Підвищення ефективності механічної обробки деталей з використанням полімервмісних МОТЗ

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МАКАРОВ СЕРГІЙ МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 621.941.1

Підвищення ефективності механічної обробки деталей з використанням полімервмісних МОТЗ

Спеціальність 05.02.08 - технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса - 2008 р.

Дисертацією є рукописом.

Робота виконана на кафедрі технології машинобудування Херсонського національного технічного університета Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,Сошко Олександр Іванович Херсонський національний технічний університет, завідувач кафедри технології машинобудування

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ларшин Василь Петрович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри технології машинобудування;

кандидат технічних наук, Рижов Юрій Едуардович, Інститут надтвердих матеріалів імені В.М. Бакуля НАН України, старший науковий співробітник.

Захист відбудеться “27“ червня 2008 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.02 при Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, просп. Шевченка, 1

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, просп. Шевченка, 1

Автореферат розісланий “27“ травня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Г.О. Оборський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Характерною світовою й вітчизняною тенденцією нашого часу є неухильне подорожчання продовольчих і енергетичних ресурсів. У цьому зв'язку розвиток прогресивних технологій виготовлення продукції сільськогосподарського машинобудування безсумнівно ставиться до стратегічного напрямку розвитку АПК України. Застосування мастильно-охолоджуючих технологічних засобів (МОТЗ) у технології виготовлення відповідальних деталей сільскогосподарських машин є одним із способів покращення якості їхньої обробки тобто якості поверхні та поверхневого шару деталей, а також точності обробки.

З багаточисельних результатів досліджень по даній проблемі слід відмітити напрямок по використанню у якості ефективних присадок до МОТЗ високомолекулярних сполук завдяки їх глибокого та багатобічного впливу на фізико-хімічні і механічні процеси і явища, що відбуваються в зоні різання.

Досвід впровадження таких МОТЗ показав, що вони значно покращують кількісні значення оброблювання сталей. Оскільки оброблюваність сталей обумовлюється критеріями інтенсивності зносу інструменту, який залежить від параметрів механічної обробки, значень сили різання і температури, а також набуттям при обробці якості поверхневого шару металу, тому ефективність МОТЗ оцінювалася шляхом порівняння цих параметрів, визначених при різних видах механічної обробки в МОТЗ з добавками полімеру і без нього.

Слід відмітити, що науковий підхід до створення високоефективних МОТЗ можливий при умові вивчення фізико-хімічних особливостей та закономірностей взаємодії елементів системи «МОТЗ-оброблюваний матеріал-інструмент». На даний час значну ефективність дії МОТЗ на основі полімеру пояснюють піролітичним перетворенням високомолекулярної добавки до МОТЗ, що в кінцевому етапі приводить до утворення водню і вуглецю в атомарній, або іншій активній формі. Виходячи із цього була висунута гіпотеза про перманентну карбонізацію ріжучої крайки інструменту та наводнюванню матеріалу заготівки. При вирішенні цієї проблеми на користь висунутої гіпотези були отримані деякі експериментальні результати, але вони, безумовно, потребують подальшої проробки та апробації. Пізнання законів такого виключно складного по своїй багатоплановості та екстремальності умов протікання процесу при неперервному поливі рідиною з декількома десятками розчинених і емульгованих у неї компонентів, надзвичайно утруднено експериментально.

Мабуть, тому до цього часу нема експериментального доказу про наявність водню в зоні різання та його можливий вплив на механічні властивості пластично деформованого металу перед лезом інструменту. Тому подальше вивчення фізико-хімічних процесів і явищ у зоні різання, створення високоефективних середовищ для вирішення питань підвищення продуктивності, покращення якості обробки та зменшення його трудомісткості, а також їх практична реалізація є актуальними і перспективними . В цій частині при виконанні дисертаційної роботи було виділено і розглянуто ряд задач, рішення яких дає можливість продвинутися в даному питанні. Серед них найбільш важливі є – виявлення детального складу газоподібних продуктів перетворення полімерної присадки до МОТЗ в зоні різання, кількісна оцінка трибологічної активності цих газів та вплив складової суміші хімічних елементів на параметри і характеристики механічної обробки сталей.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні етапи дисертації виконані відповідно до планів науково-дослідних робіт кафедри машинобудування Херсонського Національного технічного університету Міністерства освіти і науки України, № ДР01051007230 на тему «Підвищення ефективності механічної обробки деталей із застосуванням полімервмісних мастильно-охолоджуючих технологічних засобів», а також за темою: «Фізико-хімічні основи прискорення легування твердого тіла під час його пластичної деформації», утвердженого рішенням експертної ради при НАН України № 2 від 25.12.2006. Дисертаційна робота також пов’язана з виконанням Постанови Кабінету Міністрів України від 17.05.96 р. № 538 «Про прискорення створення й організації виробництва вітчизняного зернозбирального комбайну».

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення продуктивності й якості механічної обробки деталей та покращення їх експлуатаційних властивостей, шляхом застосування в складі МОТЗ спеціальної додаткової компоненти на основі високомолекулярної сполуки певного фізико-хімічного складу й концентрації.

Для досягнення вказаної мети необхідно вирішити наступні задачі:

- розробити методику дослідження, для вивчення впливу рідких та газових середовищ на параметри процесу різання (з урахуванням взаємодії з металом елементів деструктуємої полімерної присадки до МОТЗ під час різання);

- установити фізико-хімічні принципи вибору складових полімерної присадки до МОТЗ, закономірності впливу складу полімерної МОТЗ на технологічні та енергосилові параметри процесу різання в залежності від його хімічного складу й деяких механічних властивостей;

- виявити закономірності впливу складу МОТЗ на технологічну спадкоємність поверхневого шару металу, що формує експлуатаційні характеристики деталей;

- запропонувати схему механізму різання сталей у присутності МОТЗ із полімерною добавкою;

- розробити рекомендації до створення нормативно-технологічної документації з механічної обробки деталей, впровадити результати дисертаційної роботи й провести промислове їх випробування.

Об’єкт дослідження – технологічні операції механічної обробки деталей сільськогосподарського машинобудування із застосуванням полимервмісних МОТЗ.

Предмет дослідження – вплив полімерної присадки до МОТЗ на продуктивність й якість механічної обробки деталей.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження здійснювалися на базі наукових основ технології машинобудування і, зокрема, технології різання матеріалів, а також теорій механохімічних та плазмохімічних процесів при різанні. Експериментальні дослідження впливу МОТЗ на оброблюваність сталей різанням проводили за допомогою математично-статистичного метода багатофакторного експерименту, а також з використанням профілографії, мікроструктурного та рентгеноструктурного аналізів, ОЖЕ-спектроскопії обробленого матеріалу і рентгенофазового аналізу леза інструменту. Кінетику піролітичної деструкції полімерної компоненти МОТЗ визначали під час різання з використанням газової хроматографії. Дифузію водню в метал, що деформується лезом інструмента, вивчали за допомогою мас-спектрометра (за методикою температурно-програмного нагріву зразку). Для оцінки впливу газових середовищ (утворюються в зоні механічної обробки при розкладі полімерної МОТЗ) на параметри різання виготовлена спеціальна гермокамера, конструкція якої дозволяє компонувати її з металообробним верстатом.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Теоретично й експериментально доведено вплив полімервмісних МОТЗ на збільшення зносостійкості різального інструменту і, як наслідок, на збільшення продуктивності й точності обробки деталей. Встановлені залежності зносостійкості інструменту, енергосилових характеристик та параметрів технологічної спадкоємності обробленої поверхні деталей сільгоспмашинобудування, від технологічних параметрів різання - швидкості різання, подачі й глибини різання.

2. Доведено, що під дією температури в зоні різання відбувається деструкція полімерного компоненту МОТЗ. Якщо в якості добавки до МОТЗ використовувати полівінілхлорид (ПВХ), деполімеризація полімеру йде з утворенням суміші високоактивних газоподібних продуктів - насичених і перенасичених вуглеводів, водню та пірополімерного залишку. Суміш хімічно активних елементів може вступати у слідуючи вторинні процеси і явища: при взаємодії водню і хлору створюється з’єднання HCl, яке адсорбується на ювенільній поверхні сталі з утворенням неорганічної солі FeCl_>2> , а при її окисленні – FeCl_>3>. Під дією температури в зоні різання ці солі плавляться з утворенням на поверхнях тертя плівки з малим опором зсуву, що зменшує коефіцієнт тертя.

