Повышение эффективности процесса сверления металлов за счет фуллеренсодержащих СОТС

Ведущая роль в ускорении научно-технического прогресса отводится машиностроению как базе совершенствования техники и технологии, повышения производительности труда и качества продукции. Во всех отраслях машиностроения большой удельный вес составляет механическая обработка конструкционных материалов, позволяющая получать различные по форме и сложности изделия с высокими требованиями к точности и качеству их изготовления.

Одним из важных факторов снижения трудоемкости обработки и интенсификации процесса резания является использование на операциях лезвийной обработки эффективных поверхностнои химически активных сма-зочно-охлаждающих технологических средств {СОТС). Широкий спектр обрабатываемых материалов, отличающихся своими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками, большая номенклатура инструментальных материалов, конструктивные и геометрические особенности различных видов инструмента, специфические условия выполнения различных операций, а также большое количество выпускаемых промышленностью СОТС с разнообразным функциональным действием требуют определения оптимальных условий применения технологических сред, их состава и концентрации.

Результаты лабораторных исследований, опытно-промышленные испытания ряда современных водосмешиваемых и масляных СОТС показали их высокую эффективность для повышения обрабатываемости различных материалов. Это выражается повышением стойкости режущего инструмента, в среднем, в 2.3 раза, интенсификацией режимов резания на 20.50% при сохранении технологической стойкости инструмента, снижением энергосиловых затрат на 20.30%, повышением точности обработки на 1.2 квалитета и снижением шероховатости обрабатываемых поверхностей по сравнению с традиционными составами промышленных эмульсий.

В наибольшей степени высокие функциональные свойства современных СОТС проявляются при оптимальном сочетании технологической среды, обрабатываемого материала, режущего инструмента и условий обработки на конкретной операции. Оптимизация условий обработки в значительной степени способствует интенсификации процесса резания, возможности автоматизированного получения рациональных режимов обработки.

Анализ результатов современных исследований, связанных с построением моделей процессов трения при резании лезвийным инструментом с отсутствием СОТС в зоне резания или ограниченным количеством СОТС в виде пленок, не позволяет с достаточной полнотой отобразить указанные процессы трения и износа инструмента. Основным недостатком существующих моделей, описывающих процессы трения при резании с СОТС, является рассмотрение процесса с позиции квазистатической теории. Поэтому применение комплексного динамического подхода позволит существенно расширить возможности технических расчетов и в сочетании с эмпирически полученными коэффициентами на основе стендовых и натурных испытаний, с использованием вычислительных средств создать информативные работоспособные модели процесса трения при резании лезвийным инструментом с СОТС.

Проблема осуществления управляемого трения и износа элементов режущего лезвийного инструмента технологических систем в настоящее время решается различными способами: созданием специальных инструментальных материаловмодификацией поверхностного слоя — за счет нанесения покрытияизменением характеристик смазочной среды посредством СОТС с добавлением антифрикционных препаратов (АН) и (ПАВ) — применением специальных инженерных решений и пр. Однако применением каждого из указанных способов решаются, как правило, частные задачи. Необходимо разработать комплексный подход, охватывающий все этапы, начиная с проектирования, изготовления и эксплуатации режущего инструмента с СОТС, с учетом работоспособности пары: инструментальный — обрабатываемый материал, производительности, надежности и ресурса инструмента.

Цель диссертационной работы. Основной целью исследований, выполненных в работе, является повышение работоспособности режущего осевого лезвийного инструмента (спиральных сверл) за счет применения СОТС, содержащих активные препараты — фуллероидные наномодификаторы.

Объект исследования. Объектом исследования в диссертации являются спиральные сверла, работающие в условиях граничного трения в зоне резания при ограниченном доступе СОТС, работа которых соответствует требуемому периоду стойкости при заданной производительности.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы основные положения динамики трибосопряже-ний технологических систем для граничного трения, основные положения теории трения и изнашивания конструкционных и инструментальных материалов, принципы прикладной механики, методы системного анализа, оптимизации динамических параметров пары трения «инструментальный — обрабатываемый материал», развитые в задачи мониторинга и диагностики.

Научные положения и выводы, полученные аналитически, подтверждены экспериментально положительными результатами применения в производственных условиях. Достоверность результатов исследования контактных взаимодействий трибосопряжений подтверждена удовлетворительным соответствием результатов с основополагающими решениями, полученными в работах по процессам трения в трибосопряжениях технологических систем механической лезвийной обработки, а также результатами исследований других авторов. Новизна выполненных технических решений подтверждается соответствующими техническими актами, приложенными в работе.

