автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование технологии лезвийной обработки путем охлаждения зоны резания ионизированным в вихревых потоках воздухом

На правах рукописи

АСОСКОВ Александр Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ ПУТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЗОНЫ РЕЗАНИЯ ИОНИЗИРОВАННЫМ В ВИХРЕВЫХ ПОТОКАХ ВОЗДУХОМ

Специальности: 05.02.08 — Технология машиностроения

05.02.07 — Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

28 ОКТ 2015

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2015

005564044

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научные руководители - доктор технических наук, профессор

Курносов Николай Ефимович; кандидат технических наук, доцент Тарнопольский Александр Владимирович

Официальные оппоненты: Наумов Александр Геннадьевич,

доктор технических наук, профессор, почетный работник науки и техники РФ, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет» (г. Иваново), заведующий лабораторией физико-технических исследований, руководитель трибологиче-ского научно-образовательного центра ИвГУ;

Носенко Владимир Андреевич,

доктор технических наук, профессор, Волжский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» (г. Волжский), заместитель директора по учебной работе, заведующий кафедрой «Технология и оборудование машиностроительных производств».

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный

авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» (г. Рыбинск).

Защита диссертации состоится 19 ноября 2015 г., в 13.00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет». Диссертация размещена на сайте http://dissov.pnzgu.ru/ecspertiza/asoskov.

Автореферат разослан 15 октября 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета . Воячек Игорь Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Качество ответственных поверхностей при токарной обработке можно повысить применением новых лезвийных инструментов, назначением рациональных режимов обработки и использованием эффективных смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС).

В настоящее время при лезвийной обработке конструкционных сталей в качестве СОТС преимущественно используются смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ). Существенным недостатком применения СОЖ являются значительные затраты на закупку, очистку, хранение и утилизацию, включая нейтрализацию их вредного воздействия на окружающую среду.

Перспективным способом повышения качества поверхностей деталей с меньшими, чем применение СОЖ, затратами при лезвийной обработке является MMS-технология (Minimal Mengen Schmier). Однако реализация; MMS-технолопш требует переоборудования станка и внесения изменений в конструкцию режущих инструментов для подачи в зону резания масляного аэрозоля. В ряде случаев применение СОЖ и MMS-технолопш крайне нежелательно, например при изготовлении деталей вакуумных камер и приборов. В отдельных случаях жидкости неприменимы в условиях прерывистого резания твердосплавным инструментом.

Более совершенной разновидностью СОТС является ионизированный и охлажденный воздух. Подача в зону резания ионизированного и охлажденного воздуха позволяет повысить качество поверхностей деталей и обеспечивать стойкость лезвийных инструментов в тех же диапазонах параметров, что и при использовании СОЖ и MMS-технологии, но при меньших затратах. Однако для получения ионизированного воздуха обычно используют электрический коронный ионизатор, устанавливаемый на холодном конце вихревой трубы, что приводит к усложнению оборудования, необходимости интегрирования устройства в рабочее пространство станков, к дополнительным затратам на создание устройств, расходу электроэнергии и необходимости обеспечения безопасных условий работы оператора станка.

Получить ионизированный и охлажденный воздух можно с помощью вихревых потоков. По сравнению с конструкциями, содержащими вихревые трубы с установленными коронными ионизаторами, устройства, ионизирующие и охлаждающие воздух в вихревых потоках, имеют меньшую стоимость, экономят электроэнергию, более компактны и просты в управлении.

Однако для проектирования технологических процессов токарной обработки необходимо исследовал, процесс ионизации воздуха в вихревых потоках и его влияние на показатели качества поверхностей деталей и стойкость инструментов. Поэтому тема диссертационной работы, направленная на обеспечение качества поверхностей деталей и снижение затрат на лезвийную обработку применением в качестве СОТС воздуха, ионизированного и охлажденного в вихревых потоках, является актуальной.

Цель работы - совершенствование процесса лезвийной обработки при технологическом обеспечении показателей качества поверхностного слоя и повышении стойкости лезвийного инструмента путем подачи в зону резания СОТС в виде ионизированного и охлажденного в вихревых потоках воздуха и разработка оборудования для его получения.

Объект исследования - технологические операции лезвийной обработки деталей из конструкционных сталей и оборудование, генерирующее ионизированный и охлажденный воздух в качестве СОТС.

Предмет исследования - установление взаимосвязей технологического режима токарной обработки и параметров ионизированного и охлажденного в вихревых потоках воздуха с показателями качества обрабатываемых поверхностей деталей и стойкостью лезвийного инструмента.

Основными задачами исследования являются следующие:

1. Выполнить анализ существующих способов технологического обеспечения качества поверхностей и снижения затрат на лезвийную обработку деталей из конструкционных сталей.

2. Разработать устройство для ионизации и охлаждения воздуха в вихревых потоках на основе баллоэлекгрического эффекта.

3. Выполнить исследования температуры в зоне резания и стойкости лезвийного инструмента при токарной обработке с охлаждением ионизированным воздухом.

4. Установить .влияние параметров технологического режима лезвийной обработки и концентрации ионов в ионизированном воздухе на шероховатость и микротвердость поверхности

5. Исследовать влияние охлаждения ионизированным воздухом на остаточные напряжения в поверхностном слое детали при токарной обработке.