3. Встановлено, що після адсорбції, відбувається активна дифузія водню в метал, в зону максимальної концентрації механічних напруг. При цьому можливі наступні процеси і явища:

в результаті хемосорбції водню знижується рівень поверхневої енергії металу;

при дифузії водню у гратку металу відбувається її викривлення, що створює додаткові пружні напруги;

дифузія водню по дефектам металу та його молезація може створювати в цих місцях не тільки пружні, але й пластичні деформації;

у результаті взаємодії водню з елементами, якими легована сталь, можуть створюватися гідриди – хімічні крихкі з’єднання з гіршими механічними властивостями (у порівнянні з оброблюваним матеріалом).

4. Досліджені в роботі процеси і явища, що виникають у зоні різання при обробці деталей в полімерному МОТЗ дали підставу розглядати цю механічну обробку, як механохімічну, яка відтворюється в результаті спрямованої дії активних хімічних елементів МОТЗ.

Практичне значення одержаних результатів полягає у визначені умов та режимів механічної обробки деталей сільгоспмашинобудування в полімерних МОТЗ. Показано, що добавка до МОТЗ полімеру певної фізично-хімічної властивості й концентрації може збільшити зносостійкість інструменту при зменшенні енергетичних витрат до 30% і покращення показників якості обробленої поверхні. Розроблені рекомендації щодо корекції технологічних параметрів механічної обробки сталевих деталей з урахуванням дії полімерної МОТЗ. По тематиці дисертаційної роботи отримано два патенти України.

Результати наукових досліджень передані департаменту тракторного і сільськогосподарського машинобудування Міністерства промислової політики України для використання в організаційно-технологічній підготовці виробництва на підприємствах сільгоспмашинобудування.

Особистий внесок здобувача полягає в постановці і обґрунтуванні актуальності і доцільності роботи, практичному аналізі наукової та патентної інформації, що дозволило сформулювати мету роботи і завдання, які потрібно вирішити для її досягнення; в створенні гермокамери та розробці методики дослідження процесу різання у вакуумі та газових середовищах Під керівництвом та при безпосередній участі автора досліджена зносостійкість різального інструменту в залежності від хімскладу сталі, її механічних властивостей, при різних значеннях швидкості, подачі та глибини різання в умовах дії полімерної МОТЗ; визначені умови і режими механічної обробки деталей в полімерних МОТЗ та розроблені рекомендації щодо розрахунку технологічних характеристик обробки сталей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях та семінарах: «Нові технології, методи обробки та зміцнення деталей енергетичних установок» (м. Алушта, 2004 р.); «Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки й технологій для сільського господарства України» (2004-2005 р.); «Машинобудування й техносфера 21століття» (м. Севастополь, 2005 р.); сьомої та дев’ятої міжнародної практичної конференції-виставки «Технологія ремонту, відновлення й зміцнення деталей машин, механізмів, обладнання, інструменту й технологічної оснастки» (м. С.Петербург, 2005 р, 2007 р.); «Техніко-технологічні аспекти розвитку випробувань нової техніки та технології для сільського господарства України” (Київ, 2004 р.); «Обмін досвідом: технологія машинобудування» (м. Харків, 2005 р); розширених засіданнях кафедри «Технологія машинобудування» ХНТУ (м. Херсон, 2005, 2006р.) та науково-технічному семінарі ВАТ «Херсонські комбайни». (м. Херсон, 2004 р.), а також на науково-теоретичному семінарі в ІНМ ім. В.М. Бакуля НАНУ (2007 р.).

Публікації за темою дисертації. За результатами дослідження опубліковано 11 наукових робіт у провідних фахових виданнях і два патенти України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, загальних висновків, додатків. Повний обсяг дисертаційної роботи складає 133 сторінки, з них 9 таблиць за текстом, 37 рисунків на 24 сторінках, 3 рисунків за текстом, додатки на 59 сторінках, список використаних літературних джерел з 188 найменувань на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності роботи, формулювання мети і завдань дослідження, розкрито сутність і стан наукової проблеми та її значення, сформульовано ряд основних положень, що виносяться на захист, представлене практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проведено аналіз сучасного стану наукових досліджень про вплив МОТЗ на процес різання при механічної обробці деталей машин. Проведено аналіз літератури по впливу МОТЗ на вибір швидкості й режимів різання при механічній обробці різанням. Установлено можливість збільшення швидкості різання при наявності МОТЗ. Висловлено гіпотезу про те, що позитивний вплив МОТЗ проявляється через збільшення розмірної стійкості інструмента, що входить як окремий параметр у математичну модель процесу. Проведено аналіз досліджень відомих наукових шкіл (Петров М.П., Резніков А.М., Фукс Г.І., Латишев В.Н., Наумов А.Г., Подгорков В.В., Мельников В.Г., Худобін Л.В., Ентеліс С.Г., Берлінер В.М. Чеповецький І.Х., Клименко С.А., Сошко О.І., Рижов Ю.Е. Шаповал Б.С., Стулий А.А.). Показано, що кількості теплоти, що виділяється в зоні різання, достатньо для проходження термодеструкції полімерної компоненти МОТЗ із виділенням газової суміші. Перші експериментальні дані, що отримані при вивченні цієї проблеми, свідчать про те, що деякі гази, що виділяються при піролізі полімерної присадки до МОТЗ (емульсії поліетилену або поліхлорвінілу) демонструють трибологічну активність, яка проявляється в зменшені крутного моменту при точінні сталі в атмосфері відповідного газу. Показано також, що ланцюг піролітичних перетворень закінчується утворенням водню й вуглецю в активній формі. У свою чергу водень створює гідриди (з металами групи IVB, VB, VIB) та істині розчини (з хромом, залізом, нікелем, молібденом та ін.). Зроблено припущення, що саме водень і відповідає за ефекти, які спостерігаються при використанні полімерної МОТЗ. Разом із тим, до цього часу нема підтверджуючих експериментальних даних, які б свідчили про головну роль водню в прояві високої ефективності полімерної МОТЗ. Показано, що в зоні різання одночасно проходять слідуючи явища: з одного боку, безперервно оновлюється оброблювальна поверхня з утворенням ювенільної, мозаїчної поверхні заліза з легованими, хімічно активними до водню елементами (хрому, нікелю, вуглецю та іншими) з одночасною емісією електронів і виділенням тепла, а з другого – створюються хімічно активні елементи в результаті термодеструкції полімерної складової МОТЗ, які взаємодіють з цією поверхнею. Наведений аналіз досліджень дає підставу прогнозувати, що питання впливу полімерної МОТЗ на процес різання з часом може стати складовою відомого поважного наукового напряму який вивчає проблеми водневої крихкості металу.

Приведений аналітичний огляд наукових праць свідчить про перспективність МОТЗ на основі полімерів і дозволив сформулювати мету, і задачі досліджень.

У другому розділі на основі аналізу відомої математичної моделі процесу різання отримана загальна формула для визначення швидкості різання з урахуванням фактора МОТЗ

, (1)

де – збільшена швидкість різання, яка забезпечує необхідну (зменшену до базового рівня) стійкість ріжучого інструменту, м/хв; ,,,, – коефіцієнти; , – глибина різання (мм) і подача (мм/об); – коефіцієнт технологічної ефективності МОТЗ, який ураховує її вплив на режими різання, . Причому

, (2)

де , – новий (із застосуванням нового МОТЗ) і базовий (із застосуванням базового МОТЗ) періоди стійкості різального інструменту.

Надається методика визначення коефіцієнта із порівняння кривих зносу для базового (традиційного) и розробленого (нового) МОТЗ.

Обґрунтовано вибір сталей для дослідження, які використовуються як оброблюваний матеріал при виготовленні типових деталей сільськогосподарського машинобудування. Наведено методи досліджень та прилади. Автором запропонована гіпотеза, за якою стверджується, що при обробці деталей з полімерними МОТЗ у зоні обробки (під дією підвищеної температури) полімерна компонента МОТЗ підлягає деструкції і на кінцевої стадії процесу утворюється газова система, у якій протікають плазмохімічні процеси.

