Автор работы: Пользователь скрыл имя, 11 Ноября 2011 в 12:52, диссертация
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 Ти, 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.
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
На рисунке 4.4., а приведены экспериментальные зависимости Rzcrp от подачи S при резании без СОЖ. Как и следовало ожидать, величина микронеровностей растет с увеличением S, но не прямо пропорционально. При увеличении подачи в пять раз значение RZcTp возросло в 2
... 3 раза. С возрастанием скорости Vp€3 характер кривых *стр не
меняется, однако имеет место снижение абсолютных
При резании с СОЖ принципиальный характер графиков не изменился, однако отмечалась тенденция к снижению Rzcrp на 15+25%.
Несмотря
на то, что глубина резания
t в технологическом процессе является
не менее важным параметром, ее влияние
на R^ практически минимально (рис. 4.4., б).
/ | |||||
|
<20 | ||||
в |
5
0. 2. С, 6 с,8 S; мм/cf
Z,
МКМ />
/О
а)
7- 6- 5- 4-
/
X
3
X L
V=15 м/мт
СОЖ ЭРА 2- СОЖРЦ2
1,5 2,0
б)
2'5 3'° t, ММ
Рис. 4.4.
Результаты экспериментального исследования
шероховатости стружки от подачи (без
СОЖ) - а) и от глубины резания - б)
Применение СОЖ в данном случае не изменяет общего характера кривых Rz =/(/).
Наибольшие значения Rz п получены при резании без СОЖ. От-
*стр
мечена
небольшая тенденция к
Эксперименты показали, что можно рассматривать несколько критических температур на поверхности контакта инструмент-заготовка. Одна критическая температура соответствует началу температурных структур- но-фазовых превращений в материале заготовки [79] и приводит к образованию задира на прирезцовой стороне стружки. Другая критическая температура связана с температурной стойкостью адсорбированных на поверхностях контакта заготовка-деталь пленки компонентов, входящих в состав СОЖ. Еще одна критическая температура связана с интенсификацией диффузионных процессов в зоне резания, что способствует высокотемпературной ползучести прирезцовых слоев на опорной поверхности стружки и минимальному износу режущего инструмента.
Все три критические температуры связаны с физико- механическими характеристиками и химическим составом инструментального и обрабатываемого материала, используемой СОЖ. Температура в зоне контакта инструмент-заготовка в значительной степени определяет выходные характеристики процесса резания металлов: шероховатость обработанной поверхности, остаточные напряжения, износ инструмента.
43.2.
Влияние режимов резания на
микротвердость опорной
Для каждой конкретной пары материалов инструмента и заготовки существует наиболее эффективная СОЖ. Неправильно подобранная СОЖ увеличивает наклеп опорной стороны стружки и, как следствие, снижает стойкость инструмента.
На рисунке 4.5. приведены экспериментальные кривые, отражающие изменение наклепа поверхности стружки при контакте ее с передней поверхностью резца в зависимости от V^. А на рис. 4.6. приведены кривые, показывающие изменение наклепа стружки в зависимости от подачи S при различных скоростях резания Vpe3.
Анализ графиков на рис. 4.5. и 4.6. показывает что влияние Урез и S
на наклеп опорной поверхности стружки имеет более сложный характер по сравнению с изменением Rz от скорости резания V^y и подачи S.
Рис. 4.5. Результаты экспериментального исследования зависимости наклепа от скорости резания
0,8 S, мм/об
Рис. 4.6. Влияние подачи на наклеп на прирезцовой поверхности стружки
a с
о §
ГС X
л
X
о
с
ф
&
Снижение наклепа в интервале скоростей Урез — 3 + 20м /мин
(рис. 4.6.) можно
объяснять следующими
а) с возрастанием скорости резания уменьшается время контакта инструмента с опорной поверхностью стружки;
б) повышение скорости резания увеличивает температуру в зоне контакта стружка-инструмент, что интенсифицирует процесс разупрочнения и, следовательно, уменьшает наклеп.
Увеличение
наклепа с ростом скорости резания
при Урез > 20м/мин может объясняться
закалкой поверхности стружки и фазовыми
превращениями. Дальнейшее повышение
скорости
(Урез>ЪОм/мин) способствует
увеличению действия факторов, приведенных
в пунктах а) и б).
Анализ причин, изменяющих наклеп на контактирующей поверхности стружки, позволяет сделать вывод о том, что зависимость Hemp = /(Урез) принимает минимум в случае оптимальных режимов резания для данной контактирующей пары. Повышение скорости резания при точении стали 45 первоначально снижает НШр, достигая минимума в
диапазоне Vрез = 2Ом!мин, а затем наклеп повышается. Изменение подачи S вначале приводит к уменьшению наклепа на скоростях Vpe3 <20м/мин и лишь на повышенных скоростях (К^^ЗОм/мин)
имеет место устойчивое повышение наклепа контактирующей поверхности стружки.
Таким образом, имеет место тесная взаимосвязь между Л* > Нстр, используемыми СОЖ и режимами резания. Проведенные эксперименты подтверждают сложную (неоднозначную) природу процесса резания.