6. Разработать методику назначения технологических режимов токарной обработки при подаче в зону резания ионизированного воздуха для обеспечения требуемых шероховатости и микротвердости поверхностей деталей из конструкционных сталей.

7. Разработать рекомендации по применению охлажденного ионизированного в вихревых потоках воздуха для совершенствования существующих и проектирования новых технологических процессов изготовления деталей из конструкционных сталей.

8. Определить технико-экономический эффект от внедрения вихревого ионизирующего устройства на производстве.

Научная гипотеза - возможность замены жидких СОТС на ионизированный воздух, полученный с помощью вихревых потоков, при лезвийной обработке деталей из конструкционных сталей.

Методы исследований.

Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений технологии машиностроения, резания материалов, методов математического моделирования и планирования экспериментов.

Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и производственных условиях с использованием аттестованных приборов и средств измерения. Результаты исследований обработаны с применением программных пакетов ЬОгар1г2, Ма&сас113 и других программ.

Научная новизна.

По специальности 05.02.08 (пп. 2, 4,7 паспорта специальности):

1. Впервые установлены взаимосвязи концентрации ионов в ионизированном воздухе, параметров технологического режима лезвийной обработки с шероховатостью и микрогоердостыо поверхности и предложена методика проектирования операций токарной обработки с применением воздушной ионизированной СОТС, позволяющая рационально обеспечивать качество поверхностного слоя деталей с заданными показателями.

2. Установлено, что повышение концентрации ионов в потоке воздуха позволяет увеличить скорость резания и снизить себестоимость обработки деталей.

По специальности 05.02.07 (пп. 3,5 паспорта специальности):

Установлены возможность и условия ионизации увлажненного воздуха в вихревых потоках и разработано устройство для эмиссии ионизированного воздуха на основе баллоэлекгрического эффекта и его подачи в зону резания, что обеспечивает эффект смазки при лезвийной обработке и повышение стойкости инструмента.

Практическая ценность работы.

1 Даны рекомендации и разработан алгоритм назначения рациональных режимов токарной обработки при подаче в зону резания ионизированного воздуха, реализованный в программе МаШсас!.

2 Разработано простое и эффективное устройство для ионизации и одновременного охлаждения воздуха (патент РФ № 125915), а также подачи его в зону резания в качестве СОТС при лезвийной обработке деталей из конструкционных сталей, что позволяет уменьшить затраты на обработку, частично или полностью отказаться от применения СОЖ.

На защиту выносятся:

1 Установленные взаимосвязи давления, влажности воздуха на входе в вихревое ионизирующее устройство, конструктивных параметров устройства и концентрации ионов на выходе из него.

2 Результаты исследования влияния ионизированного и охлажденного в вихревых потоках воздуха, подаваемого в зону резания, на снижение температуры в зоне контакта инструмента с заготовкой и повышение скорости

резания при токарной обработке.

3. Эмпирические модели формирования высотных характеристик шероховатости и микротвердости поверхности при охлаждении зоны резания ионизированным в вихревых потоках воздухом.

4. Результаты исследования остаточных напряжений в поверхностном слое при точении деталей из конструкционных сталей с охлаждением зоны резания ионизированным воздухом.

5. Методика назначения режимов лезвийной обработки деталей го конструкционных сталей при использовании ионизированного и охлажденного воздуха для обеспечения требуемых качественных показателей поверхности.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются результатами экспериментальных исследований и их теоретическим обоснованием, использованием аттестованных приборов и средств измерений, проверкой полиномиальных эмпирических моделей на адекватность, внедрением результатов работы на производстве.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII Всероссийской научно-практической конференции «Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении» (г. Пенза, 2010 г.), V Международной научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (г. Пета, 2010 г.), VI Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (г. Пенза, 2010 г.), XI Международной научно-методической конференции «Университетское образование» (г. Пенза, 2010 г.), XV Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г.Пенза, 2011г.), I Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в машиностроительном комплексе» (г.Пенза, 2011г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г.Пенза, 2011 г.), П Республиканской научно-технической конференции с международным участием «Промышленность региона: проблемы и перспективы инновационного развития» (Беларусь, г. Гродно, 2012 г.), Международной заочной научно-практической конференции «Наука и техника в современном мире» (г. Новосибирск, 2012 г.), П, IV, V Международной научно-практической конференции «Разработка и внедрение ресурсе- и энергосберегающих технологий и устройств» (г. Пенза, 2011,2013,2014 гг.).

Реализация работы и внедрение результатов. Результаты работы внедрены на ОАО «Пензадшельмаш» на операциях точения деталей дизельного двигателя 1-ПД4Д из конструкционных сталей с содержанием углерода в пределах 0,3-0,5 % и легирующих компонентов не более 1 %.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК, - четыре работы (журналы: Известия Тульского государственного университета. - 2012. - №1; Ремонт. Восстановление. Модернизация. - 2012. - № 5; Тепловые процессы в технике. - 2012. - № 12; Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. - 2013. -№ 1), и два патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит ш введения шт глав, заключения, списка литературы и шести приложений. Содержит Ш ^ранщ основною текста, 81 рисунок, 13 таблиц, 52 формулы, список литературы ш 233 наименований. Общий объем работы составляет 237 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, изложены цель И задачи исследования, научная гипотеза, методы исследований, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы и положения, выносимые на защиту; представлена апробация работы, реализация работы и внедрение результатов, публикации, структура и объем работы.

