Исследование влияния сож iia процесс взаимодействия инструмента ii заготовки при обработке металлов резанием

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РОССИПСКОП ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ГОУ  МГИУ)

На  правах рукописи УДК 621.9.079

Шашин Андрей Дмитриевич

        ИССЛЕДОВАНИЕ  ВЛИЯНИЯ СОЖ IIA ПРОЦЕСС ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИНСТРУМЕНТА II ЗАГОТОВКИ ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ

Специальность 05.03.01 —Технология и оборудование механической н

     физико-технической  обработки

Научный руководитель проф., д.т.н. Берлинер Э.М. Научный  консультант доц., к.т.н. Гераснн АЛ1.

     ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата  технических наук

Москва 2003

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ СОСТАВОВ СОЖ 9

1. Смазочноохлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием 9
2. Выбор СОЖ по заданным технологическим, экономическим и эксплуатационным критериям 15
3. Тепловой баланс процесса резания 23
4. Методы подачи СОЖ в зону резания 25
5. Истощение водных эмульсий в процессе эксплуатации 26
6. Улучшение санитарно-гигиенических условий обработки за счет применения эффективных СОЖ 27
7. Цель и задачи исследования 27
8. Выводы 28

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА ДЕЙСТВИЯ СОЖ  В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ 30

1. Теоретические основы повышения эффективности процесса резания за счет применения оптимальных составов сож 30
2. Расчет стойкости режущего инструмента, исходя из трибологических условий контакта системы 36
3. Влияние функциональных свойств СОЖ н0а процесс резания 42
4. Выводы 63

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА СОЖ 64

1. Методология подбора и разработки новых составов СОЖ 64
2. Исследование смазочной способности СОЖ на модельных установках  71
3. Расчет охлаждающей способности СОЖ 77
4. Выводы   82

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ  ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЖ  НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ 84

1. Методика экспериментального исследования эффективности СОЖ на металлорежущих станках 84
2. Использование методики полнофакторного эксперимента при проведен™ исследования влияния СОЖ на процесс резания 85
2. Экспериментальные исследования влияния СОЖ и обрабатываемого материала на процесс стружкообразования 87
3. Экспериментальные исследование влияния состава СОЖ на шероховатость и микротвердость опорной поверхности стружки 91
4. Экспериментальное исследование режущих свойств СОЖ 99
5. Экспериментальное исследование различных факторов, оказывающих влияние на технологические свойства СОЖ 103
6. Выводы 108

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И  ПРЕДЛОЖЕНИЯ 110

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 111

ВВЕДЕНИЕ

    Актуальность  темы. В настоящее время большое  внимание уделяется совершенствованию технологии механической обработки, повышению производительности и точности обработки деталей машин, повышению стойкости инструмента. Использование новых смазочно- охлаждающих жидкостей (СОЖ) на некоторых операциях обработки металлов резанием позволяет в 2-4 раза повысить стойкость инструмента, в несколько раз уменьшить высоту микронеровностей обработанной поверхности и остаточные напряжения, на 40-50% увеличить производительность обработки, снизить затраты энергии на резание.

    СОЖ представляют собой сложные системы, качество которых оценивается по большому количеству параметров. В настоящее время нет общепризнанной теории, объясняющей многочисленные аспекты механизма действия СОЖ, не разработаны научные основы синтеза и подбора состава эффективных СОЖ. Выбор СОЖ выполняется, в основном, эмпирическим путем - на основе личного опыта специалистов или по результатам станочных испытаний. Такой метод подбора оптимального состава требует больших временных и материапьных затрат и не гарантирует получения наилучших результатов.

    Номенклатура  СОЖ постоянно изменяется в связи  с возрастающими требованиями по производительности и качеству обработки. Результаты испытаний различных СОЖ, проведенные с разными инструментальным и обрабатываемым материалами, трудно сопоставимы. Если при подборе инструментальных материалов достаточно учитывать два - три показателя (например, теплостойкость, твердость), то для СОЖ такие критерии не найдены.

    Исследование  сложных и многообразных процессов, происходящих в зоне резания, затрудняют большие градиенты температур и  давлений в тонких поверхностных  слоях, высокие скорости деформаций. Повышение технологической эффективности  СОЖ является комплексной многокритериальной проблемой и выбранное направление исследования является актуальным.

    Объектом  исследования является СОЖ, используемые на машиностроительных заводах при обработке металлов резанием.

    Методы  исследования. Теоретические исследования проводились с использованием научных основ процесса резания металлов, технологии машиностроения, физической химии и трибологии.

    Экспериментальные исследования проводились на модельных  установках, натурных стендах и металлорежущих станках. Достоверность результатов, полученных при проведении исследований, подтверждена теоретическими разработками и экспериментальными данными лабораторных и производственных испытаний.