Для експериментального визначення впливу цього явища на характеристики механічної обробки розроблено й виготовлено вакуумну гермокамеру (рис.1), в якій відбувалося точіння та свердління зразків у різних середовищах.

Рис. 1. Зовнішній вигляд гермокамери: 1 – фланець кріплення для вводу руху верстату; 2 – фланець кріплення для установки тензометричного блоку; 3 – оглядове вікно; 4 – штуцер для вакуумної установки; 5 – шпиндель; 6 – штуцер для відводу газів; 7 – тензометричний блок.

В цих експериментах, контроль та заточення інструменту здійснювали за відомими стандартами. Знос різального інструменту вимірювали на інструментальному мікроскопі МІМ-2. За допомогою мікроскопу також виконувався контроль заточення свердла. Затуплення різця визначали за найбільш зношеними ділянками задніх поверхонь інструменту, а за критерій затуплення свердла приймався знос (0,4…0,8 мм) задньої грані. За такий же спосіб проводили оцінку зносу інструменту при випробуваннях на промисловому обладнанні.

В основу методики визначення ефективності МОТЗ при хонінгуванні покладена оцінка зносу хон-брусків та шорсткість оброблювальних поверхонь.

Для заміру складових сили різання при точінні використовували динамометр - різець на якому клеїли активні та компенсаційні тензодатчики. У якості добавок до промислових МОТЗ, або для створення нових полімерних МОТЗ використовували поліетиленову емульсію ОКСАЛЕН-80 молекулярної маси 100000 та емульсію полівінілхлориду (ПВХ). Оцінка трибологічної активності газів також виконувалась за допомогою гермокамери – приставки до токарного верстату із пристосуванням для виміру крутних моментів (рис.1).

Газова фракція, що утворювалася в зоні різання на кінцевій стадії перетворень макроланцюгів полімеру, який входив до складу у МОТЗ аналізувалася на газовому хроматографі СНRОМ-5. Висока чутливість хроматографа дозволяла ідентифікувати гази, які присутні в кількості не менше 10 моль.

Для виявлення водню, який утворювався під час термомеханодеструкції полімерної присадки до МОТЗ, було використано метод температурно-програмованого нагріву (ТПН) зразку полімеру, який розташовувався у вакуумній камері, з одночасною масспектрометричною реєстрацією.

Такий аналіз виконувався при пластичній деформації зразків сталі під дією зусиль тиску та при різанні сталі в термокамері. У роботі використовувалися також відомі методи аналізу тонкої кристалічної структури металу після механічної обробки, хімічного складу поверхневих шарів металу (ОЖЕ-спектроскопія), залишкових напружень, мікротвердості тощо. В результаті математично-статистичної обробки експериментальних даних було отримано групу параметрів, які характеризують із заданою імовірністю результати дії двох зразків порівняльних МОТЗ.

Наведена методика математичного моделювання ефективності дії МОТЗ з отриманням регресійних моделей складової системи впливу МОТЗ на процес різання стальних деталей за рахунок багатофакторного експерименту і використанням алгоритму RASTA 3, програмного засобу ПС ПРИАМ (розробка НТУУ «КПІ»).

Третій розділ присвячено експериментальним дослідженням, проведення яких дозволило виявити ефективність дії полімерної МОТЗ на процес різання в залежності від параметрів механічної обробки та фізико-хімічних і механічних властивостей оброблюваного матеріалу. Широку номенклатуру сталей з різноманітними характеристиками умовно було поділено на три групи за ознакою їх хімічних і механічних властивостей, що дало можливість випробовувати в експерименті не всю безліч сталей, що входять в дану групу, а його окремого, найбільш типового представника. Вибіркові експерименти підтвердили правдивість такого рішення, оскільки випробування сталей із граничними властивостями кожної групи показали розбіжність між ними, яка не перевищувала 10%. До сталей першої групи були віднесені вуглецеві якісні

конструкційні сталі, які термооброблювалися на твердість 160-180 НВ. Друга група – конструкційні леговані сталі з твердістю 180-200 НВ і третя група сталей – інструментальні леговані, які мали твердість після термообробки 220-240 НВ. Вплив полімерної присадки до МОТЗ на оброблювання трьох груп сталей визначали шляхом їх механічної обробки на операціях точіння, фрезерування, свердління, різьбонарізання, зубофрезерування, шліфування, хонінгування за допомогою МОТЗ різного складу. Випробувались наступні склади технологічної рідини.

1. Відомий склад (а.с. № 667582): латекс полівінілхлориду – 3%; нітрат натрію – 0,1%; тріетаноламін – 0,1%; поліоксіетільований спирт – 0,1%; вода – до 100%.

2. Модельні середовища на основі води з добавкою полімеру, а також гази, хімічний склад яких відповідає складу продуктів деполімеризації компоненти в МОТЗ.

3. На основі індустріальної олії з добавкою 1,0 % поліетилену (оптимальна концентрація полімеру визначалась експериментально) ;

4. На основі товарного емульсолу ЕТ-2 з добавкою 2% латексу ПВХ.

Точіння здійснювалося твердосплавним прохідним різцем ( = 6⁰, = 10⁰, = 75⁰) перетином 25-20 мм. За критерій зношування інструмента було прийняте знос (0,3 мм) по задній поверхні. Контроль зношування виконувався з точністю 0,01 мм на інструментальному мікроскопі. Шорсткість поверхні визначалася профілометром моделі «Калібр 253».

Торцеве фрезерування виконувалося торцевою фрезою (діаметр 100 мм, твердосплавні ножи зі сплаву Т5К10, число зубів 6, геометрія зуба: = 5⁰, = 15⁰)при S = 300 мм/хв, = 157 м/хв і різних значеннях глибини різання .

Свердління проводилося свердлом Р6М5 діаметром 3 мм при = 6 м/хв і = 0,2 мм/об.

Вплив діаметра свердла на ефективність впливу МОТЗ оцінювали при цих же режимах механічної обробки.

Для зручності оцінки МОТЗ використовувались безрозмірні коефіцієнти (відношення характеристик в полімерних МОТЗ і без полімерної присадки) впливу середовища: Е_>Т> – зносостікійсть інструменту; Е_>Ш> – шорсткість обробленої поверхні; Еn – потужність різання.

Надані результати дослідів по виявленню закономірності зміни стійкості металорізального інструменту та енергосилових характеристик при різних режимах та видах механічної обробки (точіння, свердління, торцеве фрезерування) у залежності від присутності в МОТЗ високомолекулярної сполуки. Проведені досліди показали, що у всіх випадках полімерна присадка до МОТЗ забезпечує значне підвищення зносостійкості інструменту.

На рисунках наведені результати експерименту з оцінки ефективності дії МОТЗ на стійкість інструменту Ет (рис.2, а), витрату потужності на процес механічної обробки Еn (рис.2,б) та шорсткість обробленої поверхні Еш (рис.2,в). По осі ординат відкладені значення зміни дослідної характеристики у вигляді коефіцієнту Е.

Коефіцієнт Е вираховувався, як відношення значення визначаємої характеристики при обробки в МОТЗ з добавкою полімеру до значення цієї ж характеристики, отриманої при обробки сталі з базової (вихідної) МОТЗ.

Результати експерименту свідчать про те, що при точінні зі збільшенням подачі від 0,01 до 0,14 мм/об відбувається істотний вплив дії полімерної добавки до МОТЗ на головні технологічні характеристики процесу точіння, що відбивається на збільшенні коефіцієнтів Ет, Еn i Eш (рис.2, а,б,в). При збільшенні подачі, вплив полімерної присадки майже не збільшується.

Слід відмітити, що характер дії полімерної добавки до МОТЗ на коефіцієнти Ет, Еn i Eш в залежності від значення швидкості точіння – подібний до характеристик залежності коефіцієнтів ефективності від подачи S.

Як видно з наведених даних, ефективність дії полімерної присадки до МОТЗ проявляється при механічній обробці деталей із сталей усіх трьох груп, але кількісне значення визначаючих характеристик (ефективність дії полімерної МОТЗ) значно залежить від хімічного складу та твердості матеріалу оброблюваних деталей.

