автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Улучшение технологических свойств СОТС для сверления конструкционных сталей за счет присадок мезогенных соединений холестерола

УЛУЧШЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СОТС ДЛЯ СВЕРЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ

СТАЛЕЙ ЗА СЧЕТ ПРИСАДОК МЕЗОГЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ ХОЛЕСТЕРОЛА

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново - 2012

2 6 ЯН В ¿012

005009696

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет»

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

Латышев Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Марков Владимир Викторович

кандидат технических наук Фомичев Дмитрий Сергеевич

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ивановская государственная текстильная академия»

Защита состоится «17» февраля 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.062.03 при ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет» по адресу: 153004, г. Иваново, проспект Ленина д. 136, аудитория 1.

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

Автореферат разослан «17» января 2012 г.

Ученый секретарь у/]

диссертационного совета /Ж^У Новиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Улучшение показателей процесса обработки металлов является главной задачей в металлообработке, которая напрямую зависит от эффективности применяемых смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). Поэтому для достижения данной задачи необходимо совершенствовать СОТС. Одним из наиболее действенных методов их совершенствования является улучшение состава СОТС посредством введения в них различных по природе и химическому строению функциональных присадок.

Общим недостатком применения функциональных присадок является в большинстве случаев их токсичность. Поэтому большой интерес вызывает замещение их в составе СОТС экологически более безопасными аналогами. К одним из таких альтернативных присадок относятся мезогенные соединения холе-стерола (МСХ). Данные вещества являются наиболее эффективными при трении и резании, по сравнению с другими ЖК соединениями, являются нетоксичными, не обладают канцерогенным действием, полностью биоразложимы. Кроме того, благодаря своему химическому строению молекулы МСХ способны структурироваться в зонах трибологического контакта инструмента и обрабатываемой поверхности, чем достигается их высокая смазочная способность. В последнее время были синтезированы соединения, имеющие высокие температуры термического разложения, что делает возможным применение их в процессах металлообработки.

Работа была выполнена в рамках НИР тематического плана научных исследований ИвГУ по заданию Минобрнауки России.

Цель работы: Улучшение технологических свойств СОТС для сверления конструкционных сталей за счет присадок жидкокристаллических соединений.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Установить критерии отбора перспективных МСХ в качестве присадок к СОТС и разработать составы новых СОТС с этими присадками.

2.Разработать лабораторный экспериментальный стенд для исследования влияния СОТС на процессы сверления и развертывания и методику проведения испытаний на стенде.

3.Изучить влияние разработанных СОТС на силовые показатели процесса сверления.

4. Оптимизировать состав СОТС, позволяющий улучшить показатели обработки на операциях сверления.

Методы исследования. Работа выполнена на основе фундаментальных положений теории резания металлов, законов физики и химии с применением методов математической обработки экспериментальных данных. Свойства СОТС при резании определяли, измеряя момент резания, интенсивность изнашивания инструмента, а также проводили измерение шероховатости обработанной поверхности.

Научная новизна работы:

1 .Сформулированы концептуальные положения по отбору перспективных МСХ для формирования пакета присадок к СОТС для сверления металлов. Предлагается использовать в составе смазочной композиции различные по физическим свойствам присадки МСХ, которые обеспечат непрерывное существование состояния эпитропного мезоморфизма при сверлении в зоне резания и по всей длине рабочей части сверла, где происходит движение стружки.

2.Установлена взаимосвязь смазочного действия СОТС при сверлении различных сталей от вида и содержания ранее неисследованных присадок МСХ.

3. Показан сенергизм действия присадок МСХ с различными температурными областями существования мезоморфизма в улучшении смазочного действия СОТС при сверлении.

Практическая ценность работы:

1. Научные и практические результаты работы реализуются в госбюджетных научно-исследовательских работах, выпол-

няемых на базе трибологического центра и кафедры экспериментальной и технической физики ИвГУ.

2.Разработан лабораторный экспериментальный стенд для исследования влияния СОТС на процессы сверления и развертывания и методика проведения испытаний на данном стенде.

3.Оптимизирован состав СОТС с присадками МСХ, позволяющий повысить качество обработки на операциях сверления за счет снижения силовых показателей процесса на 15 % по сравнению с режущим маслом СП-4.

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 доложены на международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология (Поликомтриб-2011)» (Гомель, 2011), международной научно-технической конференция «Трибология —■ машиностроению» (Москва, ИМАШ РАН, 2010), межвузовских научно-практических семинарах «Надежность и долговечность машин и механизмов» (Иваново, ИГИПС МЧС РФ, 2010—2011); окружном молодежном инновационном конвенте (Иваново, 2010), региональных молодежных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы трибологии» (Иваново, 2009—2011).

Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 9 печатных работах общим объемом 2,2

п. л., лично автору принадлежит 0,6 п. л., в том числе 4 публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Обоснованность и достоверность полученных результатов диссертационной работы обеспечиваются корректным применением известных экспериментальных методик, методов статистической обработки экспериментальных данных, адекватностью построенных регрессионных моделей, воспроизводимостью экспериментальных исследований, их корреляцией с данными других авторов.

Личное участие автора состоит в постановке цели диссертационной работы, формулировке задач исследований, проведении экспериментальных и теоретических исследований, обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, подготовке публикаций по теме данной научно-исследовательской работы.

Реализация результатов работы. Результаты данной работы в качестве рекомендаций были переданы на ОАО «Машиностроительная компания КРАНЭКС» г. Иваново.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка из 128 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 16 таблиц, 1 приложение.

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 диссертации анализируется состояние проблемы улучшения процессов резания металлов за счет применения эффективных СОТС. Общие принципы создания эффективных СОТС полно изложены в работах В.Н. Латышева, Л.В. Ху-добина и др.

Одним из наиболее действенных способов их совершенствования является улучшение состава СОТС посредством введения в них различных по природе и химическому строению функциональных присадок. Установлено, что смазочное действие СОТС при обработке металлов тоже во многом определяется их способностью разлагаться по радикальным механизмам, образуя на поверхностях прочные хемосорбированные защитные смазочные пленки.

Общим недостатком применения функциональных присадок является в большинстве случаев их токсичность. Поэтому большой интерес вызывает замещение их в составе СОТС экологически более безопасными аналогами. К таким альтернативным присадкам относятся жидкокристаллические соединения холе-стерола (МСХ). Данные вещества являются нетоксичными, не обладают канцерогенным действием, полностью биоразложимы. Кроме того, благодаря своему химическому строению, молекулы МСХ способны структурироваться в зонах трибологиче-ского контакта инструмента и обрабатываемой поверхности, чем достигается их высокая смазочная способность.

Исследованием присадок МСХ при трении занимались Б.И. Купчинов, С.Ф. Ермаков и др., при резании — научная группа под руководством В.Н. Латышева. Предыдущими исследованиями при обработке нержавеющих сталей была показана высокая эффективность МСХ, содержащих в своем составе атом хлора. Однако наличие в молекуле присадок хлора делает данные присадки экологически небезопасными.

Во второй главе излагаются концептуальные предложения по составлению СОТС с пакетом присадок МСХ для сверления металлов, описывается состав и свойства экспериментальных смазочных композиций.

Известно, что рабочая часть сверла нагрета неравномерно. Температура на главных режущих кромках может достигать 400°С, в то же время при скольжении стружки по винтовым поверхностям температура падает до комнатной. При этом по всей длине рабочей части сверла необходимо обеспечить максимально легкое скольжение стружки. Поэтому предлагается использовать в составе смазочной композиции такие присадки МСХ, ко-

торые обеспечат непрерывное существование структурированного состояния при сверлении в зоне резания и по всей длине рабочей части сверла, где происходит движение стружки, высокотемпературные МСХ присадки должны дополняться низкотемпературными.

Кроме того, в состав присадок могут входить атомы химически активных элементов, например хлора, которые в случае трибодеструкции присадки смогут участвовать в трибоактиви-рованных химических реакциях, обеспечивая образование на поверхностях инструмента и заготовки хемосорбированных пленок, если это допустимо экологическими нормами.

Для проведения исследований на основе предложенной нами концепции был разработан ряд экспериментальных составов СОТС.

В качестве базовых масел, в которых растворялись исследуемые присадки были использованы индустриальные масла И-20А, И-40 А (ГОСТ 20799-88), которые являются основой производства всех режущих масел, а также готовые режущие масла СП-4 (ТУ 0258-100-05744685-96), ГСВ-1 (ТУ 0258-199-057446852003), которые широко применяются на производстве. СП-4 используется для материалов нормальной обрабатываемости на операциях: обработка на токарных автоматах одно- и многошпиндельных, фрезерование конструкционных углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и сплавов. ГСВ-1 предназначено для использования в качестве смазочно-охлаждающего технологического средства при резании конструкционных легированных и коррозионно-стойких сталей на операциях глубокого сверления, протягивания, резьбонарезания.

Данные базовые масла модифицировались введением присадок МСХ марок Х-16 (С45Н7802), Х-18 (Сз8Н6б02), X-25(Сз4Н49СЮ2), Х-26(С27Н45С1), Х-37(С42Н6603), Х-68 (С46Н7403), а также олеиновой кислоты. Физико-химические свойства присадок приведены в табл. 1. Присадки растворяли на водяной бане в базовом масле при температуре 95...100 °С. Содержание присадок в базовом масле варьировалось от 0 до 3 масс. %. Данные по растворимости присадок в базовых маслах приведены в табл. 2.