    Научная новизна работы заключается в  следующем:

• на основе системного подхода в работе выполнен комплексный анализ механизма действия СОЖ в процессе резания;
• предложена теоретическая модель, объясняющая механизм действия СОЖ в процессе резания;
• выполнены теоретические и экспериментальные исследования, позволяющие дифференцированно оценить режущие и смазочные свойства СОЖ.

    Практическая  значимость работы состоит в том, что предложена методика и разработаны  методы комплексных испытаний, позволяющих  разработчикам создавать новые  эффективные составы СОЖ. Применение этих разработок позволяет существенно  сократить время и материальные затраты на создание новых составов СОЖ.

    Реализация  результатов работы. Разработанные  в диссертационной работе методики прошли проверку на АМО ЗИЛ и ОАО «ЭНИМС». 

Теоретические результаты работы используются в учебном  процессе МГИУ.

    Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались  на конференции аспирантов и ученых МГИУ в Москве 2002 года и на 11 Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» в г. Пензе в 2002 году.

    Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 4-х работах, общим объемом более  одного пл. (объем авторского текста - более 0,8 п.л.).

    Структура и объем работы. Диссертация состоит  из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и изложена на 118 страницах машинописного текста, включая 12 таблиц и 18 рисунков.

    Содержание  диссертации

    Во  введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, представлены основные проблемы подбора эффективных СОЖ без проведения дорогостоящих станочных испытаний.

    В первой главе рассмотрены различные  смазочно-охлаждающие технологические  средства, используемые при обработке металлов резанием, указаны области применения различных марок СОЖ на водной и масляной основе, составлено уравнение теплового баланса в процессе резания. Обзор показывает, что опубликовано большое количество работ, посвященных исследованию и внедрению серийно выпускаемых марок СОЖ на определенных операциях механической обработки. Эффективно ли применение этих составов на других операциях обработки металлов резанием, при использовании других инструментальных или обрабатываемых материалов, прогнозировать трудно, так как не предложены научно обоснованные универсальные критерии, позволяющие прогнозировать эффективность СОЖ. На основании выполненного обзора формулируются цель и задачи исследования.

    Во  второй главе рассмотрены теоретические основы повышения эффективности процесса резания за счет применения оптимальных составов СОЖ. Предложено уравнение, устанавливающее связь между заданной стойкостью режущего инструмента Т_и, допустимым износом h и шероховатостью контактирующих поверхностей С = /(Л₂,,Л₂₂). Отмечается целесообразность подбора компонентов по их функциональным свойствам, что позволит привлечь к разработке СОЖ больший контингент специалистов, занимающихся синтезом новых присадок для автомобильных, авиационных масел, для гидравлических жидкостей. СОЖ с хорошими режущими свойствами (эффект Ребицдера) обеспечивает уменьшение прочности тончайших поверхностных слоев обрабатываемого металла, сопротивление сдвигу и уменьшение силы резания.

    В третьей главе предложена методология  подбора и разработки новых составов СОЖ. Приведены результаты количественной оценки на модельных установках (по ГОСТ 9490-75*) смазочных свойств СОЖ  и некоторых присадок, отобранных для использования в новых  составах СОЖ. Понижение температуры на площадке контакта стружки и плоской поверхности резца рекомендуется рассчитать по формуле Релся, а конвективный теплообмен между поверхностью инструмента и СОЖ - по числу Нуссельта.

    В четвертой главе описываются  методы экспериментального исследования СОЖ на металлорежущих станках, которые проводились с использованием методики полного факторного эксперимента. Для дифференцированной оценки режущих и смазочных свойств СОЖ в МГИУ был разработан и изготовлен стенд, позволяющий проводить эксперименты, используя меньше одного литра СОЖ. Для перевода эмульсии в мстаста- бильное состояние и повышения ее стабильности разработана конструкция механического активатора.

    Работа  выполнена на кафедре «Технология  и металлорежущие системы автомобилестроения» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный индустриальный университет (ГОУ МГИУ).

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ  ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ СОСТАВОВ СОЖ

    1.1. Смазочно-охлаждающие  технологические  средства для обработки металлов резанием

    В зависимости от физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки, технологического метода обработки, режимов резания и материала режу щего инструмента используют различные смазочно- охлаждающие технологические средства (СОТС), которые делят на следующие группы:

1. Жидкие составы:

• на водной основе: растворы минеральных электролитов, эмульсии, растворы мыл;
• на углеводородной основе: минеральные, животные и растительные масла; минеральные масла, в состав которых добавляют противоизносные и противозадирные присадки, содержащие фосфор, серу, хлор;
• расплавы металлов, солей и других веществ.

2. Газы и газообразные вещества: инертные и активные газы СО2, ССЦ, N₂, сжатый возду х;

3. Твердые вещества: порошки парафина, петролатума, битума; мыльные порошки.
4. Пластичные смазки: на углеводородных, мыльных, смешанных и других загустителях. Основными компонентами смазок являются минеральные и синтетические масла, мыло, твердые углеводороды и органические материалы.