Це пояснюєься тим, що дія полімерної присадки на оброблюваність сталей пов’язана із багатостадійними процесами руйнування макроланцюга полімеру з утворенням активних хімічних елементів, а швидкість їх утворення та концентрація залежить від температури в області різання. В той же час температура в зоні обробки, як правило, збільшується із підвищенням швидкості, подачі та глибини різання, а також механічних властивостей сталей. Тому і коефіцієнти ефективності дії МОТЗ збільшуються із підвищенням швидкості обробки, подачі й глибини.

У відмінності від точіння, коли тепловий режим роботи леза стає практично незмінним (температура в зоні обробки не змінюється), торцеве фрезерування являє собою переривчастий процес. Циклічне охолодження леза інструмента при вільному пробігу зуба фрези приводить до зниження середньої температури різання. Тому, в цьому випадку ефективність дії полімерної МОТЗ на 30-70 % менше. Разом з тим ефективність МОТЗ змінюється (збільшується) із збільшенням швидкості та майже не змінюється в залежності від подачі.

При свердлінні відбувається різання в суцільній масі металу в утруднених умовах відводу стружки, що приводить до деякого збільшення частки тепла, що поглинає свердло. Тому у цих умовах дія полімерної добавки до МОТЗ найбільш ефективна. Так, наприклад, якщо при точінні найбільше значення коефіцієнта Ет для сталей І, ІІ та ІІІ групи змінюється від 1,5 до 3,5, то при свердлінні при аналогічних умовах експерименту величина Ет змінюється від 2 до 5.

Як показали випробування вміст вуглецю у сталі майже не впливає на значення Ет. У той же час, легуючи елементи Ni і Cr збільшують Ет від 1,4 до 3,2 раз, що пов’язано з великою хімічною активністю цих елементів до водню, який утворюється при деструкції полімеру під дією температури в зоні різання. Ця взаємодія може проявлятися у високій адсорбційній властивості водню, доброю його проникливістю в гратку заліза, можливості створення хімічних з’єднань (гідридів) з Ni та Сr.

Таким чином проведені досліди показали, що застосування полімерних МОТЗ для лезвійної обробки сталей дозволяють істотно підвищити стійкість різального інструменту, зменшити шорсткість обробленої поверхні й енергетичні витрати на процес механічної обробки. При цьому ефективність впливу полімерної добавки до МОТЗ залежить від механічних властивостей та хімічного складу оброблюваного матеріалу, виду механічної обробки (точіння, фрезерування, свердління), режиму різання.

Висока ефективність та універсальність дії полімерної МОТЗ обумовлена наявністю в його складі розчинених, або диспергованих присадок високомолекулярних з’єднань, які проходять стадії перетворень – так званий процес термомеханодеструкції в зоні механічної обробки. Ці перетворення виникають під впливом різних ініціаторів – температури в зоні різання, тертя та емісії електронів із обробляємого матеріалу під час його руйнування.

Відомо, що під час хімічних перетворень полімеру утворюються з’єднання високої хімічної активності, які хоча й не дають відразу кінцевих продуктів, але беруть участь у різних процесах перехідного характеру не тільки в полімерній системі, але й на каталітично активній поверхні металу. Все це в остаточному підсумку приводить до утворення й нагромадження в зоні обробки різних хімічно активних продуктів. Якщо ланцюг полімеру складається з атомів водню і вуглецю (якщо у складі МОТЗ є поліетилен), або атомів водню, вуглецю і хлору (якщо у складі МОТЗ є полівінілхлорид), то є підстави стверджувати, що хімічно активні елементи цих атомів і накопичуються в зоні обробки.

Так, наприклад, якщо у складі МОТЗ є поліетилен, то він починає розкладатися вже при температурі 290°С. При підвищенні температури молекулярна маса поліетилену зменшується, що свідчить про його деструкцію. При температурі 360 С⁰ відбувається швидке створення летючих речовин. При цьому створюються непредільні групи трьох типів: RCH=CHR^I , RR^IC=СH_>2> та RCH=CH_>2>. Подальші перетворення макромолекулярних радикалів відбуваються із утворюванням водню, кількість якого в загальної кількості газоподібних продуктів може наближатися до 95%.

Надані результати дослідів по визначенню впливу абразивної обробки, різальним елементом якої є зерна абразивних матеріалів. Проводилося хонінгування деталей із чавуну (СЧ-18-36, НВ 170-180) у МОТЗ з добавкою полімеру у порівнянні з промисловою МОТЗ (70% гасу та 30% веретенного мастила): хон-бруски типу АБХ, величина шару, що знімається (по діаметру деталі) дорівнювалося 0,15 мм. Шорсткість зменшилася на 15% і при цьому питома витрата алмазу зменшилася приблизно у 2 рази. При хонінгуванні деталей із сталі 40Х (НRС 48-50), при величині шару, що знімається 0,1 мм, шорсткість зменшилася приблизно на 25%, а питома витрата алмазу зменшилася понад 2 рази. Висока ефективність МОТЗ з полімером була доведена також при хонінгуванні брусками типу АРС різної зернистості при різному знімання шару.

При багатофакторному плануванні експерименту отримані рівняння регресії.

X_>1>=_>>S, X_>2>=_>>M_>K>_>> (3)

X_>1>=_>>V, X_>2>=_>>M_>K>_>>(4)

X_>1>=_>>V, X_>2>=_>>M_>K>_>> (5)

X_>1>=_>>d, X_>2>=_>>M_>K>

_>>_>(6)>

де d – діаметр свердла, М_>К>_>>– групи конструкційних матеріалів, х1,х2,z1,z2 – ортогональні контрасти.

Наприклад:

_{>де х1=0,0689655*(Х1-24,5);}>

_{>х2=1*(Х2-2);}>

_>z1=>_>2,19762*((>_>x>_{>1^2)+0,079863*}>_>x>_>1-0,52679);>

_>z>_>2=1,5*((>_>x>_{>2^2)-0.666667).}>

Зроблено наступні висновки.

1. Всі досліджувані фактори (S, V, М_>К>_>>) статистично значимо впливають на критерії якості Е_>Т>, Е_>Ш>, Е_>П> оброблюваних деталей;

2. Вплив факторів виявляється на рівні головних ефектів – лінійних х_>1>, х_>2> та квадратичних z_>1>, z_>2>. Взаємодія факторів виявляється тільки в одній з одинадцяти моделей у вигляді х_>1>, х_>2>;

3. Аналіз моделей показав, що досліджувані МОТЗ у випадку точіння підвищують стійкість різального інструменту до 3,8 разів, зменшують енергоспоживання до 1,42 рази, знижують шорсткість обробленої поверхні у 1,8 разів. Отримані математичні моделі можливо використовувати для прогнозування впливу складу МОТЗ на показники Е_>Т>, Е_>Ш>, Еn.

У четвертому розділі розглянуто вплив полімерних присадок до МОТЗ на механічний і фізичний стан оброблених у таких МОТЗ металевих поверхонь, який у багатьох випадках обумовлює експлуатаційні властивості деталей машин. Тому, будь-які МОТЗ повинні не тільки покращувати оброблюваність сталей, але й після механічної обробки в таких МОТЗ повинні створюватися такі поверхневі шари які б забезпечували відповідні експлуатаційні характеристики виробів. До найбільш важливих показників якості поверхневих шарів, які створюються після механічної обробки слід віднести шорсткість поверхні, макро- і мікротвердість, тонку кристалічну структуру, залишкові макро- і мікронапруги.

Профілограми обробленої поверхні сталі при точінні свідчать про те, що шорсткість її поверхні після обробки в МОТЗ з добавкою полімеру значно краща ніж після обробки в МОТЗ без полімеру. Слід відмітити, ці результати не є виняток і зменшення шорсткості і покращення чистоти поверхні після обробки сталі відбувається у всіх випадках, коли процес механічної обробки проходить з допомогою полімерної МОТЗ.

Покращення якості поверхні сталі після точіння в полімерної МОТЗ (в порівнянні із МОТЗ без полімеру) можна пояснювати впливом водню на метал, що пластично деформується лезом інструменту, а також тим, що вплив водню на сталь, яка деформується, проявляється у збільшенні її крихкості.

Результати дослідів (табл. 1) свідчать про те, що мікротвердість поверхні сталей зменшується із підвищенням макротвердості і цей характер не залежить від типу МОТЗ, в якій проводилася механічна обробка матеріалу, змінюються тільки кількісні значення.