В первой главе выполнен аналитический обзор технологических методов обеспечения качества поверхностей деталей из конструкционных сталей и снижения себестоимости обработки лезвийным инструментом, показана перспективность совершенствования технологии лезвийной обработки путем подачи в зону резания ионизированного воздуха. Рассмотрены способы и технические устройства для получения и подачи ионизированного воздуха в зону резания.

Исследования качества обработанных поверхностей и стоикости режущего инструмента при резании проводились под руководством М. Н. Ларина, С. И. Петрутшша, А. Д. Макарова, Л. В. Худобина А- Г. Суслова Ю Г Кабалдина, В. Ф. Безъязычного, В.В.Клепикова, Т. Г. Насад, А. С Татарином, В. А. Носенко, С. В. Грубого, М. И. Клушина, П. Барлоу, Ф Боудена, Д. Тейбора, Е. Дойла, М. Мерчанга, Е. Хорла и других ученых.

' Совершенствованию лезвийной обработки для повышения качества поверхностей деталей с использованием ионизированного воздуха в качестве СОТС посвящены работы В. Н. Латышева, А. Г. Наумова, В. Н. Подураева, А. С Верещаки, И. Д. Ахметзянова и других ученых.

Для улучшения показателей качества поверхностного слоя и повышения стойкости режущего инструмента при лезвийной обработке широкое распространение получили различные виды СОЖ.

Однако СОЖ обладают высокой стоимостью, а их применение требует дополнительных затрат на хранение, утилизацию и снижение вредного воздействия на окружающую среду.

Для снижения затрат на лезвийную обработку и повышение экологической безопасности на производственных участках при обеспечении качества поверхностного слоя деталей в европейских странах на автомобилышх заводах широко применяют подачу в зону резания масляного аэрозоля (МШ-

технологии). , „__

Основной недостаток ММв-технологии заключается в необходимости

установки дополнительного оборудования на станок и конструктивно дора-

батывать режущий инструмент. Также ММЯ-технологии неприменимы при высокоскоростной обработке.

Кроме того, известны случаи, в которых применение СОЖ и ММв-тех-нологий крайне нежелательны. Обработка деталей вакуумных приборов и камер с применением СОЖ и масла приводит к существенному повышению затрат на создание и поддержание вакуума из-за испарений компонентов жидкостей, сорбированных в обработанных поверхностях.

А также применение СОЖ нежелательно при черновом фрезеровании и прерывистом точении из-за преждевременного выхода из строя режущего инструмента в результате резких температурных перепадов и ударного характера работы.

Работы ученых МГТУ им. Н. Э. Баумана, МГТУ «СТАНКИН» и Ивановского государственного университета показали, что использование при лезвийной обработке охлаждения зоны резания ионизированным воздухом является перспективным направлением.

Известные технические средства для подготовки и подачи в зону резания ионизированного воздуха включают в себя электрический коронный ионизатор и источник сжатого воздуха. Такие устройства имеют общие недостатки: расход электроэнергии для питания ионизатора; опасность, обусловленная высокими напряжениями электрического тока; сложность интегрирования в рабочее пространство и электрическую сеть станков.

Однако при всех положительных результатах, полученных в работах по обеспечению качества обработанных поверхностей применением ионизированного воздуха, не приводятся сведения о влиянии параметров ионизированного воздуха на шероховатость и микротвердость поверхности, а также стойкость режущего инструмента.

Конструкционные стали с содержанием углерода в пределах 0,3-0,5 % и легирующих компонентов не более 1 % широко используются в качестве материала для ответственных деталей машиностроительных изделий. Ионизированный воздух обеспечивает показатели качества обработанной поверхности деталей и стойкость режущих инструментов в тех же диапазонах параметров, что при поливе СОЖ С санитарной и экологической точек зрения ионизированный воздух более предпочтителен, чем жидкости; так как его использование не загрязняет детали и рабочее место оператора станка.

На основе анализа известных видов охлаждающих средств и способов их подачи в зону резания предложено новое техническое решение, позволяющее получить ионизированный и охлажденный воздух путем измельчения жидкости в вихревых потоках. В научно-технической литературе образование заряженных частиц в газах (ионизация) при измельчении жидкостей получило название баллоэлектрического эффекта.

Наличие в вихревом потоке воздуха заряженных частиц и низкой температуры позволяют обеспечить одновременно смазывающее и охлаждающее воздействие на зону резания без дополнительных затрат на создание и экс-

ппуатацию коронного ионизатора. Другими преимуществами устройства для ионизации и охлаждения воздуха является компактность и простота установки в рабочее пространство станков, простота управления параметрами ионизированного воздуха. Данное решение позволяет обеспечивать показатели качества поверхности деталей из конструкционных сталей и стойкость лезвийного инструмента, не уступающие применению коронного ионизатора и полива СОЖ при меньшей себестоимости обработки. Поэтому данная работа является перспективной и актуальной.

Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе представлены результаты исследования процессов ионизации воздуха вихревыми потоками я результаты исследования влияния ионизированного и охлажденного вихревыми потоками воздуха на температуру в зоне резания при обработке конструкционных сталей с содержанием углерода в пределах 0,3-0,5 % и легирующих компонентов не более 1 %.

Для получения ионизированного воздуха разрабатывалось устройство на основе вихревых потоков, схема которого показана на рисунке 1. Техническая новизна устройства защищена патентом РФ №125915.

Теоретические исследования процессов ионизации воздуха вихревыми потоками показали, что из устройства выходит воздух с ионами кислорода, водорода и пщроксильной группы.

Механизм образования ионов с помощью баллоэлекгрического эффекта в вихревых потоках воздуха заключается в следующем. В вихревое ионизирующее устройство поступает сжатый воздух, содержащий молекулы воды в виде влаги, которая конденсируется в осевом холодном потоке с образованием капель. Молекулы воды в капле стремятся расположиться отрицательным полюсом наружу и положительным внутрь капли. Формируется двойной электрический слой, который сорбирует свободные заряды как

Коиденеаиия воды кагранице / ;

раздела потоков (зона иогнгаоции) ! Дроссель-/

Рисунок 1 - Схема распределения потоков воздуха в вихревом ионизирующем устройстве и зон ионизация

снаружи капли, так и внутри. Исследования Я. Ф. Френкеля показали, что отрицательно заряженные частицы, оказавшиеся на поверхности, начинают двигаться внутрь капли под действием электрического поля диполя, а положительные ионы остаются на поверхности или покидают ее. В результате капля воды приобретает избыточный отрицательный заряд. Движение капель происходит в турбулентном осевом потоке воздуха, имеющего локальные пульсации давления от повышенного значения до разрежения. Это создает условия для протекания кавитации в каплях воды, что согласуется с результатами исследований И. М. Федоткина. В работах В. Ф. Казанцева и Д. С. Фатюхина упоминается, что кавитация способствует резкому увеличению скорости образования пузырьков растворенного воздуха из жидкости. Пленка газового пузыря не имеет двойного электрического слоя и при измельчении воды заряжена отрицательно. При распаде пузыря заряженные частицы переходят в поток воздуха, тем самым ионизируя его.

Процесс образования ионов кислорода, водорода и гидроксильной группы в вихревом потоке может быть представлен в виде:

02 —О0+О°^2О++2е, (1)

Н20-^Н++0Н~. (2)

При увлажнении воздуха на входе в вихревое ионизирующее устройство баллоэлектрический эффект происходит как в вихревых потоках, так и на дросселе. Таким образом, можно изменять количество конденсируемой в устройстве влаги и интенсивность баллоэлектрического эффекта.

Экспериментальными исследованиями установлено, что максимальная концентрация ионов с использованием вихревых потоков достигается при давлении воздуха на входе в устройство 0,5-0,6 МПа при относительной влажности воздуха, близкой к 100 %, рисунки 2 и 3.

V 150 120

<& ОП

X

=! в

а я) 30

0

-О- иозш очрйцаге-чы).

" -й-ношл положит. ......

. —ахшрокс. щтшг

—О—йотш Ьтр»шат1' ■—А—ионы «оде™

а « го 40 60 «о юо

§ к О'! косите;п,»ая ¡шажносгь ¡ко-= духа на входе я устройство

Рисунок 2 - Зависимости концентрации ионов от влажности воздуха

ОД 03 0,4 0,5 0,6 Давление воздуха т в.чоде в устройство р, МПа Рисунок 3 - Зависимости концентрации ионов от давления воздуха

2 -о

з Я ьг 5

Измерение концентрации ионов выполнялось аспирационным методом с помощью счетчика ионов «Салфир-ЗМ». Максимальная концентрация ионов превышала значение п = 105 в 1 см3. Влияние влажности и давления сжатого воздуха на концентрацию ионов в вихревом потоке объясняется

следующим: влажность влияет на количество конденсируемой воды в холодном потоке воздуха, а давление оказывает влияние на интенсивность измельчения капель воды. Результаты исследований подтверждают, что ионизация воздуха происходит благодаря протеканию в вихревых потоках

баллоэлектрического эффекта.

Технологический эффект использования ионизированного воздуха в качестве СОТС при резании обусловлен высокой интенсивностью образования на ювенильных поверхностях металла в зоне резания пленок ш оксидов и гидроксидов железа, менее прочных, чем обрабатываемая сталь. При движении режущего инструмента происходит разрушение пленок, что обеспечивает эффект смазки:

Fe + О —> FeO; Fe+2 + 20Н" Fe(OH)2. (3)

Повышению активности ионизированного воздуха способствуют также свободные электроны, испускаемые ювенильной поверхностью. Свооодные электроны взаимодействуют с водяными парами и кислородом, что приводит к их возбуждению и дополнительной ионизации.

Одним из факторов, существенно влияющих на шероховатость и микротвердость на обработанной поверхности, а также стойкость лезвииного инструмента, является температура в зоне резания.

Исследование температуры в зоне резания проводилось двумя взаимодополняемыми методами: естественно образующейся термопары и оптическим с помощью тепловизора NEC G120. Результаты исследовании приведены на рисунке 4.