4.4. Экспериментальное исследование режущих свойств СОЖ
В процессе обычных испытаний СОЖ на металлорежущих станках трудно дифференцировать режущие и смазочные свойства СОЖ, так как и те и другие способствуют уменьшению сил резания. Их отличие состоит в том, что режущие свойства СОЖ облегчают процесс резания за счет снижения прочности тончайших поверхностных слоев обрабатываемого металла, а смазочные - за счет уменьшения сил трения между инструментом и заготовкой.
Наиболее информативными операциями с точки зрения режущих и смазочных свойств СОЖ, на наш взгляд, являются такие операции, как сверление, зенкерование, развертывание, нарезание резьбы.
Для дифференцированной оценки режущих и смазочных свойств СОЖ в МГИУ был разработан и изготовлен стенд, позволяющий проводить эксперименты, используя меньше одного литра СОЖ (рис. 4.7.). Стенд устанавливался на столе вертикально-сверлильного станка 1 мод. 1А135.
СОЖ 5 заливалась в цилиндр емкостью 1-1,5 литра, внутри которого закреплена обрабатываемая заготовка. Цилиндр 3 устанавливался на столике тснзометрического динамометра б, позволяющего по показаниям миллиамперметров 8 определить составляющие усилия резания Рх, Ру, Рх и крутящий момент Мк.
Оценка
«режущих» свойств СОЖ
Время сверления в минутах
S ■ / 'У | ||||
Без | Масло | И12А | Вода | |
СОЖ | И -12 А | + 5% | ||
ТПТ | ||||
У |
СОЖ
Рис. 4.8. Влияние СОЖ на время сверления отверстия постоянной глубины при постоянной оссвой нагрузке на шпиндель станка
Результаты
испытаний приведены на рисунке
4.8. Они показали, что максимальная
подача сверла наблюдалась в масле,
минимальная - в воде. Очевидно, это
связано с тем, что масло обеспечивает
снижение сил трения на поверхностях контакта
инструмент - заготовка. Трибополимеробра-
зующая (ТПТ) присадка способствовала
образованию на поверхностях контакта
защитных пленок, затрудняющих процесс
резания. Минимальная подача сверла на
1 оборот шпинделя была отмечена при использовании
воды. Возможно, это связано с уменьшением
скорости окислительных процессов в зоне
резания по сравнению с обработкой на
воздухе.
4.5. Экспериментальное исследование на шлифовальном станке различных факторов, оказывающих влияние на технологические свойства СОЖ
Одним из важных технологических показателей процесса резания является шероховатость обработанной поверхности, которая зависит не только от используемой технологической системы (станок - приспособление - инструмент - деталь), но и от используемой СОЖ и затупления инструмента. Результаты лабораторных испытаний СОЖ различных типов на шероховатость шлифованной поверхности деталей из стали ШХ15 при шлифовании в течении 6 минут кругом 25А40СМ26К5 на плоскошлифовальном станке приведены на рисунке 4.9. Улучшение смазочных свойств СОЖ, за счет перехода с водной основы на масляную привело к уменьшению шероховатости обработанной поверхности. Минимальную шероховатость поверхности обеспечила масляная СОЖ, содержащая специальные пластифицирующие компоненты (олеиновую кислоту). Действие этих компонентов связано не только с улучшением смазывающих свойств СОЖ, но и с изменением физико-механических характеристик тончайших поверхностных слоев заготовки.
Опыт
эксплуатации СОЖ в цеховых условиях
показывает, что необходимо учитывать,
что не на всех операциях абразивной обработки
улучшение смазочных свойств СОЖ приводит
к улучшению выходных параметров. При
внутреннем шлифовании и суперфинишировании
из-за недостаточной жесткости системы
может снизиться производительность обработки,
ухудшится качество поверхности вследствие
отжатия шпинделя и увеличения количества
зерен, скользящих по обрабатываемой поверхности
и не участвующих в процессе резания.
. MKM
Ra
0,8- 0.7- 0,6-
Л,
5,
0,5 - 0,4 - 0,3-
I I Г
+ Тмин
1
2 3 4 5
Рис. 4.9. Влияние состава СОЖ на шероховатость шлифованной поверхности: 1- 2,5% раствор триэтаноламина в воде; 2 - 2,5%-ная водная эмульсия; 3 - масло И-12А; 4 - масляная СОЖ; 5 - масляная СОЖ с добавлением олеиновой кислоты
Следует отметить, что на шероховатость шлифованной поверхности влияет не только химический состав СОЖ, но и методы получения ее компонентов. Так, добавление синтезированной олеиновой кислоты, в отличие от обычно применяемой, практически не влияло на шероховатость шлифованной поверхности.
Использование
эффективных эмульсий является одним
из перспективных направлений улучшения
технологических параметров процесса
шлифования. Содержащиеся в эмульсии масла
способствуют снижению в
зоне резания сил трения между абразивными зернами и обрабатываемым металлом; вода, являющаяся основой таких СОЖ, обеспечивает лучший охлаждающий эффект. Стоимость эмульсий, как правило, ниже, чем масляных СОЖ. Они обладают лучшими санитарно-гигиеническими свойствами и обеспечивают большую экономию нефтепродуктов.