Физико-химические свойства исследуемых присадок

Промышленное наименование Название соединения Химическая формула Температура превращения в изотропную жидкость, °С Молекулярная масса

Х-16 Холестериловый эфир олеиновой кислоты С45Н78О2 - 650

Х-18 Холестериловый эфир п-н-ундециловой кислоты СзаНббОг 91,5 СЬ->1 554

Х-25 Холестериловый эфир п-н-хлорбензойной кислоты С34Н49СЮ2 199,5 С11->1 524

Х-26 Холестерил хлористый С27Н45С1 - 404

Х-37 Холестериловый эфир п-н-октилокси-бснзойной кислоты СД2Н6„03 200,5 СЬ->1 618

Х-68 Холестериловый эфир п-н-додецилокси-бензойиой кислоты С46Н74О3 195,5 СЬ->1 674

Таблица 2

Растворимость присадок МСХ в базовых СОТС

Базовое Поедельная концентрация присадки при 20 °С, масс. %

масло Х-16 Х-18 Х-25 Х-26 Х-37 Х-68

И-20А Р Р 1,6 Р 1.5 1,25

И-40А Р Р 2 Р 1,75 1,6

СП-4 Р Р 2,25 Р 2,1 2,0

ГСВ-1 Р Р 1,75 Р 1,6 1,5

Примечание: максимальная концентрация вводимых присадок ограничивалась 3 масс.%, Р — присадка растворима при максимальной концентрации

В третьей главе описаны аппаратура и методики проводимых исследований процесса резания.

Для исследования эффективности смазочной способности СОТС нами был разработан и сконструирован специальный автоматизированный трибометрический стенд с гравитационной подачей инструмента на базе вертикального сверлильного станка JET JPD-10L с патроном 13 мм и максимальным ходом шпинделя 65 мм. Данная схема установки была выбрана как одна из рекомендуемых в литературе для исследования процессов резания. Станок был модифицирован приводом Omron МХ2, позволяющим плавно регулировать частоту вращения шпинделя со в диапазоне частот 1...2450 об/мин. Осевая нагрузка Р на инструмент задавалась навесками в диапазоне до 300 Н.

Сравнительные испытания смазочной способности СОТС при сверлении проходили при рекомендуемых справочниками скоростях резания и =21.9 м/мин (1040 об/мин), и осевой нагрузке Р = 270 Н. Обрабатываемый материал — наиболее распространенных марок конструкционных сталей СтЗ, стали 45 и стали 40Х. Глубина отверстий в экспериментах варьировалась от 6 до 10 мм. Каждый опыт проводился не менее пяти раз, производилась статистическая обработка результатов. Погрешность измерений среднего значения крутящего момента не превышала 5 %, шероховатости 7 %.

Образцы для исследований закреплялись в держателе на столике динамометра, который позволял определять крутящий момент, возникающий при сверлении и развертывании. Сигнал с датчиков динамометра поступал через АЦП на ПК и обрабатывался программой PowerGraph 3.0.

В качестве основного показателея процесса сверления, определяющая смазочную способность СОТС был средний крутящий момент (М), возникающий при обработке. Кроме того, оценивался показатель стабильности процесса К, как отношения числа пиков на диаграмме резания ко времени просверливания отверстия, подача инструмента, как отношение толщины образца ко времени просверливания, период стойкости сверл Т—как время, за которое происходит уменьшение подачи в два раза по

сравнению с начальным значением и шероховатость обработанной поверхности.

В четвертой главе описаны результаты эксперимента по сверлению СтЗ с использованием экспериментальных СОТС различных составов (табл. 3).

Установлено, что введение присадок МСХ в индустриальное масло И-20А или режущее масло СП-4 приводит к снижению крутящего момента по сравнению со сверлением без СОТС от 17 % до 27 % в зависимости от вида присадки (рис. 1). Кроме того, в 2...3 раза увеличивает стабильность процесса (рис. 2), до 40 % возрастает период стойкости сверл, в 1.5 раза снижается величина шероховатость поверхности отверстия.

Наибольшую эффективность по совокупности характеристик показал состав 8, содержащий присадку Х-25, являющуюся одновременно и термостойкой и хлорсодержащей. Следующий за ней незначительно уступая по эффективности идет состав 10, содержащий термостойкую присадку Х-37.

Можно сделать вывод, что хлорсодержащие МСХ, не показали существенно более высоких результатов по сравнению с присадками, не имеющими в составе хлора. Это позволяет при создании новых СОТС для сверления не использовать хлорсодержащие присадки МСХ, как потенциально опасные для экологии.