Таблиця 1

Мікротвердість сталі після точіння в різних МОТЗ

Матеріал

Макро-твердість

зразків

Мікротвердість (ГПа) при використанні в якості МОТЗ

Вода

Вода+Латекс полівінілхлорид

Мастило И-12

Мастило И-12А

+поліетилен

Сталь 1 гр.

Сталь 2 гр.

Сталь 3 гр.

160-180 НВ

180-200 НВ

220-240 НВ

0,49

0,96

1,42

0,44

0,74

1,23

0,46

0,67

1,08

0,41

0,51

0,82

Характерним для отриманих залежностей є те, що хоча введення полімеру в МОТЗ приводить до зниження мікротвердості на поверхні, однак вже на глибині приблизно 10 мкм мікротвердість сталі 1-ї групи при її обробці в середовищі з полімером стає більше, ніж після обробки в середовищі без полімеру. Причому підвищення мікротвердості зберігається на досить великій відстані від поверхні (приблизно до 35 мкм). Аналогічний характер розподілу мікротвердості зберігається й для інших груп сталей, але ця характеристика відрізняється тільки в кількісному відношенні.

Дослідження структури сталей різної твердості, до й після обробки в різних МОТЗ показали, що при точінні сталі різної твердості в полимервмісної МОТЗ, у відмінність від МОТЗ без полімеру, у поверхневому шарі зразків утворюються зміцнені шари на різній глибині.

Так на зразках сорбитній (160…180 НВ) і трооститній структури (180…200 НВ) глибина зміцненого шару досягає 35…40 мкм, і в мікроструктурі спостерігаються пластично деформовані шари більш високої мікротвердості в порівнянні із серцевиною зразка. На зразках зі сталі мартенситної структури (220…240 НВ) на глибині 10 мкм утворюються білі шари, які не витравлюються травником. Причому зі збільшенням подачі (S) глибина зміцнених шарів зростає від 3 до 10 мкм. Ці шари являють собою дисперсні карбіди, залишковий аустеніт, розмір часток якого на порядок менше в порівнянні зі звичайним гартуванням, і сильно дисперсний мартенсит.

У той же час наявність на глибині пластичних деформацій при точінні сталі сорбитній і трооститній структур після обробки в полімервмісних МОТЗ можна пояснити впливом активних низькомолекулярних вуглеводних продуктів, і головним чином, водню, на процес пластичного деформування.

Рис. 3. Епюра залишкових напруг першого роду після шліфування зразків зі сталі 1Х18Н9Т (220…240 НВ): 1 – із використанням полімервмісної МОТЗ; 2 – із використанням МОТЗ без полімеру.

Поєднання високих температур і тиску в зоні взаємодії леза інструменту, або абразивного зерна зі сталлю, а також наявність пластичної деформації приводять до істотних змін структури, фізичних і механічних властивостей металу. У деяких випадках може виявитися технологічна спадковість від попередніх механічних операцій особливо при малих припусках обробки та на доводочних процесах (шліфування, хонінгування, суперфінішні операції).

Використовуючи рентгенографічний аналіз, визначали величину блоків мозаїк, зміну викривлення другого роду й вміст залишкового аустеніту. При шліфуванні сталі трооститної або трооститно-мартенситної структури виникають залишкові напруги стиску, як у МОТЗ з полімером, так і без нього. У першому випадку напруги, що виникають, помітно більші по величині (рис. 3). Це можна пояснити тим, що в даному випадку має місце зміна фазового складу, за рахунок можливого перетворення залишкового аустеніту в мартенсит, виділення з нього вуглецю, дифузії вуглецю ззовні в оброблюваний метал, а в багатьох випадках і вторинному загартуванні поверхневого шару сталі. Усе це збільшує питомий обсяг металу й залишкові напруги стиску, що повинні підвищувати працездатність виробів в експлуатації.

Шліфування у МОТЗ без полімеру супроводжується більш значними температурами й тиском в зоні контакту „абразивний інструмент-деталь” в порівнянні з МОТЗ з полімером, при цьому росте структурна неоднорідність, збільшується кількість залишкового аустеніту, що утворюється в результаті вторинного загартування.

Збільшення блоків мозаїк у поверхневих шарах зразків після шліфування у МОТЗ без полімеру викликано відпуском сталі. Однак наявність тут великих викривлень другого роду й блоків мозаїки пояснюється тим, що на ріст блоку у даному випадку переважний вплив чинить температура, у той час як на викривлення другого роду – температура й тиск, що підсилює деформацію металу.

При механічній обробці в МОТЗ з полімером відбувається зниження вмісту вуглецю у твердому розчині заліза (мартенсит) приводить до зменшення викривлення другого роду, а пластична й пружна деформація, які виникають під час обробки в процесі шліфування сприяє утворенню дрібнодисперсної структури із зменшенням розміру блоків мозаїк (табл. 2).

Таблиця 2

Результати оцінки тонкої кристалічної структури сталі після шліфування

Сталь

МОТЗ

Величина

блоків, нм.

Викривлення

другого роду, Дa/a∙10⁸

Кількість залишкового

аустеніту, %

9ХС

220-240 НВ

без полімеру

26,67

3,7

з полімером

16,40

1,05

Не виявлено

Таким чином, водень, що утворюється при термомеханодеструкції полімерної компоненти МОТЗ в зоні різання може дифундувати по границям зерен і субзерен, де відбувається зменшення міцності металу в наслідку утворення твердих розчинів і гідридів (у гідрідоутворюючих металах), що сприяє руйнуванню металу в зоні різання при менших зусиллях, створює сприятливі структурно-пружні стани поверхні виробів (виникнення залишкових напруг стиску, підвищення твердості, утворення на загартованих сталях специфічних структур, поліпшення мікрогеометрії поверхні та ін.). Такий структурно-пружний стан підвищує працездатність виробів під час їх експлуатації.

У п’ятому розділі надані результати дослідження механохімічних процесів і явищ, що спостерігаються у зоні різання сталей у присутності МОТЗ.

Продукти, що утворюються при піролізу й механічної деструкції полімерної присадки до МОТЗ (поліетиленова емульсія ОКСАЛЕН-30 або полівінілхлоридна емульсія), збиралися у кварцові ампули, а відбір досліджуваних газів при механічній обробки (свердління, точіння) здійснювався за допомогою каліброваного натекателя (об’єм 1 л.) протягом 1,5 хв. Усі летючі продукти збирали при температурі рідкого азоту (-196 ^oC).

Відпрацьовану фракцію конденсували (час конденсації 30 хв.), переморожуючи її в малий об’єм (10 см³) з наступним заповненням ампул гелієм для проведення хроматографічного аналізу. Газоподібна фракція, що не конденсується при температурі рідкого азоту, не аналізувалася.

Свердління сталі 10Х18Н9Т у МОТЗ проводили свердлом Р18 (d = 5 мм) при швидкості обертання свердла 1500 об/хв. На дно сталевого зразку тонким шаром наносили поліетиленову емульсію й герметично закривали кришкою, яка мала два отвори: для уведення свердла й відбору газоподібних продуктів, що утворюються при свердлінні. Аналіз газової фази проводили на газовому хроматографі СНRОМ-5.

У табл. 3 наведені результати хроматографічного аналізу газоподібних продуктів після термічного й механохімічного розкладання поліетиленової емульсії (ПЕ), які свідчать про те, що склад газових сумішей, що утворюються при піролізі й при свердлінні значно розрізнюється.

Таблиця 3

№	Піроліз	Свердління	Час утримання індивідуальних речовин, сек.
ПЕ емульсія,	МОТЗ без полімеру	ПЕ емульсія	МОТЗ без полімеру
Дані представлено в умовних одиницях
1	17	16	16	17	17	Метан
2	-	29	28	-	30	Етилен
3	30	33	33	34	34	Етан
4	99	100	96	105	96	Пропилен
5	145	-	-	-	105	Пропан
6	263	260	257	264	-	-
7	400	400	400	410	400	Ізобутан
8	575	-	-	-	-	-
9	1260	-	1280	1200	1290	Ацетон
10	1650	1620	-	-	1620	Пентан
11	4380	4350	-	-	4350	Гексан
12	-	6690	-	-	6630	Гексан

У продуктах після свердління відсутні фракції 10, 11, 12, що можна пояснити їх більш активним розкладанням і поглинанням ювенільною поверхнею сталі.

