... 50

3.2. Исследование влияния активированных полимерсодержащих

СОТС на процессах точения и сверления............................................. 55

3.3. Исследование влияния активированной полимерсодержащей

СОТС на шероховатость обработанной поверхности............................ 70

3.4. Исследование влияния активированных полимерсодержащих

СОТС на усадку стружки.................................................................. 78

3.5 Вывод по главе 3..................................................................... 82

ГЛАВА 4. О МЕХАНИЗМЕ ДЕЙСТВИЯ АКТИВИРОВАННЫХ СОТС С ПОЛИМЕРНЫМИ ПРИСАДКАМИ ПРИ РЕЗАНИИ

МЕТАЛЛОВ....................................................................................................... 84

4.1.Электронно-графические исследования вторичных структур прирезцовой стороны стружки при резании с использованием активированной полимерсодержащей СОТС................................................. 84

4.2. Исследование зон вторичных деформации и глубины деформированного слоя после обработки резанием....................................... 95

4.3. Исследование остаточных напряжений в поверхностном слое............................103

4.4. Расчет экономической эффективности использования

активированных полимерсодержащих СОТС................................................................................108

4.5. Выводы по главе 4................................................................................................................................................................................Ю9

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 110

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 112

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ВМС - высокомолекулярные соединения

иге - ионизированная газовая среда

кэ - коронирующий электрод

мкр - крутящий момент

ПАВ - поверхностно-активное вещество

СОЖ - смазочно-охлаждающая жидкость

сотс - смазочно-охлаждающее технологическое средство

сэо - сухое электростатическое охлаждение

f - коэффициент трения

V - скорость резания, м/мин (м/с)

Яа - среднеарифметическое отклонение профиля

- высота неровностей профиля

8 - подача инструмента, мм/об

8 щ - средний шаг неровности профиля

т - глубина резания, мм

ВВЕДЕНИЕ

Одним из более важных направлений повышения работоспособности режущих инструментов и совершенствование процессов обработки металлов резанием является широкое применение смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС).

Интенсификация процессов механической обработки металлов, внедрение высокопроизводительного оборудования, автоматизированных процессов, приводят к тому, что обработка металлов резанием зачастую становится затруднительной без применения эффективных СОТС. В связи с разнообразием требовании, предъявляемых к СОТС для механической обработки металлов, в них вводят компоненты различного функционального действия. Применение в качестве присадок высокомолекулярных соединений, по - мнению многих авторов [75,87], способствует улучшению смазочных свойств СОТС. Из анализа результатов исследований по данной тематике следует отметить направление по использованию в качестве эффективных присадок к СОТС высокомолекулярных соединений. Данный вид присадок эффективен, благодаря глубокому и многостороннему воздействию на физико-химические и механические процессы и явления, происходящие в зоне резания.

Установлено, что процесс образования химически активных компонентов смазочной среды (атомов, ионов, свободных радикалов, ион-радикалов) можно интенсифицировать различными внешними энергетическими воздействиями на технологическое средство. Компоненты СОТС, подвергнутые предварительной активации, получают дополнительную энергию, что переводит их в метастабильное состояние. Это состояние характеризуется ослаблением или частичным нарушением внутримолекулярных связей, т.е. стимулируется деструкция СОТС с образованием активных атомов, радикалов и групп [63]. Именно эти активные элементы образуют в зоне контакта пленки, которые в свою

очередь экранируют адгезионное взаимодействие поверхностей инструмента и обрабатываемого материала [52].

Высокая эффективность и универсальность действия полимерсодержащей СОТС обусловлена наличием в его составе растворенных или диспергированных присадок высокомолекулярных соединений. Данные присадки проходят стадии преобразований - процесс термомеханодеструкции в контактной зоне резца и стружки. Аналогичный результат имеет место и в процессе физической активации.

Настоящая диссертация посвящена исследованию влияния активации полимерсодержащей СОТС коронным разрядом на процессах точения и сверления.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Выявлена взаимосвязь изменения характеристик резания (стойкость режущего инструмента, усадка стружки, развитость зон вторичной деформаций) и воздействия на исследуемую СОТС коронным разрядом.

2. Установлены закономерности изменения шероховатости обработанных поверхностей, величины остаточных микронапряжений при использовании в качестве СОТС полимерсодержащих средств активированных коронным разрядом.

3. Установлен механизм смазочного действия СОТС имеющие в своем составе кислородсодержащие полимерные присадки.

Практическая ценность работы:

1. Разработана рекомендация по использованию кислородсодержащих полимерных присадок к СОТС для ОАО «ИВХИМПРОМ».

2. Определена оптимальная концентрация присадок ВМС в используемой эмульсии. Определены режимы работы ионизатора для данных концентраций. Изучены физико-химические свойства получаемых смазочных композиций.

3. Получены данные по влиянию полимерных присадок на характеристики процесса резания Ст. 45, 12Х18Н10Т и ВТ1-0.

Основные положения диссертации докладывались на 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 2008, 2009, 2010, 2011), на 2-ом международном научно-практическом семинаре «Техника и технологии трибологических исследований» (Иваново, 2009), на международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехники» (XVI Бенардовские чтения, Иваново 2011).

Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 12 научных работах, в т.ч. в 2 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, 5 статьях в межвузовских сборниках научных трудов, 1 тезисах докладов на международных конференциях и 4 тезисах докладов конференций регионального уровня.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю академику Академии технологических наук РФ, заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, д.т.н., профессору В.Н.Латышеву; доктору технических наук А.Г. Наумову; 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.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общие сведения о механизме действия СОТС

Изучению механизма действия СОТС при резании металлов посвящены многие исследования. Уже ранние работы [17,28,30,36,80,81] показали, что применение при резании металлов минеральных масел и животных жиров, активированных присадками серы, уменьшает трение и износ инструмента за счет образования на трущихся поверхностях смазочных масляных пленок. Эти работы дали первые сведения о возможности химических реакций между внешней средой и поверхностью металлов. Относительно высокая смазочная эффективность традиционно используемых СОТС, в основном обусловлена низким коэффициентом контактного трения между инструментом и обрабатываемым металлом, а также наличием некоторого облегчения пластического деформирования обрабатываемого металла вследствие адсорбции на его поверхности поверхностно-активных веществ - известный эффект Ребиндера [64].

Именно научная школа П.А. Ребиндера начала всестороннее исследование влияния ПАВ на процесс деформации и разрушения металлов. Ими было установлено, что растворы ПАВ оказывают большое влияние на механические свойства моно- и поликристаллов в процессе пластической деформации. В частности у некоторых металлов возрастает хрупкость под влиянием поверхностно-активных веществ, что приводит, в конечном, счете, к снижению прочности деформируемого металла. В другом случае адсорбция ПАВ на поверхности деформируемого металла способствует образованию тончайшего пластифицированного слоя, который оказывает влияние на объемную деформацию глубинных слоев [43].

В период 50-х годов иностранными учеными Р.Барлов [101], В. Кениг и Н.Дидерих [106], М.Мерчант [65], М.Трент [92], А.Шоу и Ц.Янг [107] с по-

мощью новейших, на тот момент времени, методов исследования физико-химический явлений, сопровождающих процессы резания, удалось получить ряд важных результатов. Основной вывод из их работ заключается в том, что в основе смазочного действия среды лежат физические и химические явления, проявляющиеся в образовании пленок на контактирующих поверхностях.

Таким образом, механизм смазочного действия среды при резании заключается в образовании на граничных поверхностях вторичных структур, в той или иной степени предотвращающих непосредственное взаимодействие металлов фрикционной пары. В зависимости от обстоятельств это могут быть:

— хемосорбированные и адсорбированные атомы и молекулы внешней среды,

— пленки химических соединений,

— слои твердых растворов атомов среды в кристаллических решетках контактирующих металлов [60].

Исследуя влияние состава СОТС на коэффициенты трения стружки с передней поверхностью, H.H. Зорев установил, что СОТС оказывает влияние на процесс резания исключительно за счет снижения коэффициентов трения стружки с передней поверхностью резца. Так же H.H. Зорев отмечает, что при увеличении удельных давлений на резец свыше некоторых критических величин смазочная пленка разрывается, и влияние СОТС на коэффициенты трения прекращаются [40].

Изучению смазочного действия СОТС при резании металлов посвящены многие работы, выполненные научными школами М.И. Клушина, В.Н. Латышева. В работе [12,16], отмечается, что обрабатываемость металлов резанием в первую очередь зависит от комплекса свойств самого обрабатываемого металла, а также в большей степени от многих свойств инструментального режущего материала. Но так как обрабатываемый металл и режущий инструмент находятся в активном физико-химическом взаимодействии с

внешней средой как естественной, так и искусственно вводимыми в зону резания, последние являются также весьма существенными факторами обрабатываемости металлов резанием. Свойства взаимодействующих при резании трех тел, а также условиями взаимодействия между поверхностями фрикционных пар определяются реальные механизмы, интенсивности и результаты взаимодействия. От этого, в свою очередь, зависит процесс стружкообразо-вания, качество обработанной поверхности изделия и износ рабочих граней режущего инструмента.

Смазочное действие внешней среды обусловлено ее способностью проникать в зоны контакта фрикционных пар и способностью вступать в активное физико-химическое, химическое и электрохимическое взаимодействие с непрерывно вновь образующимися при резании поверхностями на стружке, обрабатываемой заготовке и режущем инструменте.

Установлено [13], что минеральные масла при низких скоростях резания создают пленки за счет соединения серы и смолообразных продуктов находящихся в их составе. Но в основном смазочное действие осуществляет кислород воздуха, эффективность которого усиливается за счет каталитического влияния на окислительные процессы углеводородных компонентов масел. При высоких скоростях резания эффективное действие минеральных масел связано с образованием продуктов полимеризации углеводородов, выполняющих роль твердой смазки.

Эффективные СОТС за счет смазочного и охлаждающего действия, снижают контактные температуры, причем способность их снижать температуру проявляется не одинаково в различных микрозонах контакта [15,18,91]. По мере приближения к режущей кромке эффективность действия СОТС возрастает. Это говорит о том, что основным эффектом, вызывающим снижение температуры является способность среды проникать в зону трения, образовывать пленки на металлических поверхностях и, тем самым, ликвидировать или уменьшать адгезионную составляющую силы трения.

Влияние температуры на скорость химических реакций также очень велико. В условиях резания, вследствие неравномерного распределения температуры по ширине и длине контакта стружки с резцом, а также наличия зон локальных вспышек, химические реакции могут происходить на отдельных участках резца. Это было зафиксировано в работах Латышева В.Н. и Наумова А.Г. на стали 45 с применением различных СОТС. В большинстве случаев температура в зоне резания практически всегда бывает достаточной для термодеструкции технологических средств и протекания химических реакций. В результате неравномерного распределения температуры и удельных давлении по длине контакта на различных участках передней поверхности образуются различные соединения: оксиды, сульфиды, хлориды, дийодиды металлов. Рентгеноструктурный анализ и электронно-микроскопические исследования показали, что на участках, непосредственно примыкающих к режущей кромке, образуются пленки сульфидов, хлоридов, дийодидов, а в точках отрыва стружки от резца - оксиды металлов (рис. 1.1).

Темпер