Оценка эффективности водорастворимых технологических смазочных средств при алмазно-абразивной обработке материалов на машине трения СМЦ-2

Тенденциями современного автомобилестроения являются использование постоянных магнитов для снижения массогабаритных характеристик электрооборудования и автомобиля в целом. Алмазно-абразивная обработка спеченных порошковых постоянных магнитов на основе феррита бария, стронция и кобальта сопряжена с трудностями получения поверхностей с низкими значениями шероховатости вследствие повышенной хрупкости, склонности к трещинообразованию. Разработано функциональное водорастворимое технологическое смазочное средство (ФВТСС) РВ-6, содержащее фрактальные кластеры и генерирующее в контакте алмазный абразивный инструмент-обрабатываемый порошковый магнитный материал пленки с высокой нагрузочной и смазочной способностью. смазочный водорастворимый магнит алмазный Предложены критерии оценки эффективности водорастворимых технологических смазочных средств (ВТСС) при алмазно-абразивной обработке на машине трения СМЦ-2. Проведены сравнительные испытания по предложенным критериям эффективности ФВТСС РВ-6 и СОЖ Blasokut 4000 SF 004 при обработке алмазным кругом 2720−0031 ГОСТ 16 167–90 феррита бария 16БА190. Сделан вывод о большей эффективности РВ-6.

Ключевые слова: постоянный магнит, феррит бария, функциональное водорастворимое технологическое смазочное средство, фрактальный кластер, алмазный круг, машина трения.

Новыми тенденциями развития современного автомобилестроения являются: переход на питание бортовой сети 42, начиная с 2008 года; экономичность — снижение расхода топлива до 3 на 100 пути; повышение безопасности на дорогах улучшением комфортности управления автомобилем; уменьшение массогабартных характеристик электрических двигателей и увеличение их мощностных параметров (стартер-генератора, электрической помпы системы охлаждения привода управления клапанами, двигателей стеклоочистителя, стеклоомывателя, вентилятора стеклоподъемника); магнитных пробок для удаления железосодержащих примесей из масла коробок передач и заднего моста; применение новых типов тахометрических датчиков, датчиков положения и т. д.

В двигателях, датчиках, приборах, системах зажигания применяют спеченные постоянные магниты на основе феррита бария, стронция, кобальта, спеченные или литые на основе системы (ЮНДК), из сплава. Все большее применение в автомобилестроение находит применение новый тип постоянных магнитов на редкоземельной основе, обеспечивающий уменьшение массогабаритных характеристик электрических двигателей и увеличение их мощностных параметров [1].

Магнитотвердые ферриты (оксидные магниты) — это ферромагнетики с большой кристаллографической анизотропией. Ферриты бария и стронция имеют гексагональную структуру с общей химической формулой, где — барий или стронций , — коэффициент, изменяющийся в зависимости от марки от 4,7 до 6,0. Магниты на основе феррита бария выпускают изотропными (БИ) и анизотропными (БА), а ферриты стронция — анизотропными (СА). Ферриты кобальта имеют кубическую структуру с общей химической формулой и выпускаются анизотропными (КА).

Магнитотвердые ферриты бария, стронция и кобальта труднообрабатываемы. Механическая обработка данных материалов сопряжена с трудностями получения поверхностей с низкими значениями шероховатости вследствие их хрупкости и склонности к трещинообразованию из-за низкой теплопроводности. Основным видом механической обработки магнитотвердых ферритов является шлифование алмазными кругами с использованием водорастворимых технологических смазочных средств (ВТСС).

Новыми тенденциями развития современного машиностроения в области обработки материалов является создание функциональных (адаптирующихся) водорастворимых технологических смазочных средств (ФВТСС), обеспечивающих увеличение долговечности инструмента, технологического оборудования и оснастки, улучшающих качество обрабатываемых поверхностей.

Основоположником синергетики как теории, связанной с изучением процессов в сложных системах далеких от равновесия, Г. Хакеном выделена триада, контролирующая процессы самоорганизации: нелинейность — когерентнось — открытость [2]. Введенное Б. Б. Мандельбротом понятие фрактальной геометрии [3, 4] и установленные связи фрактальности с теорией нелинейных отображений является объективным отражением принципов синергетики. Фракталы («fractional» — дробный) являются объектами, которые при наблюдении при различных увеличениях повторяют одну и ту же (самоподобную) форму.

Фракталы, кроме свойства самоподобия, обладают свойствами универсальности, заключающимися в их инвариантности к природе объекта. Фрактальную размерность используют как единую количественную меру разупорядоченности структур различной природы. Фрактальное материаловедение связывают с созданием материалов с заданными свойствами путем управления фрактальной структурой, возникающей в условиях нелинейной динамики. Фрактальные структуры обладают всеми свойствами биологических материалов [5], так как они инвариантны к анализируемому объекту, обладают свойствами адаптации к внешнему воздействию, способны к самоуправлению путем перестройки структуры в критических точках.