Представлені результати показують, що деякі гази, що виділяються при піролізу полімерної присадки до МОТЗ демонструють трибологічну активність. Ця активність проявляється в зниженні крутного моменту, в порівнянні з свердлінням в атмосфері повітря.

Оскільки ланцюг піролітичних перетворень полімерної присадки на кінцевому етапі приводить до утворення вуглецю й водню в атомарній або іншій активній формі (радикали, іони, іон-радикали), була висунута гіпотеза про перманентну карбонізацію різальної крайки інструменту та наводнювання зразку і стружки, з одного боку, й активній участі водню в механохімічному процесі при механообробці в середовищі полімерної МОТЗ, з другого боку. Експериментальне підтвердження цієї гіпотези має велике практичне значення, тому що звідси випливають безпосередні рекомендації про те, як шукати ефективні присадки до МОТЗ серед полімерних з'єднань, які б давали у ланцюзі термомеханічних перетворень активні форми вуглецю й водню.

Відсутність якої-небудь помітної залежності крутного моменту від природи вуглеводного газу вказує на єдність природи елементарних актів, що лежать в основі трибохімічного процесу. Можна, наприклад, допустити, що в зоні різання поблизу різального леза в умовах високих температур, зсувних навантажень і наявності екзоелектронної емісії кожен з досліджуваних газів деструктує до стану хімічної плазми з істотною перевагою активних форм водню й вуглецю.

Для встановлення факту перебування водню у зоні пластичної деформації та його дифундування в область сильно деформованого матеріалу досліджувалося два матеріали: титан, що має високу хімічну активність стосовно водню й утворює із ним гідриди, та залізо (низьковуглецева сталь), що не утворює із воднем хімічних сполук. Якщо в першому випадку буде з'являтися водень у зоні різання титану в полімервмісних МОТЗ, то він повинен утворювати гідрид цього металу, що можливо реєструвати й аналізувати.

Рентгенівські й мікроструктурні досліди титанових зразків проводилися після їх точіння в різних МОТЗ. В цьому випадку у зв’язку з короткотерміновим перебуванням шару металу – перед лезом інструменту (10³-10⁶ с^-1) здійснюється найбільш „невигідні” умови для відтворення впливу водню, який створюється при розкладі полімерної складової МОТЗ.

На дифрактограмах поверхневого шару титанового зразка, обробленого точінням в МОТЗ з добавкою полімеру, виявлені включення, які розміщені у міжзеренних областях. Якісний аналіз включень у титан (Ті) свідчить про те, що міжплоскосні відстані включень відповідають гідриду титану (ТіН_>2>). Величина цих включень досягає більше 1 мкм. Характер мікроструктури поверхневого шару (електронний мікроскоп при збільшенні репліки в 15000 раз) свідчить про те, що деформація ковзання захоплює весь об’єм кристалу. Крім цього, на межі окремих кристалітів видно зони деформації, які складаються з великої кількості і пакунків ковзання. Слід відмітити, що у зразках титану, які механічно оброблялися в МОТЗ без полімеру, структурних змін (характерні для обробки титану в МОТЗ з полімером, не зафіксовано.

Таким чином, результати проведених досліджень показали, що при різанні в полімервмісних складах МОТЗ відбуваються сильні структурні перетворення приповерхніх і поверхневих шарів обробленого матеріалу, що варто зв'язувати із впливом атомарного водню й утворенням по границях зерен гідриду титану. Очевидно, атомарний водень утворюється, не тільки безпосередньо в процесі термомеханодеструкції й деполімерізації полімерного компоненту МОТЗ, але й при дисоціації водневмісних продуктів реакції на хімічно чистих оброблюваних поверхнях металу.

Для виявлення водню в обробленому матеріалі було розроблено метод температурно-програмного нагрівання (ТПН) зразку, який розташовується у вакуумній камері, з одночасною мас-спектрометричною реєстрацією водню, що при цьому виділяється. Одержані експериментальні криві (рис.4) являють собою залежності швидкості виділення водню, від температури зразку, що, підіймалася зі швидкістю 0,5 К/сек.

Показано, що пластична деформація, як при тиску, так і при різанні металу в середовищі, яке в результаті механохімічних процесів утворює водень, прискорює його транспорт в метал. При чому, якщо при пластичній деформації в середовищах без полімеру водень концентрується біля поверхні металу, то в середовищах з полімером дифундує на більш значні глибини.

Рентгеноструктурними дослідженнями було встановлено, що загальна концентрація вуглецю в приповерхньому шарі різального інструменту збільшується з часом, а глибина дифузійного насичення залежить від інтенсивності й тривалості роботи інструменту й досягає, приблизно 40-60 мкм. Тому можна вважати, що однієї з причин високої стійкості інструмента при точінні в МОТЗ із полімерною присадкою є збагачення поверхневих шарів леза активним вуглецем з наступним утворенням хімічних сполук – твердих карбідних фаз.

Методом скануючої ожеспектроскопії, вивчався хімічний склад поверхневих шарів матеріалу після точіння в МОТЗ.

Рис. 4. Залежність інтенсивності виділення водню від температури нагріву зразку після свердління у воді. Заміри проводилися через: 1-0,5 год; 2-1год; 3-23 год; 4 – 300 год

Встановлено (рис. 5), що на поверхні матеріалу спостерігається збільшення концентрації вуглецю після механічної обробки з МОТЗ, у складі якого є полімер і практично відсутні сигнали кисню і заліза. Відсутність на обробленій поверхні кисню говорить про те, що поверхня вільна від окісних плівок у зв'язку з тим, що водень і вуглеводневі з'єднання «зв'язують» кисень, тобто відновлює поверхню.

Отже, в основі механічної обробки в полімерної МОТЗ лежать складні фізико-хімічні процеси перетворення полімерної присадки. Фактично перетворення полімерної присадки досягають виникнення в зоні різання низькотемпературної плазми (іонізований водень), що взаємодіє з поверхнею й приповерхневим шаром оброблюваного металу й інструменту, і приводить до поліпшення практично всіх технологічних показників процесу механічної обробки. У цьому випадку процес механічної обробки фактично є механохімічним.

Рис. 5. ОЖЕ – спектри поверхні обробленої сталі в МОТЗ із полімерною присадкою

У шостому розділі надані рекомендації машинобудівним підприємствам по створенню водних МОТЗ та МОТЗ на основі мастила з добавками високомолекулярних сполук для поліпшення обробки сталей на операціях точіння, свердління, фрезерування, різьбонарізання, різьбонакатування, протягування, долбіння, хонінгування.

На основі аналізу результатів лабораторних дослідів й примінення полімерних МОТЗ на підприємствах сільгоспмашинобудування рекомендовані поправочні коефіцієнти до технологічних параметрів механічної обробки сталевих деталей (швидкості та глибини різання, подачі). Надано також обґрунтування економічного ефекту, який створюється від впровадження полімервмісних МОТЗ. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження результатів роботи на підприємствах сільгоспмашинобудування складає 3600 гривень на одиницю обладнання.

ВИСНОВКИ

Вирішена актуальна наукова-технічна задача підвищення технологічних характеристик механічної обробки деталей (продуктивність, точність, якість поверхні, експлуатаційні властивості) шляхом розробки та застосування МОТЗ з додатковою спеціальною полімерною компонентою.

Проведений комплекс теоретичних та експериментальних досліджень дає підстави стверджувати, що процес різання матеріалів з застосуванням розроблених МОТЗ може бути віднесений до нових видів технології хіміко-механічної обробки.

Експериментально досліджено процес фізико-хімічних перетворень полімерної компоненти в МОТЗ в зоні різання металу. Показано, що при температурі близько 400^оС, деструкція полімерних присадок до МОТЗ (ПВХ і ПЕ) протікає з утворенням суміші високоактивних газоподібних продуктів насичених і перенасичених вуглеводнів, водню й пірополімерного рідкого залишку з високою концентрацією вуглецю. Комбінація хімічних елементів газової суміші визначається хімскладом макроланцюгу полімеру, умовами його деполімеризації, каталітичною активністю поверхні оброблювального матеріалу та його фізико-хімічних властивостей.