200

0

—Q__t*> 2,0 мм,л «44 мм/об. V ~ 120 м/мин

- t = 0,2 aim, s - 0,2 ш!Об, v = 120 шмин ____аппроксимирующие кривые

10

40 70 . .

Концентрация нонов и, *i0~ см

Рисунок 4 - Зависимости температуры в зоне резания от концентрации ионов в ионизированном воздухе

Установлено, что с увеличением концентрации ионов в потоке ионизированного воздуха от 10* до 105 в 1 см3 температура в зоне р^анияумень-шаегся на 150-200 °С в зависимости от технологического режима обработки.

Это связано с повышением интенсивности образования и разрушения пленок на обрабатываемых поверхностях из оксидов и гидроксидов железа и увеличением теплопроводности ионизированного воздуха за счет более высокой скорости движения ионов по сравнению с нейтральными частицами атмосферного воздуха.

К аналогичным выводам пришли ученые из МГТУ им. Баумана, МГТУ «СТАНКИН», ИвГУ при обработке конструкционных сталей с применением ионизированного воздуха, полученного коронным ионизатором.

В третьей главе приводятся результаты исследований влияния режима резания и концентрации ионов на шероховатость и микротвердость обработанной поверхности при охлаждении зоны резания ионизированным в вихревых потоках воздухом. Связи между режимами обработки, концентрацией ионов с шероховатостью и микротвердостью устанавливались с помощью полиномиальных моделей.

В качестве параметров отклика были приняты характеристики шероховатости Па, Кг и микротвердость Яр, обработанной поверхности.

Параметры шероховатости поверхности измерялись профилографом «Сейтроник ПШ8-4» и профилометром «Абрис-ПМ7» щуповым методом. Микротвердость измерялась прибором ПМТ-3.

После проверки значимости коэффициентов и перехода от кодовых обозначений к натуральным были получены математические модели:

На = 1,4029 + 1,1309 •, - 3,8 10~3 ■ V - 4,2 -КГ* • и - 0,0177 • -

- 7,3 -КГ5 • зп + 51,3946 • + 2,3 • КГ5 • у2 + 2,9 • 10"п • п\ (4)

Яг = 3,7443 + 36,5 • * - 0,0142 • у + 3,6 • 10"5 ■ п - 0,0547 • т -—7.1-10Г4 ■ аи - 6,9 • 10"8 • уи +223,5275 -/ + 8,5 • 10~5 ■ у2+2,0 • Ю-10 ■ и2; ^

Яц = 455,2537 - 648,3503 • а - 0,6132 • у - 7,МО"4 • п +

+ 2578,9 • *г + 1,2 ■ Ю-3 ■ у2 + 3 • 10* ■ и2. (б)

С помощью полученных моделей были построены зависимости шероховатости и микротвердости обработанной поверхности от концентрации ионов в ионизированном воздухе, рисунки 5 и 6.

При увеличении концентрации ионов от 104 до 105 в 1 см3 шероховатость поверхности уменьшалась с Ка 2,8 до Па 1,2, микротвердостъ обработанной поверхности снизилась от 3600 МПа до 3200 МПа. Полученные результаты исследовании объясняются увеличением интенсивности образования пленок из оксидов и гидроксидов железа на трущихся поверхностях, что уменьшает адгезионное взаимодействие между инструментальным и обрабатываемым материалами и шероховатость поверхности. При разрушении пленок достигается эффект смазки, что уменьшает пластическое деформирование и микротвердость металла обработанной поверхности.

Конпентраиия конов л, «10' см"

---- аппроксимирующая кривая

Рисунок 5 - Зависимость шероховатости поверхности от концентрации ионов в ионизированном воздухе

0,2 ми, ¿ = 0,2 мм/бб, 1:50 м/мнн

Концентрация конов п. *10" см —:— аппроксимирующая кривая Рисунок 6 - Зависимость микротвердости поверхности от концентрации ионов в ионизированном воздухе

Проводились сравнительные исследования влияния вида охлаждения, а шероховатость и микротвердость поверхности при концентрации ионов = 110- 103 в 1 см3. Результаты исследований приведет,! на рисунках 7 и 8.

Рисунок 7 - Диаграмма шероховатости

Пошв Лннзир 'ошжзетм С<Ш

Рисунок 8 - Диаграмма микротвердости

Результаты исследования показали, что ионизированный воздух и полив СОЖ приводят к сравнимым значениям шероховатости и микротвердости обработанной поверхности. Полученный результат объясняется сравнимыми по своему действию эффектами смазки от разрушения оксидных и гид-роксидных пленок на поверхностях металла и жидкой смазки от СОЖ

Результаты исследования влияния ионизированного воздуха на шероховатость и микротвердость на обработанной точением поверхности позволяют рекомендовать применение ионизированного и охлажденного в вихревых потоках воздуха для снижения себестоимости лезвийной обработки и в случаях, где использование СОЖ нежелательно.

В четвертой главе исследовалась величина остаточных напряжений в поверхностном слое экспериментально-расчетным методом по распределению микротвердости, проводились исследования стойкости режущего инструмента и рассеиваемой мощности при токарной обработке.

Величина остаточных напряжений в поверхностном слое исследовалась с помощью зависимости между остаточными напряжениями после пластической деформации и микротвердостью металла, которая устанавливалась экспериментально.