Установлено, что если в качестве базового состава использовать раствор в масле И-20А олеиновой кислоты, дополнительное введение к основе (состав 12) пакета МСХ присадок позволяет получить смазку (состав 14 и 15), превосходящую по смазочным свойствам специальное режущее масло ГСВ-1.

Таким образом, в случае использования пакета присадок МСХ на основе индустриального масла И-20А возможно получать составы СОТС, превосходящие по смазочным свойствам режущее масло СП-4, а на основе состава 10 (И-20А + олеиновая кислота) — составы СОТС, превосходящие режущее масло ГСВ-1.

Влияние состава на смазочную способность экспериментальных СОТС с присадками МСХ при сверлении

№ состава Вид СОТС Концентрация присадки МСХ, масс.% Момент резания, М, Н-м Относительная эффективность СОТС, Мо/М Коэффициент стабильности К с'

1 Без СОТС — 1,021 1 0,886

Бачоныг С.'О'ГС.

2 И-20Л 0 0,925 1.10 0,459

3 И-40А 0 0,918 1.11 —

4 СП-4 0 0,893 1.14 —

5 СП-7 0 0,881 1.16 0,375

б ГСВ-1 0 0,73 1.40 —

СОТС на основе шцусг "шального масла 1120 с. присадками МСХ

7 И-20А + Х-16 3 0,86 1.19 0,39

8 И-20А + Х-25 1.5 0,806 1.27 0,264

9 И-20А + Х-26 3 0.851 1.20 0,285

10 И-20А + Х-37 1.5 0,825 1.24 0,298

11 И-20А + Х-68 1.25 0,87 1.17 0.427

СОТС на основе индустриального масла И20 с присадками МСХ и олеиновой кислотой

12 И-20А+олеин 10 0,782 1.31 —

13 И-20А + Х-16 +олеин — 0,781 1.31 —

14 И-20А+ Х-37 +ОЛСИН — 0,707 1.44 —

15 И-20А + Х-16 + Х-37 + олеин — 0,675 1.51 —

СОТС на основе режущих масел с.нрисадками МСХ

16 СП-4 + Х-16 3 0,853 1.20 0,221

17 СП-4 + Х-25 3 0,876 1.17 0,32

18 СП-4 + Х-26 2.5 0,81 1.26 0,173

19 СП-4 + Х-18 3 0,867 1.18 0,273

20 СП-4 + Х-68 2.25 0,825 1.24 0,35

21 ГСВ-1 +Х-26 2.1 0,713 1.43 —

воздух И-20А

И-20А + ЖКСХ

Номер состава СОТС

Рис. 1. Влияние присадок МСХ на смазочные свойства СОТС на базе индустриального масла И.-20А

1,0-

0.9-

0.8- Г-

0,7-

0.6 -

0,5- И I

0,4- щ

0.3- I ■ВМа

0.2- Пж н§

0.1 -0.0 Е

I

1 щ

2 7 в 9 10

Состав СОТС

Рис. 2. Зависимость коэффициента стабильности К от состава СОТС на базе индустриального масла И-20А

возд-ух И-20А И-20А+олеин (И-20А+олеин)+ЖКСХ ГСВ-1

Номер состава СОТС

Рис. 3. Влияние присадок МСХ на смазочные свойства СОТС на базе смазочной композиций И-20А и олеиновой кислоты

Пятая глава посвящена поиску рационального состава СОТС по содержанию присадок МСХ, обеспечивающему в рациональном диапазоне концентраций наилучшее смазочное действие при обработке распространенных конструкционных сталей СтЗ, стали 45 и стали 40Х.

Подбор оптимального состава СОТС по содержанию в них данных присадок МСХ и обработка результатов экспериментов проводился с использованием математического планирования эксперимента. В ходе эксперимента варьировалось содержание присадки в СОТС на базе индустриального масла И-20А. В качестве изменяемых параметров были взяты концентрация в СОТС высокотемпературной присадки - Х-37 и низкотемпературной присадки Х-16. За критерий отклика принимался средний момент сверления.

Уровни варьирования содержания присадки в СОТС

Фактор Содержание присадки в составе СОТС, масс. %

Х-16 Х-37

Основной ypoBenb(Xo,Y0) 2 0,75

Интервал варьирования (ДХ, AY) 2 0,75

Верхний уровень (х, у - 1) 4 1,5

Нижний уровень(лг, у = -1) 0 0

Была выбрана матрица планирования для двухфакторного эксперимента с трехуровневым варьированием факторов. Уровни варьирования содержания присадки приведены в табл. 4.

Для определения погрешности воспроизводимости при каждой комбинации факторов проводилось не менее 3...5 опытов. Кодировка факторов осуществлялась по формулам

х =

Х-Х,

о .

