CC BY
15
Исследование остаточных напряжений
при использовании активированных полимерсодержащих СОТС
Репин Д. С., Колбашов М. А., Селезенев С. В., Бутко А. Ю.,
Ивановский институт ГПС МЧС России, г. Иваново
В современной технике обработка металлов резанием на металлорежущих станках имеет большое значение, ей подвергается большинство деталей разнообразных машин. Так, анализ состояния пожарной и аварийно-спасательной техники при пробегах близких к капитальному ремонту показывает, что основными причинами отказов является преждевременный износ трущихся частей. Ремонт гидравлических систем аварийно-спасательной техники происходит, как правило, путем замены изношенных узлов. Поэтому, одно из направлений в системе МЧС России при эксплуатации автотранспортных средств, как на колесном, так и на гусеничном шасси является повышение их надежности. Отягчающим обстоятельством служит особый интенсивный режим работы специальной техники, связанный с негативным воздействием ряда факторов. Это температурные перепады, экстремальные динамические нагрузки, неустановившийся режим работы, реверсивные нагрузки, попадание абразивных материалов из окружающей среды, водные загрязнения смазочных материалов и топлива. В современной пожарной и аварийно-спасательной технике широкое применение нашли различные виды сталей и сплавов с износоустойчивыми свойствами. Так, например, в пожарной технике стали используются для изготовления шпинделя и его опорной гайки в пожарном гидранте, поршневые пальцы, коленчатые и распределительные валы двигателей внутреннего сгорания, элементы топливной аппаратуры, валы и зубчатые колеса коробок передач и коробок отбора мощности, валы пожарных насосов, шпиндели напорных задвижек насосов, сопряженные детали пеносмесителей.
Производство выше перечисленных изделий неразрывно связано с механической обработкой и на этой стадии целесообразно применение смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). Эффективность металлообработки — комплексный показатель, учитывающий в числе прочих условий и роль смазочно-охлаждающих технологических средств СОТС, их влияние на качество изделий, производительность труда и другие технико-экономические показатели процессов обработки металлов резанием.
Повышение работоспособности режущего инструмента в металлообработке способствует повышению точности и качества обрабатываемых деталей. Современные СОТС — это неотъемлемая часть всего комплекса средств, обеспечивающего эффективную эксплуатацию металлорежущего оборудования. Поскольку в практике металлообработки условия резания различаются значительно, то соответственно применяется и большое число СОТС, искусственно вводимых в зону резания. Перспективным путем решения ряда этих задач является совершенствования СОТС посредством введения в них различных по природе и
химическому строению функциональных присадок. На основании изучения литературных источников и физико-химических свойств полимеров были выбраны следующие вещества в качестве присадок к СОТС — это полиэтиленгли-коль (ПЭГ) и поливиниловый спирт (ПВС) [3]. Присадки высокомолекулярных соединений эффективны, благодаря глубокому и многостороннему воздействию на физико-химические и механические процессы и явления, происходящие в зоне резания.
В качестве обрабатываемых материалов использовались конструкционная сталь 45, титановый сплав ВТ1-0. При выборе данных материалов учитывалась необходимость их применения в промышленности. Исходным продуктом для изготовления водных СОТС являлся эмульсол - Эфтол (ТУ 0258-13705744685-00). Для повышения эффективности используемых СОТС была произведена их предварительная активация с помощью коронного разряда. Установлено, что процесс образования химически активных компонентов смазочной среды (атомов, ионов, свободных радикалов, ион-радикалов) можно интенсифицировать различными внешними энергетическими воздействиями на технологическое средство. Компоненты СОТС, подвергнутые предварительной активации, получают дополнительную энергию, что переводит их в мета-стабильное состояние. Это состояние характеризуется ослаблением или частичным нарушением внутримолекулярных связей, т. е. стимулируется деструкция СОТС с образованием активных атомов, радикалов и групп [1]. Именно эти активные элементы образуют в зоне контакта пленки, которые в свою очередь экранируют адгезионное взаимодействие поверхностей инструмента и обрабатываемого материала. В данной работе были изучены остаточные микронапряжения, при использовании в качестве СОТС полимерсодер-жащих средств активированных коронным разрядом.