Повышение концентрации масла в эмульсии уменьшает шероховатость обработанной поверхности при шлифовании. Очевидно, это связано с тем, что увеличение масляной составляющей в СОЖ способствует снижению сил трения между абразивным кругом и заготовкой. Эксперименты в цеховых условиях ЗИЛа подтвердили существование оптимальных концентраций масляной фазы, при которой обеспечивается максимальная производительность или минимальная шероховатость обработанной поверхности, причем значение оптимальной концентрации может колебаться в зависимости от выбранного технологического показателя.
Добавление в состав СОЖ противозадирных и противоизносных присадок позволяет обрабатывать заготовку на более форсированных режимах. Однако на станках с магнитным столом улучшение смазывающих свойств СОЖ может привести к сдвигу заготовки в процессе шлифования под воздействием сил резания, что недопустимо.
В процессе эксплуатации некоторых эмульсий отмечено их расслоение с выделением масляной фазы. В силу того, что масляная фаза лучше смачивает обрабатываемый металл, чем водная составляющая, то происходит истощение эмульсии.
Проведенные цеховые испытания эмульсий, в процессе которых контролировалась их стабильность, показали, что эмульгируемое масло часто отслаивается. В отдельных случаях наблюдалось обильное пенооб- разование. Основная причина расслоения эмульсий - попадание загрязнений в резервуары, используемые для эксплуатации СОЖ, или насосы, обеспечивающие ее подачу.
На стабильность эмульсии оказывают влияние соли жесткости воды, из которой приготавливается эмульсия. Для уменьшения жесткости воды используются специальные реактивы, взаимодействующие с содержащимися в ней солями магния и кальцием. Если показатель концентрации водородных ионов (рН) ниже 7, то усиливается коррозионная агрессивность эмульсий, а если концентрация водородных ионов выше 10, то происходит коррозия стали и алюминиевых сплавов.
Проведенный автором анализ эффективности работы СОЖ в цеховых условиях ЗИЛа показал, что наибольший эффект от применения СОЖ наблюдается при обработке вязких и пластичных металлов. Снижение сил трения у режущей кромки инструмента приводит к уменьшению наростообразования, улучшает условия для удаления стружки и абразивных частиц из зоны резания. Минимальный эффект от применения СОЖ наблюдается при обработке чугуна и других хрупких материалов.
4.5.1.Улучшение технологических параметров процесса резания за счет активации СОЖ
Улучшения
технологических параметров процесса
резания можно достичь за счет
повышения реакционной
В качестве примера назовем следующие методы активации [70]: • химическая - ее можно осуществить, добавив перекись водорода;
Недостаток
большинства известных
1
Рис. 4.10. Механический активатор
Корпус 1 активатора ввертывается одним концом в трубопровод, по которому СОЖ под давлением подается в зону обработки. Жидкость с большой силой ударяется о пластину 2 из пружинящего материала. Зазор между корпусом и пластиной регулируется шайбой 5. Крепление шайбы и пластины к корпусу производится винтом 4. На корпус 1 навернута втулка 5. Резиновая прокладка б обеспечивает герметичность стыка. На втулку навинчивается патрубок, через который СОЖ подается в зону обработки. При проведении экспериментов использовалась втулка, на конце которой была нарезана резьба диаметром 1\2 дюйма. Энергия активации, сообщаемая СОЖ в результате ее столкновения с вибрирующей пластинкой, зависит от скорости перемещения жидкости внутри корпуса зазора I, толщины и упругости пластины, которая вибрирует под напором струи.
После удара о поверхность твердой вибрирующей пластины происходил разрыв внутримолекулярных связей СОЖ, что ускоряло образование граничных пленок в зоне резания и способствовало снижению адгезионных связей абразивное зерно - обрабатываемый металл/ Механическая активация способствовала многократному повышению стабильности эмульсии, уменьшению шероховатости обработанной поверхности на 30 - 40%, снизила удельную мощность шлифования.
4.6. Выводы
таких режимных факторов, как скорость резания, подача и глубина резания.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Химия, 1981.-372 с.
11 .The machine tool industry outlook. England, Japan //1998, X*32, P. 17-26.
22.Чулок А.И., Лобанцева B.C. Термический анализ эффективности действия СОЖ. - М.: ВНИИТЭМР, 1988. - 40 с.
2000. 208 с.
М.: Машиностроение, 1978, - 142 с.
47.0всеенко А.Н. Gajek М., Серебряков В.И. Формирование состояния поверхностного слоя деталей машин технологическими методами - Opole: Politechnika Opolska, 2001. 228 с.
52.3ахарченко И.П. Эффективность обработки инструмента сверхтвердыми материалами. - М.: Машиностроение, 1982. - 224 с.
71.3орев
Н.Н. Вопросы механики
74.3акураев
В.В., Шивырев А.А.