АХ

У = -

А Y

(1)

Регрессионная модель искалась в виде полинома второй степени:

М-а0 + aix+a2y + ацх2+ а22у2+аи ХУ- (2)

Для расчета коэффициентов нашей модели использовался пакет статистической обработки Statgraphics Centurion XV Professional 15.1.02. Уровень значимости каждого коэффициента оценивался по степени их вклада в общую сумму квадратов, обусловленную регрессией, отнесенную к сумме квадратов ошибок (F-отношение или критерий Фишера), величина которого имеет тенденцию к возрастанию с ростом значимости коэффициента. Результаты расчета коэффициентов регрессионной модели приведены в табл. 5.

Параметры регрессионных моделей влияния концентрации присадки МСХ на крутящий момент при сверлении сталей

Параметр модели Вид обрабатываемого материала

СтЗ Сталь 45 Сталь 40Х

а/> 0,77 0,66 0.80

яг -0,07 -0,02 -0.02

«г -0,04 -0.08 -0.02

аи 0,04 0,03 -0.10

йр 0 -0,10 0.03

ап 0,05 0,02 0,01

Критерий Пирсона, X2 85 83 89

Исследования полученных функциональных зависимостей для наших моделей на экстремумы позволили определить оптимальный состав СОТС по содержанию присадок МСХ для каждого вида стали (табл. 6), а также разработать единый рациональный состав СОТС.

Таблица 6

Оптимизированные составы СОТС

Марка стали Концентрации, масс. % Момент резания М, Н-м Относительная эффективность смазочного действия М/Мо

Х-16 Х-37 Рациональная СОТС, M СП-4, Mo

СтЗ 2,64 1,5 0,726 0,893 1,23

Сталь 45 3,246 1,088 0.636 0,756 1,19

Сталь 40Х 2,15 0,954 0.803 0,936 1,16

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В связи с тем, что рабочая часть сверла нагрета неравномерно, в качестве критерия отбора присадок МСХ может служить температурный интервал существования этих присадок в мезоморфном состоянии. При этом присадки с высокотемпературным диапазоном существования мезофазы 100...200 °С должны дополняться присадками с низкотемпературным диапазоном существования мезофазы — менее 100 °С. Такое сочетание присадок с разными свойствами обеспечит непрерывное существование структурированного состояния граничного смазочного слоя по всей зоне резания - от вершины сверла до выхода стружки из отверстия.

2. Разработанный экспериментальный стенд, с возможностью плавной регулировки частоты вращения шпинделя ш в диапазоне частот 1...2450 об/мин и обеспечивающий осевую нагрузку на инструмент до 300 Н, позволяет проводить исследования по изучению различных свойств СОТС при резании на операциях обработки осевым инструментом.

3. Установлено, что в случае использования пакета присадок МСХ на основе индустриального масла И-20А полученные составы СОТС, превосходят по смазочным свойствам при сверлении СтЗ до 10 % режущее масло СП-4, а на основе состава 10 (И-20А + олеиновая кислота) — составы СОТС, превосходящие на 10 % режущее масло ГСВ-1.

4. Показано, что полученные составы СОТС с хлорсодер-жащими присадками МСХ, не показывают существенно более высоких результатов по сравнению с присадками, не имеющими в составе хлора. Это позволяет при создании новых СОТС для сверления не использовать хлорсодержащие присадки МСХ, как потенциально опасные для экологии.

5. Методом планирования эксперимента были разработаны СОТС рационального состава, которые позволяют снизить силовые характеристики процесса сверления конструкционных сталей СтЗ — до 23 %, Ст45 — до 19 %, Ст40Х — до 16 % по сравнению с режущим маслом СП-4. И улучшить смазочное

действие до 43% и режущее до 9% по сравнению с обработкой без СОТС.

Основные положения диссертации отражены в следующих печатных работах

1. Маршалов М.С., Колбашов М.А., Латышев В.Н., Новиков В.В., Сырбу С.А. Влияние присадок холестерических жидких кристаллов на свойства режущих масел для металлообработки // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2010. Вып. 3 (33). С. 39—46 (перечень ВАК), автора — 0.1 п. л.

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

3. Маршалов М.С., Колбашов М.А., Латышев В.Н., Новиков В.В., Нуждина Е.Е. Свойства режущих масел с присадками жидких кристаллов // Трение и износ. 2011. Т. 32. №6. С. 489—494 (перечень ВАК), автора — 0.1 п.л.

4. Маршалов М.С., Латышев В.Н., Новиков В.В., Нуждина Е.Е., Сырбу С.А. Изучение влияние СОТС с присадками жидких кристаллов на сверление и развертывание отверстий // Металлообработка. 2011. № 6 (66). С. 7—10 (перечень ВАК), автора — 0.2. п.л.