Используя результаты измерения микротвердости обработанной поверхности и зависимость между остаточными напряжениями и микротвердостью была получена диаграмма величины остаточных напряжений в поверхностном слое после лезвийной обработки при различных видах охлаждения, рисунок 9. '

Рисунок 9 - Величина остаточных напряжений в зависимости от охлаждения

t = 0,2 мм, s = 0,2 мм/об, v = 150 м/мин

Полученные значения величины остаточных напряжений хорошо согласуются с результатами, полученными А. С. Верещакой и В. Н. Латышевым.

Результаты исследования микроструктуры показали, что микроструктура поверхностного слоя после лезвийной обработки не зависит от вида охлаждения.

Для исследования стойкости лезвийного инструмента в качестве параметра износа применялась ширина фаски на задней поверхности А3, измеряемая при помощи микроскопа МБС-1. На рисунке 10 представлены зависимости стойкости от концентрации ионов при фаске й3 = 0,6 мм.

130

Коицен фшшя ионов я, *103 см"3

--—аппроксимирующие кривые Рисунок 10 - Зависимости стойкости лезвийного инструмента от концентрации ионов

Было установлено, что при увеличении концентрации ионов с 104 до 105 в 1 см3 стойкость возрастала в 1,9 раза-при черновой обработке и в 2,8 раза при чистовой. Полученный результат объясняется увеличением интенсивности образования пленок на трущихся поверхностях в зоне резания с ростом концентрации ионов, что обеспечивает эффект смазки.

Также проводилось сравнительное исследование стойкости режущего инструмента при различных видах охлаждения. Результаты исследований показали, что при обеспечении концентрации ионов от 105 в 1 см3 стойкость резца оказывалась на 20-50 % выше, чем при поливе СОЖ.

Мощность, рассеиваемая при точении, исследовалась с помощью комплекта измерительного К505 при подаче в зону резания ионизированного воздуха с различной концентрацией ионов, поливе СОЖ и обработке без охлаждения (рисунки 11,12).

5 г

2,0 ММ; * « мм/об, V« 120 м/мщс

» 0,30 МПа;

НЗг-Рщш

\ охоа

:—О—~ 0,60 МПа.

0 20 40 60 НО ) 00

Кондаихрааяя новое я, х10' «и Рисунок 11 - Зависимость мощности резания от концентрации ионов

Рисунок 12 - Мощность резания при различном охлаждении зоны резания

ИВ - ионизированный воздух БО - обработка без охлаждения

Уменьшение рассеиваемой мощности при точении с ростом концентрации ионов объясняется снижением трения в зоне резания.

Результаты исследования рассеиваемой мощности при различных видах охлаждения показали, что смазочный эффект при подаче в зону резания ионизированного воздуха (при концентрации ионов более 105 в 1 см3) и поливе СОЖ оказывался сравнимым. Последнее подтверждает предположение, заключающиеся в образовании оксидов и гидроксидов железа на юве-нильных поверхностях, при разрушении которых снижается трение.

Таким образом, полученные результаты показывают возможность 01ра-ничения потребления СОЖ с заменой на ионизированный воздух при лезвийной обработке для обеспечения шероховатости и мшротвердости обработанной поверхности и снижения себестоимости обработки за счет повышения стойкости режущего инструмента.

В пятой главе разрабатывалась методика назначения технологического режима токарной обработки и ее алгоритм (рисунок 13).

Создан расчет в программе МаНюас! для реализации алгоритма назначения технологического режима лезвийной обработки.

В основе предложенной методики лежат разработанные в главе 3 модели и общеизвестные расчетные зависимости для предварительного расчета скорости резания с внесением уточняющего коэффициента АГД0П:

Кт С

где АТдот, - коэффициент, учитывающий изменение стойкости в зависимости от охлаждения, основанный на дополнительной информации: ^доп = 3 для ионизированного воздуха с концентрацией ионов 105 в 1 см3 (повышение скорости резания на 24 %), КА0П = 2,0 для п < 50-103 в 1 см3 (повышение скорости на 14 %); КцШ = 1,5 для п< 20-Ю3 в 1 см3 (повышение скорости на 8 %); Кяап= 1,2 для « = 104 в 1 см3 (повышение скорости на 5 %).

Дополнительная информация предполагает использование сведений о результатах научных исследований, опыта производства, справочных данных и других источников. В выражении (7) значения коэффициента приведены с учетом результатов исследования стойкости режущего инструмента при использовании ионизированного в вихревых потоках воздуха в качестве СОТС.

Также в данной главе приводятся рекомендации по настройке вихревого ионизирующего устройства в условиях производства.

Применение ионизированного воздуха при изготовлении некоторых деталей дизельного двигателя: вал распределительный, шпилька анкерная, клапан насоса масляного, шестерня ведущая, стакан и другие, способствовало уменьшению количества технологических переходов и интенсификации режимов резания, благодаря чему сокращение основного времени лезвийной обработки достигало 27 %.