Особенность остаточных напряжений после механической обработки состоит в том, что они действуют практически только в поверхностных слоях глубиной несколько десятков микрометров. Однако, как показывает опыт эксплуатации, остаточные напряжения в поверхностных слоях могут повлиять на прочность всей детали, особенно при действии переменных напряжений. Два основных фактора вызывают возникновение остаточных напряжений - это пластические деформации и нагревание поверхностных слоев.
Были произведены исследования остаточных напряжений в поверхностных слоях стали 45 и титанового сплава ВТ1-0 после обработки инструментом изготовленного из быстрорежущей стали марки Р6М5. При резании стали 45 напряжения в поверхностном слое были сжимающими (рис. 1). Наименьшие остаточные напряжения по всей глубине залегания наблюдались после обработки с применением отрицательно активированной полимерсодержащей СОТС (рис. 1б). Также было замечено незначительное уменьшение остаточных напряжений при использовании неактивированных полимерсодержащих СОТС. Наибольшие сжимающие напряжения наблюдались при использовании положительно активированной полимерсодержащей СОТС (рис. 1в).
Из полученных графиков можно сделать вывод, что отрицательно активированные СОТС уменьшают остаточные напряжения, что свидетельствует об
облегчении процесса резания. При положительной активации происходит увеличение остаточных напряжений, следовательно, процесс резания ухудшается. Уменьшение остаточных напряжений при применении положительно ионизированного воздуха связано с облегчением процесса деформации металла в ходе резания, а это, в свою очередь можно объяснить возникновением активных радикалов в зоне обработки [2].
Изучение остаточных напряжений в поверхностных слоях титанового сплава ВТ1-0 выявили присутствие растягивающих напряжений (рис. 2). Так как функциональные свойства прибора ограничены, остаточные напряжения в немагнитных материалах начинают регистрироваться не с поверхности, из-за этого измерения начинаются с глубины 150 мкм.
в)
Рис. 1. Остаточные напряжения после точения стали 45 (V = 0,5 м/с, Б = 0,1 мм/об., г = 0,5 мм): а) неактивированные полимерсодержащие СОТС;
б) отрицательно активированные полимерсодержащие СОТС;
в) положительно активированные полимерсодержащие СОТС
а)
б)
Рис. 2. Остаточные напряжения после точения титана ВТ 1-0 (V = 0,35 м/с, Б = 0,1 мм/об., 1 = 0,5 мм): а) неактивированные полимерсодержащие СОТС;
б) отрицательно активированные полимерсодержащие СОТС;
в) положительно активированные полимерсодержащие СОТС
При использовании неактивированных СОТС изменение остаточных напряжений не было зафиксировано. Положительная активация способствовала незначительному увеличению поверхностных растягивающих напряжений, изменения наблюдаются на глубине 150-350 мкм. Причем стоит заметить, что эмульсия при данной активации наоборот, уменьшает напряжения.
Введение отрицательно активированных сред способствует снижению напряжений на глубине от 150 до 300 мкм на величину. Здесь, как и в исследовании остаточных напряжений стали 45, можно предположить, что возникновение активных радикалов в процессе деструкции полимерных присадок приводит к изменению остаточных напряжений на поверхности обработанного материала.
Библиографический список
1. Латышев В. Н., Наумов А. Г., Раднюк В. С., Репин Д. С., Курапов К. В., Маршалов М. С., Жуковский С. А., Ткачук О. В. Экспериментальные исследования трибологических явлений при резании материалов // Трение и износ том 31, № 5 2010 с. 500-510.
2. Подзолков А. И, Дубовик Ю. А., Бабенко Д. А Влияние полимерсодер-жащих смазывающе-охлаждающих технологических средств на эффективность резания металлов. Вестник ХНТУ № 3(29), 2007 г
3. Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 3: Меди - Полимерные / Х 46 Ред-кол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. - М.: Большая Российская энцикл., 1992. -639 с.: ил.