5. Маршалов М.С., Колбашов М.А., Латышев В.Н., Нуждина Е.Е., Новиков В.В., Сырбу С.А. Исследование свойств масел с присадками холестирических жидких кристаллов при сверлении // Физика, химия и механика трибосистем. Межвуз. сб. научн. тр. 2010. Вып. 9. С 130—135, автора — 0.1 п.л.

МАРШАЛОВ Максим Сергеевич

УЛУЧШЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СОТСДЛЯ СВЕРЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ

СТАЛЕЙ ЗА СЧЕТ ПРИСАДОК МЕЗОГЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ ХОЛЕСТЕРОЛА

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

Подписано в печать 12.01.2012 г. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать плоская. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Издательство «Ивановский государственный университет» 153025 Иваново, ул. Ермака 39

61 12-5/1794

Ивановский государственный университет

УЛУЧШЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СОТС ДЛЯ СВЕРЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ЗА СЧЕТ ПРИСАДОК МЕЗОГЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ ХОЛЕСТЕРОЛА

Специальность: 05.02.07 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор

Латышев Владимир Николаевич Иваново - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ........................................................................................................4

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

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР..........................................................................................п

1Л. Классификация и функциональное действие СОТС................................................11

1.2. Способы активация СОТС................................................................................................................28

1.3. Присадки мезогенных соединений к СОТС..................................................................34

1.3.1. Механизм трибологической эффективности жидких кристаллов............35

1.3.2. Применение присадок мезогенных соединений к СОТС при трении ^ и резании..................................................................................

1.4. Выводы по главе 1..................................................................................................................................49

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ НОВЫХ СОТС С ПРИСАДКАМИ МСХ ДЛЯ СВЕРЛЕНИЯ.............................................................

2.1. Постановка задачи исследования..............................................................................................51

2.2. Концептуальные положения для отбора присадок МСХ к СОТС для ^ сверления.................................................................................

2.3. Выбор базовых составов СОТС....................................................................................................59

2.4. Выбор присадок МСХ..........................................................................................................................61

2.5. Исследование растворимости присадок МСХ в базовых СОТС..................64

2.6. Выводы по главе 2..................................................................................................................................66

ГЛАВА 3. АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ СМАЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ СОТС ПРИ СВЕРЛЕНИИ..............................

3.1. Выбор методов оценки смазывающих свойств СОТС..............................................67

3.2. Трибометрический стенд..................................................................................................................70

3.3. Методики исследования действия СОТС при сверлении......................................79

3.4. Выводы по главе 3....................................................................................................................................96

ГЛАВА 4 ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СОТС С ПРИСАДКАМИ МСХ НА

ПРОЦЕСС СВЕРЛЕНИЯ............................................................................................................................97

4.1. Влияние присадок МСХ на свойства СОТС на базе индустриального

тяопл 100

масла И-20А..............................................................................

4.2. Влияние присадок МСХ на свойства СОТС на базе режущего масла СП-4..............................................................................................................................................................................108

4.3. Влияние присадок МСХ на свойства СОТС на базе режущего масла

гсв-1..............................................................................................................................................................................115

4.4. Выводы по главе 4..................................................................................................................................119

ГЛАВА 5 ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВОВ СОТС С ПРИСАДКАМИ МСХ

ДЛЯ СВЕРЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ................................................120

5.1. Математическое планирование эксперимента..............................................................120

5.2. Анализ результатов и построение регрессионных моделей............................127

5.3. Свойства СОТС с оптимальным содержанием МСХ............................................136

5.4. Вывод по главе 5......................................................................................................................................141

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..........................................................................................142

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................................................144

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................................................................157

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

ои

Б-

отношение ё

Ь п

Яа

я

Б

ЭЕ г

т

То 1) А

о.т АЦП

длп жк

Показатель износа, мм критерий Фишера

Число витков на единицу длины стружки, см"1

Толщина образца, мм Частота вращения, об/с

среднеарифметическое отклонение профиля, мкм высота неровностей профиля, мкм коэффициент корреляции Пирсона подача инструмента, мм/об стандартная ошибка Минутная подача инструмента, мм/мин глубина резания, мм Время резания, с

Период стойкости инструмента, мин скорость резания, м/мин (м/с)

Экспериментальное среднее значение толщины стружки теоретическая толщина стружки, мкм аналого-цифровой преобразователь Датчик линейных перемещений жидкий кристалл

жксх жидкокристаллическое соединение холестерила

к Коэффициент стабильности процесса резания, с"1

Ка Коэффициент усадки стружки по толщине

лкп Лакокрасочное покрытие

м крутящий момент

мех Мезогенные соединения холестерола

нжк Нематические жидкие кристаллы

ПАВ поверхностно-активное вещество

ПК Персональный компьютер

см смазочный материал

сож Смазочно-охлаждающая жидкость

сотс смазочно-охлаждающее технологическое средство

хжк Холестерические жидкие кристаллы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы: Улучшение показателей процесса обработки металлов является главной задачей в металлообработке, которая напрямую зависит от эффективности применяемых смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). Поэтому для достижения данной задачи необходимо совершенствовать СОТС. Одним из наиболее действенных методов их совершенствования является улучшение состава СОТС посредством введения в них различных по природе и химическому строению функциональных присадок.

