Підвищення ефективності механічної обробки деталей з використанням полімервмісних МОТЗ

- 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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

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

2. 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.

3. 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.

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

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

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

2. 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.

3. 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.

4. 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.