Встановлено, що створені продукти в результаті піролізу полімерної присадки викликають наступні вторинні процеси і явища в зоні різання:

результаті взаємодії водню й хлору (у випадку ПВХ) може утворюватися з'єднання НСl, що адсорбується на поверхні сталі з утворенням неорганічної солі FeCl_>2>, а при її окисленні – FeCl_>3.> Температура плавлення цих солей низька й не перевищує 672^оС и 309^оС відповідно. Тому при механічній обробці, коли температура в зоні різання значно перевищує температуру плавлення неорганічних солей, вони плавляться й утворять на поверхнях тертя плівки з низьким опором зсуву, що знижує коефіцієнт тертя;

адсорбція, а потім активна дифузія атомарного водню в зону максимальної концентрації механічних напруг металу (область пластичної деформації перед лезом інструменту) відбувається зі зміною його фізико-механічних властивостей. Дія водню на метал різноманітна, і механізм його впливу до кінця ще не розкрито. Однак водень завжди полегшує процеси деформації й руйнування металів;

при різанні встановлене зниження концентрації кисню в зоні контакту „інструмент-матеріал”, що сприяє відновленню поверхні і підвищенню зносостійкості різального інструменту;

в умовах, які моделюють процес різання, наявність полімеру в МОТЗ приводить до різкого зростання ефективності переносу водню в об’єм металу. При цьому пластична деформація значно збільшує швидкість переносу водню вглиб металу.

Встановлено, що на кінцевому етапі перетворень полімерної компоненти МОТЗ утворюється газова суміш з якої найбільш трибологічну активність демонструє водень. Показано, що параметри механічної обробки, механічні і хімічні властивості сталі змінюють характер взаємодії водню із металом від фізичної до хімічної з утворенням нових сполук – гідридів, що відбивається на оброблювальності сталі. Різноманіття можливого прояву процесів і явищ у зоні різання приводить до відмінності механізму обробки сталей в МОТЗ з полімером від МОТЗ, які складаються із низькомолекулярних компонентів.

Використано методику багатофакторного математичного моделювання при створенні регресивних моделей складної системи за допомогою алгоритму RASTA3 програмного забезпечення «ПС ПРИАМ» – сумісної дії газової суміші полімерної присадки до МОТЗ і леза інструмента на процес різання, що базується на розділі математичної статистики і об’єднує теоретичні методи дослідів регресивної залежності між значеннями за статистичними даними. Проведено аналіз властивостей математичних моделей, які максимально стійкі, тобто cond=1. Розроблену методику можливо використовувати при вивченні причинно-слідчих і структурних зв’язків між факторами і критеріями якості технологічного процесу, що розглядаються в дисертації.

Досліджено вплив МОТЗ як на загальну зносостійкість різального інструмента, так і на його розмірну стійкість при обробці різних матеріалів в широких діапазонах режимів різання, що дозволило підвищити точність ряду деталей сільгоспмашинобудування.

Запропоновано комплекс методичного забезпечення, що може бути використано при вивчені процесів і явищ, які відтворюються в металі під сумісною дією леза різального інструменту і продуктів термомеханодеструкції полімерної компоненти МОТЗ.

Розроблені рекомендації по створенню в умовах машинобудівних підприємств МОТЗ на основі полімеру. Надано рекомендації щодо розрахунку технологічних параметрів механічної обробки сталі на підприємствах сільгоспмашинобудування з урахуванням ефективної дії МОТЗ. Запропоновано схему та етапи розрахунку економічного ефекту від використання МОТЗ з добавками полімеру.

Використання водосумішних і масляних МОТЗ на полімерній основі із запропонованими інгредієнтами дозволило при обробці стальних деталей додатково: підвищити стійкість інструменту при точінні – до 50 %, свердлінні – до 400 %, фрезеруванні – до 40…60 %; покращити якість обробки (зниження параметра шорсткості Ra на 10…50 %); підвищити продуктивність обробки за рахунок швидкості і подачі різання при точінні – в 2,6 рази, свердлінні – в 1,2…4 рази, фрезеруванні – в 2…4,4 рази; покращити експлуатаційні властивості оброблених деталей; підвищити корозійну стійкість оброблених деталей та біологічну стійкість МОТЗ.

CПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Макаров С.Н., Сошко В.А. Упрочнение стали механической обработкой в полимерсодержащих смазочно-охлаждающих технологических средствах. // Вестник двигателестроения. – 2004. – №3. – С.86-89.

Сошко А.И., Сошко В.А., Макаров С.Н. О механизме влияния полимерсодержащих смазочно-охлаждающих средств на процессы механической обработки сталей. // Вестник Херсонского национального технического университета. –2005. – №.3(23). – С.21-25.

Сошко В.А., Макаров С.Н. Физико-химические процессы в зоне резания при обработке сталей в полимерсодержащих смазочно-охлаждающих технологических средствах. // Вестник Херсонского национального технического университета. – 2005. – №3(23). – С.160-163.

Макаров С.Н. Об универсальности смазочно-охлаждающих технологических средств // Техніка АПК – 2005. – №3-4. – С.31-33.

Сошко В.А., Макаров С..Н. Проникновение водовода в обрабатываемый металл из смазочно-охлаждающих технологических средств // Восточно-европейский журнал передовых технологий, 2005. – №4/1(16). – С.49-56.

Сошко В.А., Макаров С.Н. Исследование превращений полимерных присадок к смазочно-охлаждающим технологическим средствам в условиях, моделирующих резание металлов // Техніка АПК – 2005. – №10-11. – С.27-29.

Макаров С.Н. Влияние полимерсодержащих СОЖ на эффективность механической обработки сталей, применяемых для изготовления зернокомбайна «Славутич» // Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки й технологій для сільського господарства України. – Збірник наукових праць. – 2004. – №7 (21). – С.402-408.

Макаров С.Н. Некоторые вопросы механики контактных взаимодействий при резании стали // Техніко технологічні аспекти розвитку й випробувань нової техніки й технологій для сільського господарства України - Збірник наукових праць. – 2005. – №8(22). – С.323-328.

Сошко В.А., Макаров С.Н. Упрочнение стальных деталей на последней стадии их механической обработки // Прогрессивные технологии и системы машиностроения – Международный сборник научных трудов. – 2005. – № 30. – С.191-198.

Макаров С.Н., Сошко В.А. Электро-химико-термическая обработка сталей в полимерсодержащих карбюризаторах // Материалы седьмой международной практической конференции-выставки «Технологи ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки». – Санкт-Петербург, 2005. – С.501-505.

Пат. Україна, 7С21Ш/40. Спосіб виготовлення сталевих деталей. Сошко В.О., Макаров С.М. №20041008715. Заявлено 25.10.2004. Опубл. 06.06.2004. Бюл. №8.

Пат. Україна, МПК С21Д 1/40. Спосіб виготовлення сталевих деталей. Сошко В.О., Макаров С.М. № 200504167. Заявлено 29.04.2005. Опубл. 15.02.2006. Бюл. № 2.

Сошко В.А., Макаров С.Н. Исследование превращений полимеров и низкомолекулярных аналогов в условиях, моделирующих резание металлов. // Материалы девятой международной практической конференции «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки». – Санкт-Петербург, 2007. – С. 457-462.

АНОТАЦІЇ

Макаров С. Н. Повышение эффективности механической обработки деталей с использованием полимерсодержащих СОТC. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 – технология машиностроения. – Одесский национальный политехнический университет, 2008.

Диссертация содержит теоретические и экспериментальные исследования, направленные на решение актуальной проблемы повышения эффективности механической обработки деталей сельскохозяйственного машиностроения за счёт применения добавок высокомолекулярных соединений в СОТC. Предложено обоснование влияния различных процессов и явлений, которые протекают в зоне резания, на пластически деформируемый материал лезвием режущего инструмента.

В диссертации дан анализ номенклатуры стальных деталей предприятий сельхозмашиностроения, осуществлена систематизация сталей (по химическому составу и твердости) из которых путем механической обработки изготовляются эти детали. Для систематизированных трёх групп сталей установлены зависимости износостойкости режущего инструмента, энергосиловых характеристик и качества поверхности и поверхностного слоя деталей в процессе их механической обработки в разных СОТC, с учётом технологических характеристик процесса резания (скорости резания, подачи и глубины резания).

Установлено, что введение полимерной присадки в СОТC существенно повышает износостойкость режущего инструмента (до 5 раз) при одновременном понижении энергосиловых затрат на процесс (от 10 до 35 %) и улучшение качества обработанной поверхности (до 50 %).