Общим недостатком применения функциональных присадок является в большинстве случаев их токсичность. Поэтому большой интерес вызывает замещение их в составе СОТС экологически более безопасными аналогами. К одним из таких альтернативных присадок относятся мезогенные соединения холестерола (МСХ). Данные вещества являются наиболее эффективными при трении и резании, по сравнению с другими ЖК соединениями, являются нетоксичными, не обладают канцерогенным действием, полностью биоразложимы. Кроме того, благодаря своему химическому строению молекулы МСХ способны структурироваться в зонах трибологического контакта инструмента и обрабатываемой поверхности, чем достигается их высокая смазочная способность. В последнее время были синтезированы соединения, имеющие высокие температуры термического разложения, что делает возможным применение их в процессах металлообработки.

Цель работы: Улучшение технологических свойств СОТС для сверления конструкционных сталей за счет присадок жидкокристаллических соединений.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Установить критерии отбора перспективных МСХ в качестве присадок к СОТС и разработать составы новых СОТС с этими присадками.

2. Разработать лабораторный экспериментальный стенд для исследования влияния СОТС на процессы сверления и развертывания и методику проведения испытаний на стенде.

3. Изучить влияние разработанных СОТС на силовые показатели процесса сверления.

4. Оптимизировать состав СОТС, позволяющий улучшить показатели обработки на операциях сверления.

Методы исследования. Работа выполнена на основе фундаментальных положений теории резания металлов, законов физики и химии с применением методов математической обработки экспериментальных данных. Свойства СОТС при резании определяли, измеряя момент резания, интенсивность изнашивания инструмента, а также проводили измерение шероховатости обработанной поверхности.

Научная новизна работы:

1. Сформулированы концептуальные положения по отбору перспективных ЖКСХ для формирования пакета присадок к СОТС для сверления металлов. Предлагается использовать в составе смазочной композиции различные по физическим свойствам присадки ЖКСХ, которые обеспечат непрерывное существование состояния эпитропного мезоморфизма при сверлении в зоне резания и по всей длине рабочей части сверла, где происходит движение стружки.

2. Установлена взаимосвязь смазочного действия СОТС при сверлении различных сталей от вида и содержания ранее не исследованных присадок ЖКСХ.

3. Показан сенергизм действия присадок ЖКСХ с различными температурными областями существования мезоморфизма в улучшении смазочного действия СОТС при сверлении.

Практическая ценность работы:

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

2. Разработан лабораторный экспериментальный стенд для исследования влияния СОТС на процессы сверления и развертывания и методика проведения испытаний на данном стенде.

3. Оптимизирован состав СОТС с присадками ЖКСХ, позволяющий повысить качество обработки на операциях сверления за счет снижения силовых показателей процесса на 15 % по сравнению с режущим маслом СП-4.

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 доложены на международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология (Поликомтриб-2011)» (Гомель, Беларусь, 2011), международной научно-технической конференция «Трибология — машиностроению» (Москва, ИМАШ РАН, 2010), межвузовских научно-практических семинарах «Надежность и долговечность машин и механизмов» (Иваново, ИГИПС МЧС РФ, 2010 и 2011); окружном молодежном ин-

новационном конвенте (Иваново, 2010), региональных молодежных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы трибологии» (Иваново: ИвГУ 2009-2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ общим объемом 2,2 пл., лично автору принадлежит 0,6 пл., в том числе 4 публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Обоснованность и достоверность полученных результатов диссертационной работы обеспечиваются корректным применением известных экспериментальных методик, методов статистической обработки экспериментальных данных, адекватностью построенных регрессионных моделей, воспроизводимостью экспериментальных исследований, их корреляцией с данными других авторов.

Личное участие автора состоит в постановке цели диссертационной работы, формулировке задач исследований, проведении экспериментальных и теоретических исследований, обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, подготовке публикаций по теме данной научно-исследовательской работы.

