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

y">    Более надежно на модельных установках противоизносные свойства СОЖ можно  проконтролировать, измеряя износ  шариков на четырехшариковой машине трения в течение одного - двух часов, создав постоянную осевую нагрузку на шпиндель. Эксперименты показали, что наименьший износ шариков имел место при использовании присадок Fenom и трибополимеробразующей присадки 1111. ТПТ улучшает приработку контактирующих поверхностей, образует на них полимер трения, который не содержит таких химически активных элементов, как сера, фосфор, хлор.

    После дополнительных испытаний на металлорежущих станках нами была рекомендована трибополимеробразующая присадка для использования в качестве компонента СОЖ. В настоящее время ведутся переговоры с Институтом машиноведения АН России о цеховых испытаниях этой присадки на ЗИЛе.

    Известно, что на выбор СОЖ оказывает  влияние химический состав инструментального  и обрабатываемого материалов. Для контроля смазочных свойств СОЖ при трении различных сочетаний инструментального и обрабатываемого материалов можно использовать машины трения, работающие по схеме «вращающий диск - неподвижный палец». Последняя схема выбрана по тон причине, что диск или палец легче изготовить, чем шарики.

    С точки зрения повышения стойкости  режущего инструмента важное значение имеет максимальная (критическая) температура, при которой сохраняется работоспособность СОЖ. Она зависит от температуры десорбции атомов и молекул, входящих в её состав. Эксперименты показали, что одной из наиболее информативных характеристик смазочных свойств СОЖ является наблюдаемая энергия активации Е_а процесса разрушения граничного смазочного слоя, которая характеризует способность смазочного материала образовывать прочные граничные слои, препятствующие металлическому контакту.

    Совместно с проф., д.т.н. И.А. Буяновским нами составлена математическая модель, позволяющая оценить трибологическую эффективность смазочно-охлаждающей жидкости.

    Сравнительные испытания СОЖ на металлорежущих станках и машинах трения показали, что наиболее информативной расчетной характеристикой смазочной способности СОЖ является энергия активации Е_а. Ее величина определяется из уравнения:

Тк_Р= ^ , (27)

Rln[Bp/(CⁿIIv^m)]

где Тц_Р - критическая температура, вызывающая разрушение граничного смазочного слоя;

    R = 8,314 Дж/(моль-К) - универсальная газовая постоянная;

    р - номинальное давление в зоне контакта;

    v - скорость относительного перемещения контактирующих деталей;

    Н - твердость поверхности при рабочей  температуре;

    С - концентрация ПАВ в СОЖ;

    В, m, п - постоянные контактирующие сопряжения;

    Е* - энергия активации, которая рассчитывается по результатам испытаний СОЖ на разных машинах трения (на разных режимах).

    Сопоставление результатов испытаний смазочных  свойств СОЖ на модельных установках по ГОСТ 9490-75* и ГОСТ 23.221-84 (в последнем  случае машина совершает медленное  вращение шпинделя, чтобы избежать нагрева шариков) и на металлорежущих станках показало, что стойкость инструмента повышается при использовании СОЖ, имеющих при равной химической активности более высокую нагрузку сваривания. Чем труднее обрабатывается материал, тем более наглядно проявляется эта зависимость.

    33. Расчет охлаждающей  способности СОЖ

    Как известно, большая часть механической энергии, затрачиваемой на резание, превращается в тепловую [12 - 17]. Основными  источниками теплоты при резании  металлов являются зона стружкообразования и те участки передней и задней поверхности резца инструмента, которые контактируют с обрабатываемой деталью и стружкой (рисунок З.1.).

'ППОСКОСТЬСЛЕИГА

 

      Рис. 3.1. Зона контакта инструмента и обрабатываемого Металла* при резании Температуры, на поверхностях контакта инструмент-заготовка, значительно выше, чем в зоне пластической деформации металла. Высокие температуры в зоне контакта оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на процесс резания [3]. Положительное влияние реализуется в нагреве поверхностных слоев заготовки до температур, облегчающих пластическое течение обрабатываемого металла, в уменьшении его сопротивления на сдвиг. К отрицательным факторам относятся ускорение диффузионного и усталостного изнашивания инструмента.

    Для источников теплоты и ее стоков, действующих в зоне резания при различных видах обработки, вид зависимости f(x„, y„, z_M, т.) сложен и, как правило, заранее неизвестен. В ранних работах по теплофизике резания, плотность тепловыделения, вызванного трением между стружкой и передней поверхностью резца, полагалась равномерной.

    В настоящее время экспериментальным  путем установлено, что на площадке контакта инструмента и обрабатываемого  металла имеют место два вида трения. Вблизи режущей кромки, в  зоне высоких давлений, возникает внутреннее трение, далее в зоне более низких давлений - внешнее трение между стружкой и резцом.

    Поэтому область тепловыделения целесообразно  представить в виде двух участков. На участке вблизи режущей кромки действует закон равномерного распределения плотности тепловыделения, а на оставшемся - экспоненциального (рис. 3.2.).