( Начало )

Ввод общи* исходи!« лалвых

1. Тех. процесс: новы К ' «ожршенствуемий

2. Обработка:. черной* ! чисток» 3- Днестр до обработки, dvéi •Í. Формируемый аиа мйтр'..^ 5. Подячз п.1 оборот, j (5. Скорость ретагтя в исходная ТП. V*«

7. Вид вбработкчпри падаче ка яРорот

8. Дия»:обраб(пки. ¿

9. Дяипа лолпода (гггструмснтп, >\

10. Длина сиходй инструмента, h

11. Мощность приоода станка..Дй«я№»-

12. Поката гели степени su а П\>

Увеличить значениеd

Евад данных потто*1»"»*9«®' |. Требуемый uapa«eip: í?a, Rz 2 ..Допустимое зиэтсаие г.срамгтра, Ятр

1. Доги-стимос от клонен te от /frp,S/?fp

I —

, И под долгим* по мякрмперлмти

|. Долудншое шачсииепараметра,lf/¡.¿

2. >1м(рамгмйс.ЕО'м0жкйгс> пткаопсяи* íhjíchuj ify-f

3. Допустимо а отклоиенив от HanMIy^j

I Ввод д»нмы*: рякуще! в вкегруисиг*

1. Материй T5K10, П 5К6. Т50К4--

2. Геометрические параметры: ф, А

3. Ожидаемая стойксстц Tmtnaa

А.. Доиустмыие уменьшение стоВкск-ТЙ ДгеВНЙНОУо НКаруМНПЗ, Юйямпц

Ввод данных по »»готовке

1. Видзаготойкн

2. Временное coiipoiiiBoiCHiie рачрыну.л-

3. Группа стаян lio обрабатываемости рс-т'анисм ТвсрДЖ йШвВи -

IВвМ данных новктапию вихревого

мои изкруюмего устройства

1. Аимчие / otcyicntite увлаясвеии» яог^гаа ла толе я ушрчйстао

2. Давление «а входе а устройства

Рисунок 13 - Схема алгоритма назначения технологического режима лезвийной обработай с охлаждением зоны резания ионизированным в вихревых потоках воздухом (начало)

0.1 <4

Га»<1<250

Рисунок 13 - Окончание

Величина шероховатости поверхностей уменьшилась в 1,3 раза благодаря высокой интенсивности образования пленок из оксидов и гидроксидов железа на трущихся поверхностях, снижающих адгезионное взаимодеиствие резца и обработанной поверхности.

В приложении приводятся титульные листы патентов; акт внедрения; разработка полиномиальных моделей; номограммы шероховатости и микротвердости поверхности при различных технологических режимах обработки и концентрации ионов; расчет технологических режимов токарной обработки в программе МаИтса(1; примеры совершенствования технологических процессов изготовления деталей дизельного двигателя из конструкционных сталей с содержанием углерода в пределах 0,3-0,5 % и легирующих компонентов не более 1 % применением охлажденного ионизированного воздуха на операциях токарной обработки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создано вихревое ионизирующее устройство, позволяющее подготавливать и подавать в зону резания ионизированный и охлажденный воздух, используемый в качестве СОТС. Определены условия получения максимальной концентрации ионов ионизированного воздуха: относительная влажность сжатого воздуха на входе в устройство близкая к 100 % при давлениях в диапазоне 0,5-0,6 МПа.

2. Установлено, что повышение концентрации ионов в ионизированном воздухе от Ю4 до 103 в 1 см3 приводит к снижению температуры в зоне резания на 150-200 °С за счет возрастания интенсивности образования пленок из оксидов и гидроксидов железа на трущихся поверхностях, которые при разрушении обеспечивают эффект смазки.

3. Получены эмпирические математические модели, устанавливающие связи параметров технологического режима токарной обработки и концентрации ионов в ионизированном и охлажденном воздухе с высотными характеристиками шероховатости и микротвердостью обработанной поверхности.

4 Доказано, что охлаждение ионизированным воздухом при точении обеспечивает шероховатость и микротвердосгь поверхности, а также величину остаточных напряжений и микроструктуру в поверхностном слое в том же диапазоне параметров, что и при обработке с поливом СОЖ.

5. Экспериментальными исследованиями установлено, что стойкость лезвийного инструмента при использовании в качестве СОТС ионизированного воздуха с концентрацией ионов от 105 в 1 см3 повышается в 1,2-1,5 раза по сравнению с поливом зоны резания эмульсией.

6 Установлено, что при увеличен™ концентрации ионов в ионизированном воздухе, используемом в качестве СОТС, от 104 до 10 в 1 см' мощность резания уменьшалась на 10-30 %.

7. Предложена уточненная формула для определения значения скорости резания с учетом концентрации ионов в ионизированном воздухе. При сохранении стойкости лезвийного инструмента скорость резания можно повысить до 24 % по сравнению с поливом СОЖ.

8. Предложены методика назначения рациональных технологических режимов токарной обработки деталей из конструкционных сталей с содержанием углерода в пределах 0,3-0,5 % и легирующих компонентов не более 1 % при охлаждении зоны резания иониз1фованным воздухом и ее алгоритм, реализованный в программе МаНюаё.

9. Разработаны рекомендации по применению охлажденного ионизированного в вихревых потоках воздуха для совершенствования существующих и проектирования новых технологических процессов изготовления деталей из конструкционных сталей.