Концепция разработки ФВТСС основывается на следующих положениях [6, 9−11]: создание нанокластеров с фрактальной структурой из компонентов с высоким уровнем неравновестности, формирование фрактальных гетерогенных структур в объеме материала, слоистых (ламеллярных) в зоне контакта трибосопряжений, обеспечивающих долговечность инструмента, оснастки, оборудования, улучшение качество обрабатываемых поверхностей, встраивание компонентов ФВТСС в пищевые цепи экосистем. На данных принципах разработан ФВТСС РВ-6, который используется при алмазно-абразивной обработке различных материалов, в том числе постоянных магнитов.

Целью исследований является разработка методики оценки эффективности ВТСС, используемых при алмазно-абразивной обработке компактных и порошковых спеченных материалов.

Методика исследований и материалы

Разработана оперативная методика комплексной оценки эффективности водорастворимых технологических смазочных средств (ВТСС) [6] на машине трения СМЦ-2 [7,8] при алмазно-абразивной обработке материалов. Схема испытания образцов контактирующей пары абразивный круг-шлифуемый металлический образец на машине трения СМЦ-2 приведена на рис. 1.

На верхний неподвижный вал машины трения СМЦ-2 устанавливают неподвижную обойму 1, в которой закреплены шлифуемые металлические образцы 2, 3, 4. На нижний вал машины трения устанавливают шлифовальный круг 5. Ванну 7 заполняют ВТСС 6. Оценку эффективности ВТСС производят при увеличении радиальной силы на 100, начиная с 200, до критической нагрузки, при которой появляются прижоги на компактных образцах или происходит разрушение спеченного порошкового.

Рис. 1. Схема испытаний водорастворимых технологических смазочных средств при алмазно-абразивной обработке на машине трения СМЦ-2: 1 — обойм; 2, 3, 4 — образцы материалов; 5 — абразивный круг; 6 -ВТСС; 7 — ванна; - радиальная сила; - тангенциальная сила

образца. Время испытания при фиксированной радиальной силе — 5 с. В зону шлифования ВТСС подают при окунании в ванну шлифовального круга, вращающегося с частотой вращения 300, 500, 1000 (соответственно линейные скорости равны 0,78, 1,31, 2,62). Объемы снятого материала и изношенной части абразива определяли весовым методом на аналитических весах ВЛР-200 ГОСТ 24 104–2001 в.

В качестве шлифуемого материала выбран спеченный феррит бария 16БА190, размер образца в виде призмы 12×11×6, марка абразивного круга 2720−0031, ГОСТ 16 167–90, размер круга 1А1 40×16×16. В качестве ВТСС для сравнения выбраны ФВТСС РВ-6 (Россия) и СОЖ Blasokut 4000 SF 004 (Швейцария). Критерии оценки эффективности ВТСС при алмазно-абразивной обработки материалов с использованием ВТСС приведены в табл.

Результаты исследований и их обсуждение Проводились сравнительные испытания оценки эффективности водорастворимых технологических смазочных средств (ВТСС) на машине трения СМЦ-2 при частоте оборотов шлифовального круга 300 1,0-процентных водных растворов РВ-6, содержащих фрактальные кластеры, и СОЖ Blasokut 4000 SF 004 (Швейцария) на процесс алмазно-абразивной обработки феррита бария 16БА190. Сравнительные испытания эффективности ВТСС проводили по пунктам критериев эффективности 1−13, приведенных в табл. Результаты сравнительных испытаний ВТСС приведены на рис. 2,3.

Таблица

Критерии эффективности алмазно-абразивной обработки материалов с использованием ВТСС.

№ п/п.	Критерии.	Размерность.	Формулы, методы определения.
	Радиальная сила,.		Задается.
	Критическая радиальная сила,.		Определяется экспериментально.
	Тангенциальная сила,.
	Эффективная мощность,.
	Коэффициент трения,.	;
	Температура в объеме ванны,.		Измерение.
	Объем снятого материала,.		Взвешивание.
	Объем изношенной части абразива,.		Взвешивание.
	Коэффициент шлифо-вания по массе,.
	Коэффициент режущей способности,.
	Удельная мощность шлифования,.
	Комплексный критерий,.
	Шероховатость поверхности,.		Измерение.

Обозначения: — момент трения между алмазно-абразивным инструментом и шлифуемым образцом,, определяют по трибограмме прибора машины трения СМЦ-2; -радиус шлифовального круга,; -линейная скорость абразивного круга, .

На рис. 2 показана эффективность абразивной обработки образцов феррита бария 16БА190 алмазным кругом 2720−0031 с использованием 1,0 процентных водных растворов ФВТСС РВ-16. Критическая нагрузка разрушения феррита бария 16БА190 составила =700. В диапазоне радиальных нагрузок = 200…700 коэффициент трения соответственно уменьшился с 0,23 до 0,13, съем феррита бария увеличился с 30 до 120, износ алмазного шлифовального круга увеличился с 2 до 6, температура в объеме ванны практически не изменилась и составила 16, тангенциальная сила увеличилась с 48 до 90, эффективная мощность увеличилась с25 до 55.