На защиту выносятся:

• результаты теоретических и экспериментальных исследований параметров пары «инструмент — заготовка» и характеристик работоспособности режущего инструмента;

• принцип действия и конструкции триботехнического стенда «Задир», а также, методики измерения с применением измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) «Профиль» и «Latimet Automatic» для оценки параметров качества поверхностного слоя режущей кромки инструмента и обработанной заготовки;

• предложенная модель процесса трения и изнашивания, учитывающая с необходимой полнотой влияние АП в СОТС на параметры трения и износа режущего инструмента;

• система комплексного мониторинга параметров качества и диагностики состояния поверхностного слоя пары «инструмент — заготовка» для обеспечения требуемой работоспособности инструмента;

• выдвинутая, экспериментально обоснованная и инструментально подтвержденная, модель действия АП ФН на СОТС на водной основе и поверхности режущего инструмента;

• созданная и апробированная на практике эффективная система адаптации АП ФН в водных СОТС на основе дифференцированного учета их физико-химических свойств.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

• предложена и обоснована единая концепция обеспечения работоспособности трибосопряжения «инструмент — заготовка» при наличие СОТСсАП;

• описан и исследован механизм оценки влияния параметров трибоси-стемы «инструмент — заготовка» на показатели динамического качества;

• предложен системный подход и эффективная методика исследования характеристик процесса резания лезвийным осевым инструментом при оценке влияние активных антифрикционных модификаторов к СОТС на показатели качества;

• разработаны методы комплексной оценки свойств поверхностного слоя пары трения «инструмент — заготовка», основанные на использовании специальной аппаратуры и новых измерительно-вычислительных комплексов (.ИВК);

• адаптирован принцип действия активных наномодификаторов карбо-новой группы — фуллероидных материалов на показатели износостойкости режущего осевого лезвийного инструмента. Практическая полезность работы.

Разработанная система адаптации АП ФН в СОТС, применяемых на операциях механической лезвийной обработки, позволяет обеспечить высокую работоспособность режущего инструмента, а также добиться параметров качества и точности обработанных заготовок.

Система, работая совместно с ИВК «Профиль», позволяет осуществлять оценку микрогеометрии поверхностиработая совместно с ИВК «Latimet Automatic», позволяет проводить визуальный мониторинг поверхностей трения и оценку микротвердостис ИВК «Задир» — осуществлять оценку трибо-технических характеристик СОТС.

Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты исследований, полученные автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками ПИМаш — В. М. Петровым, В.А. НикитинымСПбГПУ — С.Г. Чулки-ным.

При этом лично автору принадлежат:

• обоснование направления исследованийпостановка задач и разработка методологии исследованийпланирование и проведение экспериментальных исследований, связанных с триботехническими испытаниями на триботехнических стендах, металлорежущем оборудовании и комплексной оценкой параметров качества на приборах и ИВК;

• разработка модели для оценки комплексного влияния АП ФН на проектируемые СОТС',.

• обобщение экспериментальных исследований, построение на их ос" нове моделей и установление основных закономерностей исследуемых процессов;

• разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий в промышленности на основе СОТС с АП ФН.

Реализация результатов. Предложенные методы комплексной оценки основных эксплуатационных параметров качества пары трения «инструмент — заготовка» и методы проектирования СОТС с АП ФН нашли применение в машиностроении на операциях механической лезвийной обработки, при разработке новых СОТС на водной основе, содержащих наномодификаторы карбоновой группы фуллероидные материалы (ОАО Концерн «Силовые машины» JIM3, ЗАО Завод «Композит»).

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс и использованы при подготовке профилирующих дисциплин на технологическом факультете ГОУ ВПО ПИМаш, таких, как:

• «Резание, станки и инструменты» — по разделу «Применение модификаторов и антифрикционных препаратов для создания СОТС с особыми свойствами».

• «Взаимозаменяемость и стандартизация» и «Метрология» — по разделу «Методы и средства контроля параметров точности и качества».

• «Основы технологии машиностроения» — по разделу «Влияние параметров точности и качества на основные эксплуатационные характеристики пар трения».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в период с 2001 г. по 2006 г. на ряде научно — технических конференций, симпозиумов, совещаний и на семинарах: Международной научно-практической конференции «Автоматизация технологических процессов в машиностроении. Режущий инструмент и оснастка» (г. С. Петербург, 2003) — Международной научно-практической конференции «Технологии третьего тысячелетия» (г. С.-Петербург, 2003) — 6-ой Международной практической конференции — выставке «Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций" — Международном симпозиуме по транспортной триботехнике «Триботехника на транспорте" — «Транстрибо — 2001, 2002, 2005» (г. С. Петербург, СПбГТУ, 2001, 2002, 2005) — Международной научно.

• практической конференции «Качество поверхностного слоя деталей машин» (г. С.-Петербург, 2003) — Международной научно-практической конференции, посвященной 300 — летию Санкт-Петербурга: «Безопасность водного транспорта» (г. С.-Петербург, 2003).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 131 наименований и содержит 135 страниц текста, включая 10 таблиц, 36 рисунков и два приложения, которые подтверждают работоспособность разработанных алгоритмов и внедрение результатов диссертационной работы на отраслевом уровне.

9. Основные результаты исследований были внедрены и получили широкую апробацию в условиях действующего производства ОАО «Силовые машины» (JIM3, Электросила, «Завод турбинных лопаток»), ЗАО «Завод «Композит», ОАО «Санкт-Петербургский завод прецизионного станкостроения» и других организациях и предприятиях РФ.