Показано, что процесс механической обработки деталей в полимерной СОТС следует представлять, как совместное действие обрабатывающего инструмента и активных продуктов (в первую очередь водорода и углерода). Эти продукты образуются из высокомолекулярной составляющей СОТС под действием высокой температуры в зоне обработки. Режущее лезвие инструмента, вдавливаясь в обрабатываемый металл, вызывает в нем протекание упругих и пластических деформаций, а затем и стадию разрушения. Активные продукты, хемосорбируясь на поверхности металла подвергаемого деформированию и диффундируя в его объем, снижают его уровень поверхностной энергии и предельное напряжение текучести. Наложение действующих в одном направлении химического и механического факторов приводит к снижению энергосиловых затрат на процесс обработки. Параллельно с этим процессом на режущей кромке инструмента в процессе работы накапливается пирополимерный остаток в виде активного углерода, который разделяет трущиеся поверхности, выполняя роль смазки, и диффундирует в материал, образуя твердые, износостойкие карбидные фазы.

При реализации механохимической обработки металлов происходит также дополнительный отбор тепла из зоны обработки за счет поглощения энергии на термодеструкцию полимерной компоненты СОТС.

Для возникновения механохимического эффекта в зоне обработки необходимо выполнение следующих условий.

Высокомолекулярные цепи полимера, которые входят в состав СОТС, деструктируют на нагретых поверхностях (стружка, инструмент, обрабатываемый материал).

При пиролизе полимера образуются низкомолекулярные углеводородные соединения, а также атомы водорода и углерода. Возможно и образование других веществ. Например, при термодеструкции поливинилхлорида образуются соединения хлора, которые обладают высокими антизадирными свойствами. Ювенильные, каталитически активные поверхности усиливают процесс деструкции полимера до образования атомарных продуктов.

Полимерная присадка должна обладать высокой молекулярной массой. Рекомендуется использовать полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) с молекулярной массой не ниже 200 тыс. единиц, а ПВХ – свыше 75 тыс. единиц.

В составе СОТС полимерная присадка должна быть не только определенного состава, но и необходимой концентрации. Проведенные исследования показали, что оптимальная концентрация полимера в СОТС должна быть в пределах 0,5…1%.

После хемосорбции водорода на поверхности материала перед лезвием инструмента, которое вдавливается в обрабатываемый металл, часть атомов водорода переходит от поверхности вглубь деформируемой области.

Диффузионный поток водорода в железо состоит из двух составляющих. Одна из них – электроактивна, а вторая – электропассивна. Предполагается, что электроактивная составляющая – это поток ионизированного водорода (Н⁺), диффундирующий через регулярную кристаллическую решетку металла, а электропассивная – это, главным образом, поток атомарных частиц водорода, движущийся по дефектным местам кристаллической решетки и по границам зерен.

Пластические деформации приводят к резкому увеличению числа дефектов структуры, вокруг которых образуются напряженные зоны, являющиеся преимущественными местами концентрации диффузирующего водорода.

Таким образом, в механически обрабатываемый материал, в область перед лезвием инструмента, поступает водород, который в результате взаимодействия с железом и другими легирующими элементами изменяет его прочность и облегчает обработку. Поэтому процесс механической обработки в этом случае следует называть механохимическим, в его основе лежат сложные физико-химические процессы преобразования полимерной присадки СОТС. Эти преобразования приводят к возникновению в зоне разрушения низкомолекулярной плазмы (ионизированный водород), которая взаимодействует с поверхностью и приповерхностными слоями обрабатываемого металла и инструмента и приводит к улучшению практически всех технологических показателей механической обработки.

Автором разработаны комплекс оборудования и методика исследований, что позволило решить поставленные в работе задачи. Результаты работы можно рекомендовать для использования при изучении физико-химических процессов и явлений, происходящих в зоне резания. Определены поправочные коэффициенты к технологическим характеристикам механической обработки сталей и даны рекомендации по их использованию при определении режимов резания..

Ключевые слова: износостойкость инструмента, механохимические превращения, качество обработки, полимерсодержащие смазочно-охлаждающие технологические средства.

Макаров С. М. Підвищення ефективності механічної обробки деталей з використанням полімервмісних МОТЗ. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - технологія машинобудування, Херсонський національний технічний університет, 2007р.

Дисертація містить теоретичні й експериментальні дослідження спрямовані на рішення актуальної проблеми підвищення ефективності механічної обробки сталевих деталей після їх механічної обробки за рахунок застосування добавок високомолекулярних з'єднань до МОТЗ. Запропоноване обґрунтування впливу різних процесів і явищ, що протікають у зоні різання на пластично деформуємий матеріал лезом різального інструменту.

В дисертації для систематизованих трьох груп сталей встановлені залежності зносостійкості різального інструменту, енергосилових характеристик і якості поверхні сталі в процесі механічної обробки в різних МОТЗ, з урахуванням технологічних характеристик процесу різання (швидкості, подачі та глибини різання).

Показано, що введення полімерної присадки в МОТЗ істотно підвищує зносостійкість різального інструменту (до 5 разів) при одночасному зниженні енергосилових витрат на процес (від 10 до 35 %) і поліпшення якості обробленої поверхні (до 50 %).

В роботі показано, що процес механічної обробки в полімерній МОТЗ потрібно представляти як сумісну дію обробляючого інструменту і активних продуктів (в першу чергу водню і вуглецю), які виникають під дією високої температури в зоні обробки із високомолекулярного складника МОТЗ. Ріжуче лезо інструменту, вдавлюючись в оброблюваний метал, визиває в ньому перебіг пружних і пластичних деформацій, а потім – стадію руйнування. Активні продукти, хемосорбуючись і дифундуючи в поверхневий шар металу, знижують рівень його поверхневої енергії и граничну напругу текучості. Накладення діючих хімічних і механічних факторів призводить до зниження енергосилових затрат на обробку. Паралельно з цим на ріжучій кромці інструменту в процесі роботи накопичується пірополімерний залишок у вигляді активного вуглецю, який виконує роль змазки, и дифундує в матеріал, утворюючи тверді, зносостійкі карбідні фази.

Автором розроблений комплекс устаткування та методика досліджень, що дозволило виконати поставлені в роботі задачі, і що можливо рекомендувати для використання при вивченні фізико-хімічних процесів і явищ, що відбуваються в зоні різання. Розроблено поправочні коефіцієнти до технологічних характеристик механічної обробки сталей і надано рекомендації з їх застосування.

Ключові слова: зносостійкість інструменту, механохімічні перетворення, якість обробки, полімервмісні мастильно-охолодні технологічні засоби.

Makarov S.M. Increase of efficiency of mechanical working of the parts using polimercontent lubricant cool technological means (LCTM). - Manuscript.

Thesis for obtaining a scientific degree of the candidate of engineering sciences on specialty 05.02.08 – technology of machinebuilding. – Kherson National Technical University, Kherson, 2006.

The dissertation is devoted to the theoretical foundation, making and experimental work, led to the solving of one of the urgent problems of raising of the effectiveness of the machining processing and technological heredity of steel parts after its machining processing for usage addition of high molecular compound to oil-cooling means. The work proposes the basis of the influence of the different processes and effects which proceed in the zone of cutting plastic-deforming material by the blade of cutting tool.

The analysis of the nomenclature of the steel parts of agriculture machine-building is presented in this dissertation, besides there is systematization of steels according to their chemical composition and hardness, which are used in producing these parts by mechanical processing. For 3 selected steel groups it has been determined the dependence of cutting tool wearing, power characteristics of steel surface's quality in of machining processing in different LCTM from technological characteristics of cutting process (cutting speed, feed and depth of cut).

It has been showed that introducing of polymer including nozzle in LCTM considerably rises cutting machine wearing (5 times) with the simultaneous decreasing power expense of the process (from 10% to 35%) and improving machined surface's quality (till 50%).

The author has developed the complex of equipment and methods which allow to solve the placed problems and can be recommended for usage, while the cutting process. Besides, it has been determined the correct coefficients for technological characteristics of steel mechanical processing and it has been given recommendations of the usage.

Keywords: tool wearing, mechanical and chemical transformations, processing quality, lubricant cool technological means.