Рис. 2 Эффективность абразивной обработки образцов феррита бария 16БА190 алмазным кругом 2720−0031 с использованием 1,0 процентного водного раствора ФВТСС РВ-16

При испытании ФВТСС РВ-6 и приложении радиальной силы = 400 коэффициент шлифования по массе =29,16, коэффициент режущей способности составил =5,27, удельная мощность шлифования — =0,021, комплексный критерий — =74,37 .

На рис. 3 показана эффективность абразивной обработки образцов феррита бария 16БА190 алмазным кругом 2720−0031 с использованием 1,0 процентного водного раствора СОЖ Blasokut 4000 SF 004. Критическая нагрузка разрушения феррита бария 16БА190 составила =400. В диапазоне радиальных нагрузок = 200…400, коэффициент трения соответственно уменьшился с 0,40 до 0,28, съeм феррита бария увеличился с 20 до 155, износ алмазного шлифовального круга увеличился с 8 до 22, температура в объеме ванны практически не изменилась и составила 17, тангенциальная сила увеличилась с 40 до 55, эффективная мощность увеличилась с 20 до 40 .

Рис. 3 Эффективность абразивной обработки образцов феррита бария 16БА190 алмазным кругом 2720−0031 с использованием 1,0 процентного водного раствора СОЖ Blasokut 4000 SF 004

При испытании СОЖ Blasokut 4000 SF 004 и приложении радиальной силы = 400 коэффициенты, приведенные выше, принимали следующие значения: =6,91, =4,58, =0,02, =64,59 .

Анализ полученных результатов показал, что смазочный материал РВ-6, содержащий фрактальные структуры, образует в зоне контакта феррит бария-алмазный абразивный круг пленки, обладающие повышенными смазочными свойствами. Данные пленки снижают коэффициент трения, уменьшают износ алмазного круга, повышают критическую нагрузку разрушения феррита бария до 700 .

Таким образом по предложенным критериям можно определять эффективность применения и проводить сравнительные испытания различных ВТСС при алмазно-абразивной обработке материалов. На основании сравнительного анализа значений критериев эффективности ФВТСС РВ-6 и СОЖ Blasokut 4000 SF 004 сделан вывод о большей эффективности РВ-6.

• 1. Постоянные магниты для автомобильной промышленности. Производство и применение. URL: inttextex.ru/page/postojannye-magnity-dlja-avtomobilnoj-promyshltnnosti-proizvodstvo-i-primenenie.
• 2. Хакен Г. Синергетика. Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. М.: Мир, 1985. 411 с.
• 3. Mandelbrot B.B.The fractal geometry of nature N.Y.: Freeman. 1983. 480 p
• 4. Mandelbrot B. B, Passoja D.E., Paullay A.J. Fractal character of fracture surfaces of metals // Nature.1984.V.308. pp. 721−722.
• 5. Иванова В. С. От дислокации к фракталам. Фрактальная синергетика и «интеллектуальные» материалы // Материаловедение, 2001. Ч.2. № 1. С. 22−29.
• 6. Шульга Г. И. Функциональные водорастворимые технологические смазочные средства для обработки материалов. Ростов н/Д: Ред. ж. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион», 2004. 212 c.
• 7. Даровский Г. В. Совершенствование механизма нагружения машины трения типа «Амслер» // Инженерный вестник Дона, 2008, № 2 URL: ivdon. ru/ ru/ magazine/archive/n2y 2008/72/.
• 8. Ахвердиев К. С., Мукутадзе М. А., Лагунова Е. О., Солоп К. С. Расчетная модель радиального подшипника скольжения с повышенной несущей способностью, работающего на микрополярной смазке с учетом её вязкостных характеристик от давления //Инженерный вестник Дона, 2013, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2200/.
• 9. Шульга Г. И. Шульга Т. Г Экологические проблемы разработки, применения и утилизации водорастворимых технологических смазочных средств // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Проблемы электрохимии и экологии. Естественные науки. Спецвыпуск. 2008. С. 126−132.
• 10. Шульга Г. И., Колесниченко А. О., Скринников Е. В., Шульга Т. Г. Функциональные технологические смазочные материалы, труктурированные нанопорошками цветных металлов для повышения эффективности обработки деталей транспортных систем // Вестник Донского государственного технического университета. 2011. Т. 11. № 10(61). С. 1867−1873.
• 11. Шульга Г. И. Функциональные смазочные материалы, содержащие фрактальные кластеры // Физическое материаловедение: сборник тезисов и статей VI международной школы, г. Новочеркасск, 24 июня 2013 г.: /Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ) имени М. И. Платова, Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2013. С. 221−229.