Научная статья на тему 'Основы управляющего воздействия на технологические процессы механической обработки материалов'

Основы управляющего воздействия на технологические процессы механической обработки материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
221
76
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Основы управляющего воздействия на технологические процессы механической обработки материалов»

УДК 621.92+669:539.67

В.И. Бутенко, Д.С. Дуров, В.В. Гончаренко, В.И. Косов

ОСНОВЫ УПРАВЛЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Важнейшим направлением современного машиностроения является повышение работоспособности деталей машин за счёт совершенствования процессов получения и обработки материалов [1-3]. При этом особую значимость приобретает эксплуатационно-технологические воздействия на процессы формирования качественного состояния поверхностного слоя деталей на любых стадиях «жизненного» пути изделия [4]. Так, весьма перспективным является вибрационное резание [5], подача в зону обработки ультразвуковых колебаний [6], нагрев снимаемого слоя металла факелом пламени [7], механическая обработка металлов с наложенными напряжениями, создание магнитных полей в зоне обработки [8, 9] и другие способы.

Современное состояние материаловедения и технологии машиностроения указывает на необходимость разработки новых подходов к решению вопросов формирования поверхностного слоя деталей, базирующихся на универсальных законах развития природы, т.е. на самоорганизации [10] и избирательного переноса [11].

При исследовании современными физико-химическими методами механизма избирательного переноса в модельных трибосистемах установлено, что самоорганизация при формировании сервовитной плёнки в процессе перехода исследованных систем в режим безызносности происходит с участием металлических кластеров с размерами не более 10 м. Возникло новое направление в машиностроении - нанотрибология, которое концептуально уже предопределило пути наиболее эффективного управляющего воздействия на технологические процессы механической обработки материалов. Например, установлено, что управляющими параметрами самоорганизации при использовании в составе смазки кластеров металлов в условиях жидкодинамического трения является градиент скорости, а при граничном трении - градиент концентрации ионов электролита в слоях смазки, непосредственно прилегающих к зоне контакта. Одновременно предложены физические модели для обоснования эффективности кластеров меди при самоорганизации в условиях гидродинамического и граничного трения, а также при переходе в режим безызносного трения. Всё это может быть использовано для разработки принципиально новых путей повышения стойкости инструмента при резании труднообрабатываемых материалов, обеспечивая требуемое качество поверхностного слоя деталей. В общем виде схема резания металлов с управляющим воздействием на зону обработки для создания наноструктурных плёнок на режущих кромках инструмента и обработанной поверхности детали представлена на рис. 1.

В соответствии с представленной схемой резания формирование сервовит-ной плёнки на режущих кромках инструмента и обработанной поверхности детали при переходе от граничного трения к избирательному переносу и состоянию безызносности может быть представлено в виде следующей последова-

тельности реакций:

--->Л + Вє—^ЛВє к > АВ + є--->, (1)

где А - поверхность трения; Вє - дисперсная фаза металлических кластеров, коагулирующих на поверхности трущихся тел вместе с адсорбированными молекулами и ионами электролита є дисперсионной среды; АВє - коагуляционная структура свежего осадка кластеров металла на поверхности, содержащая в своём составе электролит є; АВ - конденсационнокристаллизационная структура, в которую превращается коагуляционная структура, представляющая собой формирующуюся сервовитную металлическую плёнку, из которой под действием трения удалены молекулы и ионы электролита; К], К2 - константы скоростей химических реакций.

Рис. 1. Схема резания металлов с управляющим воздействием на зону обработки: 1 - обрабатываемая деталь; 2 - инструмент;

3 - сопло для подачи СОЖ - электролита в зону обработки

Эффект создания управляемой нанометрической плёнки из кластеров металла усиливается, если в зоне обработки создать ультразвуковые колебания.

Для практической реализации предлагаемого управляющего воздействия на процесс резания металлов необходимо провести комплекс теоретикоэкспериментальных исследований по оптимизации составов СОЖ-электролитов и плотности тока в зависимости от обрабатываемого материала, режимов резания и способа обработки. При этом важно установить закономерности изменения стойкости металлорежущего инструмента и показателей качества получаемого поверхностного слоя от толщины образующегося нанометрического слоя и размеров кластеров. Особую значимость в решении этих вопросов отводится температурному фактору, от которого зависит не только энергетическое состояние материала поверхностного слоя обработанной детали [10], но и параметры нанометрического слоя, его свойства и устойчивость.

На рис. 2 в общем виде представлена схема основных направлений создания управляющего воздействия на технологические процессы механической обработки материалов. Среди этих направлений наиболее перспективным и высокоэффективным, на наш взгляд, является создание в зоне обработки наномет-

рических плёнок кластеров различных металлов, обеспечивающих эффект избирательного переноса или режим безызносности. В этом направлении большой научный интерес представляет разработка физических моделей для обоснования эффективности кластеров металла в зоне обработки при самоорганизации в условиях гидродинамического и граничного трения, соприкосновения ювенильных поверхностей, а также при переходе в режим безызносного трения.

Рис. 2. Схема основных направлений создания управляющего воздействия на технологические процессы механической обработки материалов

Перспективным направлением повышения обрабатываемости конструкционных материалов резанием является предварительное диспергирование структуры сталей и сплавов, которое может быть осуществлено созданием в зоне обработки условий для протекания управляемых трибохимических реакций. Если условно обозначить через Ме обрабатываемый материал, то в случае подачи в зону резания смазочно-охлаждающих технологических сред на органической основе протекают следующие трибохимические реакции [2]:

—^ 2 Ж + 2 И 20 2[НЖ]+ + Ме^^Ме(0Н )2 + 2[НЖ]+ + 2е , (2)

к3

где Уа, Уг - начальные и конечные свойства системы;

Я - образующийся процессе деструкции органического вещества радикал; К], К2, К3 - некоторые константы прямых и обратных трибохимических реакций;

[Н^Я]+ - образующийся реакционноспособный макрорадикал; е - свободный электрон.

Образование в зоне обработки реакционноспособных макрорадикалов и свободных электронов даёт возможность направленно воздействовать на структурные связи между кристаллами, создавая в нём микроканалы, разрушающие

связи между кристаллами, зёрнами и доменами. При обработке такого материала снижаются силы резания и температура, что существенно повышает стойкость инструмента и создаёт предпосылки для увеличения скорости резания и подачи. Такая обработка с управляющим воздействием на структуру обрабатываемого материала особенно эффективна при резании жаропрочных, хромоникелевых сталей и титановых сплавов.

1.Бутенко В.И. Нелинейность процессов при обработке металлов резанием. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001. 224 с.

2.Бутенко В.И. Износ деталей трибосистем. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002. 236 с.

3. Бутенко В.И. Высокопрочные и сверхпрочные состояния металлов и сплавов. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. 219 с.

4. Кулинский А.Д., Бутенко В.И. Современные представления о надёжности и качестве деталей и способах их обеспечения. Учебное пособие. Таганрог-Ейск: Изд-во ТРТУ, 2002. 159 с.

5. Сергиев А.П., Волошин С.В., Швачкин Е.Г. Вибрационное резание стали 110Г13Л // Вестник машиностроения. 2002, № 12. С. 50-52.

6.Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. М.: Машиностроение, 1970. 351 с.

7. Котельников В.И., Зотова В.А. Стойкость режущего инструмента при токарной обработке заготовок с нагревом снимаемого слоя металла факелом пламени / В кн.: Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий. Материалы Российской научно-технической конференции. Рыбинск, 2003. С. 115-118.

8. Бутенко В.И. Комбинированные способы обработки стали в магнитном поле / Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения и технический прогресс». Донецк, 1996. С. 33.

9. Бутенко В.И. Термоупрочняющая обработка сталей в магнитном поле // Известия ТРТУ, Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1997, № 1. С. 159.

10.Бутенко В.И. Структурная самоорганизация материала поверхностного слоя обрабатываемой детали. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. 168 с.

11.Гаркунов Д.Н., Крагельский И.В., Полянчиков А.А. Избирательный перенос в узлах трения. М.: Транспорт, 1969. 104 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.