шва^

    Рис. 3.2. Графическая интерпретация закона распределения _ч плотности тепловыделения Зная вид функции f(x„, у_м, z*, х.) и q₀, влияние СОЖ на эту функцию, можно рассчитать количество теплоты, образующейся в зоне резания. На практике при анализе тепловых процессов часто решают обратную задачу. Экспериментально определяют количество теплоты Q, или среднюю мощность тепловыделения W, за время т и находят при заданном законе распределения наибольшую плотность теплового потока q₀.

    Если  предположить, что закон распределения  тепла в зоне стружко- образования  не зависит от времени, т.е. процесс  резания протекает стабильно во времени, то

qo=f/ = y , (28)

где

1= J J J Я Хи, Ум, Z„,) dx_M, dy„, dZn . (29)

V

    Формула справедлива для трех-, двух и  одномерных источников. Различие будет  лишь в интеграле I, который для  двумерного источника примет вид

I ={J f( х_и, Уи,) dx_M, dy„, (30) 

(31)

а для одномерного

1= J f(x_H) dx„.

/

 

(32)

    Снижение  температуры резания при применении СОЖ достигается в основном вследствие активного отвода теплоты с незанятых  стружкой поверхностей инструмента, примыкающих к зоне резания. Увеличение интенсивности отвода теплоты стружкой оказывает меньшее влияние на температуру в зоне резания из-за кратковременного контакта стружки с инструментом.

    

(33)

    В окрестностях точки контакта резца  с обрабатываемым материалом выделим  элементарный объем dV. Обозначим координаты точки контакта инструмента с деталью х_и, у_н z_K. За время dx в объеме dV выделится количество теплоты dQ. Отношение

q(x„,y_M, T.)=dQ/(dx dV)

    будет определять плотность тепловыделения в точке М в момент времени  т.

    

(35)

    

,2

    Чтобы определить количество теплоты Q, выделившееся во всей области J за время т, интегрируем выражение (33)

 

(34)

о

    Предположим

q (х_и, у_м, z„, t.)= q₀ f(x_M, у_и, z„, т.),

где qo - максимальная плотность выделения, Вт/м 

    Безразмерная  функция f(х_ш т.) описывает закон распределения плотности тепловыделения во времени и в объеме области J. Отрицательный тепловой поток (сток теплоты) прямо пропорционален коэффициенту теплопередачи а между СОЖ и инструментом. Понижение температуры на площадке контакта стружки и плоской поверхности резца в результате охлаждающего действия СОЖ, на наш взгляд, целесообразно рассчитать по формуле Релея:

Т(х,2)=--^Я ,, (36)

где Т(х_ьу|) - температура в данной точке резца;

    а - коэффициент теплопередачи между  СОЖ и резцом.

    Интегрирование  проводится по всей поверхности, обрабатываемой СОЖ. Отметим, что площадь, охлаждаемая  СОЖ, во много раз больше площади  контакта стружки с инструментом.

    Коэффициент теплопередачи между СОЖ и  резцом рассчитывается по числу Нуссельта  из формулы, определяющей конвективный теплообмен между поверхностью инструмента и СОЖ:

(37)

где \ - теплопроводность СОЖ, Вт/(м«К);

    К - градусы Кельвина.

    При расчете охлаждающей способности водных и масляных СОЖ следует учитывать, что теплопроводность водных СОЖ в несколько раз выше, чем масляных. В качестве примера в таблице 3.4 приведены значения теплопроводности для трех водных и трех масляных СОЖ

Таблица 3.4

Значения  теплопроводности для трех водных и  трех масляных СОЖ при комнатной  температуре

 

 
3.4. Выводы

1. Предложена многоплановая методология подбора и разработки новых составов СОЖ. Она основывается на том, что при выборе СОЖ необходимо учитывать химический состав обрабатываемого материала и инструмента, метод обработки, режимы резания, требования к точности и качеству обработанных поверхностей.
2. Разработаны методы количественной оценки режущих и смазочных свойств СОЖ путем исследования их на модельных установках.
3. Модельные и станочные испытания более десяти составов водных и масляных СОЖ показали, что наиболее информативным показателем, с точки зрения стойкости инструмента, является нагрузка сваривания Р_с.
4. Количественная оценка смазочных свойств СОЖ на четырех- шариковой машине КТ-2, разработанной в Институте Машиноведения Академии Наук России (ИМАШ), не показала ка- кой-либо связи между коэффициентом трения и технологической эффективностью СОЖ.

5. Предложена  методология расчета охлаждающей  способности водных и масляных  СОЖ. Понижение температуры на  площадке контакта стружки и плоской поверхности резца рекомендуется рассчитать по формуле Релея, а конвективный теплообмен между поверхностью инструмента и СОЖ - по числу Нуссельта.

   ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ  ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ  СОЖ НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ

    4.1. Методика экспериментального  исследования эффективности СОЖ на металлорежущих станках