Реализация результатов работы. Результаты данной работы в качестве рекомендаций были переданы на ОАО «Машиностроительная компания КРАНЭКС» г. Иваново.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка из 128 наименований. Основная часть работы изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунка, 16 таблиц.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю член-корр. Академии технологических наук РФ, заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, д.т.н., профессору В.Н. Латышеву; преподавателям и сотрудникам кафедры экспериментальной и технической физики ИвГУ, особенно д.т.н. А.Г. Наумову, инженерам A.B. Ларионову, С.Е. Невской, И.В. Муравьевой.

За помощь при выполнении экспериментальных и теоретических исследований и оказание ценных научных консультаций автор выражает особую благодарность доценту кафедры экспериментальной и технической физики, кандидату технических наук В.В. Новикову, в соавторстве с которым сделана большая часть работы и опубликованы ее результаты.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Классификация и функциональное действие СОТС

Эффективность металлообработки - комплексный показатель, учитывающий в числе прочих условий и роль смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), их влияние на качество изделий, производительность труда и другие технико-экономичекие показатели процессов обработки металлов резанием.

Современные СОТС, как правило, представляют сложные многокомпонентные композиции, отвечающие комплексу требований к их технологическим и сопутствующим свойствам. Поскольку в практике металлообработки условия резания различаются значительно, то соответственно применяется и большое число СОТС, искусственно вводимых в зону резания. Естественно, что такие вопросы, как назначение, классификация и физико-химические основы действия СОТС, требуют особого внимания и должны быть достаточно подробно рассмотрены в первую очередь.

Все виды СОТС, несмотря на конкретные области их применения, по эксплуатационным свойствам должны отвечать таким требованиям как: соответствие современным санитарно-гигиеническим требованиям, а прежде всего, отсутствие токсичности; отсутствие коррозионной активности к оборудованию, заготовке; отсутствие разрушающего влияние на ЛКП, узлы и механизмы оборудования; быть устойчивыми при эксплуатации и хранении; не воспламеняться при температурах резания, не выделять пену, дым, клейкие вещества, не смешиваться с машинными маслами; обладать удовлетворительной разлагаемостью при обезвреживании и утилизации; экологической безвредностью отходов и др. [72, 100, 101, 123]. Так же отдельно стоит отметить, что СОТС используемые при обработке должны обеспечивать увеличение стойкости режущего инструмента и повышать качество обрабаты-

ваемой поверхности при соблюдении заданной точности обработанной поверхности. В зависимости от условий обработки СОТС должны обеспечивать смазывающее, охлаждающее, диспергирующее или моющее действие. Однако в большинстве случаев от СОТС требуется обеспечить одновременно несколько действий в различной степени. Так, например, при фрезеровании твердосплавными фрезами требуется высокое смазывающее и обязательно низкое охлаждающее действие; при нарезании резьбы метчиками и при развертывании - высоко эффективные моющее и смазывающее; при токарной обработке титановых сплавов - охлаждающее, а при обработке их фрезерованием - смазывающее действия. Поэтому при создании или выборе СОТС необходимо знать, какое действие в данных условиях резания должна обеспечивать жидкость. Предъявляемые к СОЖ требования выражаются в виде конкретных предельно-допустимых норм показателей качества [101, 102].

Выполнение этих требований приводит в конечном счете к снижению стоимости металлообработки вследствие уменьшения затрат на режущий инструмент, сокращению брака и простоев станков, связанных с заменой затупившегося инструмента.

По классификации все СОТС по их агрегатному состоянию разделены на четыре типа: газообразные, жидкие, пластичные и твердые. Рассмотрим их более подробно.

Газообразные СОТС. В качестве СОТС этого типа применяют нейтральные (азот, аргон, гелий) и активные, кислородосодержащие (воздух, кислород, диоксид углерода) газы. Активные газы не только играют роль охладителя, но и защищают поверхность трущихся металлов от изнашивания, образуя на них оксидные пленки. Однако применение газообразных СОТС не получило широкого распространения в практике.

Жидкие СОТС. Жидкие СОТС наиболее распространены. Их принято называть смазочно-охлаждающими жидкостями (СОЖ). Они разделены на классы: масляные, водосмешиваемые (водные), быстрорастворяющиеся и расплавы некоторых металлов.

Масляные СОЖ представляют собой минеральные масла с вязкостью

2 О

2-40 мм /с при 50 С, без присадок или с антифрикционными, антиизносными и антизадирными присадками, ингибиторами коррозии, антиоксидантами, антипенными и антитуманными присадками. Обладая хорошими смазочными свойствами, этот класс СОТС имеет ряд недостатков: низкую охлаждающую способность, повышенные испаряемости и пожароопасность, высокую стоимость. Масла без присадок применяют при обработке магния, латуни, бронзы, меди и углеродистых сталей при легких режимах резания. Однако они малоэффективны при обработке труднообрабатываемых ст