10. Технико-экономический эффект от использования ионизированного в вихревых потоках воздуха заключается в следующем: сокращение основного времени при точении по всем технологическим процессам на 20-27 %; уменьшение затрат на охлаждающие средства на 15-45 %, лезвийный инструмент - на 15-53 % и силовую электроэнергию - на 7,3-10 %.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Асосков, А. С. Вихревая ионизация — как средство совершенствования технологии механической обработки деталей / Н. Е. Курносов, А. С. Асосков // Известия Тульского государственного университета. - 2012 - № 1 -С. 157-165.

2. Асосков, А. С. Использование вихревого газодинамического устройства в ремонтном хозяйстве / Н. Е. Курносов, А. А. Николотов, А С. Асосков // Ремонт. Восстановление. Модернизация. - 2012. -№ 5. - С. 32-35.

3. Асосков, А. С. О возможности снижения температуры в зоне резания при механической обработке / Н. Е. Курносов, А. А. Николотов, А. С. Асосков // Тепловые процессы в технике. - 2012. - № 12. - С. 571-573.

4. Асосков, А. С. Совершенствование технологии механической обработки с использованием вихревой ионизации воздуха / Н. Е. Курносов, А. В. Тарпопольский, А С. Асосков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 1. _ с. 85-93.

Публикации в других изданиях

5. Асосков, А. С. Лезвийная обработка при подаче в зону резания охлажденного ионизированного воздуха / Н. Б. Курносов, А В. Тарнопольский, А. С. Асосков, Е. А Цветков // Разработка и внедрение ресурсо- и энерго-

сберегающих технологий и устройств : материалы V Междунар. науч,-

практ. конф. - Пенза, 2014. - С. 56-59.

6 Асосков А С. Ресурсосбережение при токарной обработке с охлаждением ионизированным воздухом / Н. Е. Курносов, А В. Тарнопольскии, А С. Асосков, А. П. Савин // Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств : материалы IV Междунар. науч.-практ.

конф.-Пенза, 2013.-С. 32-36.

7. Асосков, А С. Технологическое обеспечение шероховатости обработанной поверхности деталей дизельного двигателя / Н. Е. Курносов, А А. Николотов А. С. Асосков // Промышленность региона: проблемы и перспективы инновационного развития : сб. ст. II Республиканской науч,-технич. конф. с международным участием. - Беларусь, г. Гродно, 2012. С. 125-127.

8 Асосков, А. С. Технологическое обеспечение качества поверхности при механообработке охлаждением ионизированным воздухом / Н. Е. Курносов А. А. Николотов, А С. Асосков // Наука и техника в современном мире. Часть I : материалы Междунар. заоч. науч.-практ. конф. - Новосибирск : Сибирская ассоциация консультантов, 2012.-С. 11-18.

9. Асосков, А. С. Повышение качества изделий из конструкщюнных сталей совершенствованием механической обработки / А. С. Асосков // Современные технологии в машиностроении : материалы XV Междунар. на-у^-пр акт. конф. - Пенза, 2011. - С. 117-119.

10 Асосков, А. С. Вихревая ионизация - как средство повышения качества изготовления деталей лифтов / А С. Асосков // Лифт. - М„ 2011. -

№111~ Асосков2 А С. Совершенствование технологии токарной обработки низколегированных хромистых сталей применением вихревого ионизатора / Н Е Курносов, А- С. Асосков // Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств : материалы II Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза, 2011. - С. 54-56.

12 Асосков А. С. О возможности использования ионизированного газа / Н Е Курносов,'А. С. Асосков // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : материалы Междунар. науч.-технич. конф. - Пенза,

2011.-Т. 2.-С. 305-306.

13 Асосков, А. С. Экологические, экономические и технические аспекты использования ионизированного воздуха в качестве СОТС / Н. Е. Курносов А С. Асосков, и др. // Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства (промышленность, транспорт, сельское хозяйство) : материалы IX Междунар. науч.-практ. конф. -Пенза, 2009. - С. 48-50.

Патенты РФ

14 Пат 125915 Российская Федерация, МПК В 23 Q 11/10 Устройство для охлаждения зоны резания / Курносов Н. Е„ Николотов А. А, Асо-

сков А. е., Лебединский К. В., Кирин Е. М. ; заявитель и патентообладатель Пензенский государственный университет. - № 2012152210/02 • заявл. 04.12.2012, опубл. 20.03.2013.

15. Пат. 142164 Российская Федерация, МПК В 23 0> 11/10 Сопло для подачи смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания / Курносов Н. Е., Лебединский К. В., Кирин Е. М., Алексеев Д. П., Асосков А. С. ; заявитель и патентообладатель Пензенский государственный университет. -№ 2014105232/02 ; заявл. 12.02.2014, опубл. 20.06.2014.

Научное издание АСОСКОВ Александр Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕЗВИИНОЙ ОБРАБОТКИ ПУТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЗОНЫ РЕЗАНИЯ ИОНИЗИРОВАННЫМ В ВИХРЕВЫХ ПОТОКАХ ВОЗДУХОМ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения; 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Редактор М. М. Шаркова Технический редактор М. Б. Жучкова^ Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

Распоряжение № 15/70-2015 от 18.09.2015.

Подписано в печать 18.09.15. Формат 60x841/16 Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 008790. Тираж 100.

Издательство ПТУ. ■ 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru