Результаты испытаний наноструктурированных СОТС, содержащих активные фуллероидные наномодификаторы, на операциях сверления конструкционных материалов, применяемых в энергомашиностроении Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.95.01; 621.9.02.; 621.91.

В.М. Петров, Н.Ю. Сойту, Ю.В. Петров

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СОТС, СОДЕРЖАЩИХ АКТИВНЫЕ ФУЛЛЕРОИДНЫЕ НАНОМОДИФИКАТОРЫ, НА ОПЕРАЦИЯХ СВЕРЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИИ

Приведены результаты экспериментальных исследований разных технологических жидкостей, в том числе содержащих активные препараты - фуллероидные наномодификаторы, применяемых на операциях сверления. Проведено сравнение этих технологических жидкостей. Рассмотрены методики натурных испытаний на технологическом оборудовании, подготовки к проведению эксперимента и методики инструментальной оценки.

Смазочно-охлаждающая технологическая среда, фуллероидные наномодификаторы, спиральные сверла, параметры резания, износ сверл, период стойкости.

V.M. Petrov, N.Yu. Soitu, Yu. V. Petrov

TEST RESULTS OF NANOSTRUCTURED SOTS CONTAINING ACTIVE FULLEROID NANOMODIFIERS BASED ON DRILLING OPERATIONS OF STRUCTURAL MATERIALS USED IN POWER-PLANT ENGINEERING

The results of experimental research of different process liquids, including those ones containing active preparations like fulleroid nanomodifiers used in drilling operations. A comparison of process liquids is under review. The techniques of the process equipment field tests, preparations for the experiments and the methods of instrumental assessment are suggested in the article.

Cutting-сooling technological environment, fulleroid nanomodifiers, twist drills, cutting parameters, worn drills, stability frequency.

Задачи исследования. В механообрабатывающем производстве ОАО «Силовые машины» энергомашиностроения используется широкая номенклатура углеродистых и легированных сталей, жаропрочных и коррозионно-стойких сталей и сплавов, а также титановых сплавов. Отдельные конструкционные материалы на основе металлов и их сплавов обладают низкой обрабатываемостью, связанной с особенностями физикохимических и тепло-физических свойств. Это вызывает интенсивное изнашивание инструмента и снижение производительности обработки, затрудняет достижение требуемого качества поверхностных слоев детали.

В рамках данной статьи приведены результаты экспериментальных исследований, определяющих область возможного применения наноструктурированных СОТС-активными препаратами - фуллероидными наномодификаторами (АП ФН) [1-3]. Для

выполнения экспериментов использованы методики исследований стойкостных и силовых характеристик процесса резания при сверлении на реальном технологическом оборудовании и методика статистической обработки результатов (применительно для инженерных расчетов [2]).

1. Исходные данные для исследований. При исследовании обрабатываемости деталей из перечисленных материалов в лабораторных условиях ставилась задача из большого количества универсальных и достаточно широко применяемых СОТС [5, 6] выявить наиболее эффективные составы для операций сверления (обработки осевым режущим инструментом).

Для проведения исследований влияния СОТС [5]на показатели обрабатываемости на основании анализа выбраны следующие материалы - представители групп: -углеродистых сталей - сталь 35 или сталь 45; - легированных сталей - сталь 40Х; -коррозионно-стойких сталей - сталь 12Х18Н10Т; - титановых сплавов - сплав ВТЗ-1. В качестве режущего инструмента использованы сверла из быстрорежущих сталей Р6М5 и Р6М5К5 06,8 мм. В лабораторных условиях испытания проводились на ИВК на базе вертикально-сверлильного станка 2Н125. В качестве исследуемых СОТС служили: 5%-ная эмульсия ЭТ-2, ИНХП-2 и др., применяемые ОАО «Силовые машины», а также экспериментальная СОТС с АП ФН [3, 5].

Основными показателями обрабатываемости являются стойкость режущего инструмента и интенсивность его изнашивания, составляющие силы резания и качество обработки. Оценка указанных показателей проводилась с помощью измерительных приборов и оборудования: ИВК «Latimet Automatic»; ИВК «Профиль»; ИВК на базе сверлильного станка и УДМ-100 и 600 [2].

2. Методики определения влияния СОТС на износ спиральных сверл. Исследования влияния СОТС на стойкость и износ режущего инструмента проводились с использованием известных методик. Приготовление и контроль СОТС осуществлялись в соответствии с технологическими условиями на исследуемые составы. В основной серии испытаний подача СОТС в зону резания осуществлялась свободным поливом с помощью насосной установки при расходе жидкости 6.. .10 л/мин.

Отбор заготовок обрабатываемых материалов проводился из одной партии. На каждом испытуемом образце измерялась твердость. К исследованиям допускались образцы, имеющие отклонения по механическим характеристикам не более 5%.

Сверла для испытаний целесообразно отбирать из одной партии. Все сверла подвергаются внешнему осмотру, контролю геометрических параметров, шероховатости и твердости. Они должны удовлетворять требованиям ГОСТ. Сверла, не удовлетворяющие хотя бы одному из перечисленных требований стандартов, бракуются. За критерий затупления принимается величина допустимого износа по задней грани, появление сколов и выкрашиваний, превышающих половину допустимого износа, или величина предельно допустимой шероховатости обработанной поверхности.

За величину критического износа принимается ордината h опт. точки касания касательной, проведенной к зависимости износа от времени (пути) резания из точки на оси ординат, отстающей от начала координат на величину допуска на заточку (изготовление), которую для сверл можно принять равной 0,15 мм.

Стойкость сверл при достижении допустимой шероховатости обработанной поверхности определяется ИВК «Профиль» [2].

При проведении испытаний периодически контролируются установленные режимы резания при работе на станках с фиксированной частотой вращения шпинделя (отклонение не должно превышать ±5%).

Замер значений износа h задней поверхности проводился через каждые 1-3 минуты резания с помощью ИВК «Latimet Automatic» [2].

Целью проведения стойкостных испытаний является построение кривых hз = f(7) при постоянных всех остальных входных параметрах системы резания для каждой

испытываемой СОТС. На затупившемся инструменте определяется максимальный износ на задней грани.

По полученным результатам испытаний определяются среднее значение стойкости инструмента Т, дисперсия стойкости $* и коэффициент вариации к.

3. Методика проведения исследования энергосиловых показателей системы резания. Энергосиловые характеристики функционирования системы резания Ро, Рх, Ру, Мкр являются одними из показателей обрабатываемости материалов, дающих возможность косвенно оценить эффективность конструкции инструмента, качество износостойких покрытий режущей части и определить влияние СОТС и режимы резания.

Связь между изменяемыми параметрами процесса резания и энергосиловыми характеристиками обычно находят экспериментально. Аналитические методы определения составляющих сил резания имеют преимущественно теоретический характер и из-за своей трудоемкости в инженерных расчетах не применяются.

Измерение силы резания осуществляется с помощью динамометров. В нашем случае ИВК на базе УДМ-100, 600.

При проведении исследований необходимо соблюдать все вышеперечисленные требования к выбору обрабатываемого материала, инструментов, приготовления СОТС и подачи ее в зону резания, а также постоянства всех неизучаемых факторов воздействия на систему резания.

Достоверность полученных данных зависит от количества опытов (повторений) в одной точке. Для получения уровня надежности доверительной вероятности 0,9 число наблюдений в каждом опыте должно быть равно не менее пяти (метод малой выборки).

Полученные результаты в виде графиков представлены на рис. 1-8.

Зависимость осевой силы Ро от подачи Б

Рис. 1. Влияние СОТС и подачи на осевую силу Ро при сверлении ст. 40Х (Р6М5, 0 = 9,6 мм, V = 15 м/мин)

Зависимость осевой силы Ро от подачи Б

,о

Р

а

л

о х к “ а в е с О

Подача Э, мм/об

База

■■— Укринол 1 + ФН Аквол 6 -«—Аквол 2

Рис. 2. Зависимость осевой силы Ро при сверлении сплава ВТ3-1, от СОТС и подачи (Р6М5, 0 = 10 мм, V = 7,8 мм/об)

Зависимость осевой силы Ро от подачи Б

-♦-База -■-Укринол 1 + Фн -а- Аквол 6 Аквол 2

Подача Э, мм/об

Рис. 3. Зависимость осевой силы Ро при сверлении стали 12Х18Н10Т, от влияния СОТС и подачи (Р6М5, 0 = 10 мм, V = 3,9 м/мин)

Зависимость осевой силы Ро от скорости резания V

С а о а а.

с со

и

С О

§ к 5 го

С со

£ и о

500 - 450 400 350 300 250

1 1— Ї. . 1 г— н — '

7,5

15

♦“ База

■— Укринол 1 + ФН Аквол 2 ____Аквол-6_________

22

30

35

Скорость резания V, м/мин

Рис. 4. Влияние СОТС и скорости резания на осевую силу Ро при сверлении стали 40Х (Р6М5, 0 = 9,6 мм, 5 = 0,1 м/мин)

Зависимость осевой силы Ро от скорости резания V

X

сГ

0_

03

с;

о

к

03

со

2

(5

О.

Я

С

О

К

л

со

о

о

2,8

3,9

■ База

Укринол 1 + ФН Аквол 2 Аквол 6_________

7,8

15,7

Скорость резания V, м/мин

2

0

Рис. 5. Зависимость осевой силы Ро при сверлении стали 12Х18Н10Т от влияния СОТС и скорости резания (Р6М5, 0 = 10 мм, 5 = 0,2 мм/об)

Н

а =

я э

С Ь

2 0

с ;

о 5

2 § а о

с °

р. э

с 5

Зависимость осевой силы Ро от скорости резания V

■ База

Укринол 1 + ФН Аквол - 6 Аквол - 2

Скорость резания V, м/мин

Рис. 6. Зависимость осевой силы Ро от СОТС и скорости резания при сверлении сплава ВТ3-1 (Р6М5, 0 = 10 мм, Б = 0,14 мм/об)

Зависимость осевой силы Ро от скорости резания V

Аквол - 6 Укринол 1 + ФН База Аквол - 2

Скорость резания V. м/мин

Рис. 7. Влияние СОТС и скорости резания на длину пути резания L при сверлении ВТ3-1 ^ = 0,1 мм/об, 0 = 8,5 мм, Р6М5)

Зависимость относительного износа h03 от скорости резания V

0

1

С

О

х /

е ^

в к

СО ,

о 5

о с ь ° л з

CD со

<О

О

О

Аквол - 6 Укринол 1 + ФН База Аквол - 2

Скорость резания V. м/мин

Рис. 8. Влияние СОТС и скорости резания на величину относительно поверхностного износа h03 при сверлении ВТ3-1 (S = 0,1 мм/об, 0 = 8,5 мм, Р6М5)

Выводы

1. Использование АП ФН в экспериментальных СОТС позволило существенно снизить износ режущей кромки сверла, примерно в 2 раза.

2. Экспериментальные составы СОТС с АП ФН позволили получить более низкую шероховатость поверхности по параметру R (для режущих кромок и стальных образцов на 30%) и более износостойкую поверхность по стандарту DIN 4776.

3. Натурные испытания использования АП в СОТС на операциях сверления разных конструкционных материалов показали повышение стойкости режущих кромок при одинаковых условиях и режимах резания.

4. Для обрабатываемых заготовок из стали 40Х отмечено снижение шероховатости, (от 5.. .15%) контрольной и экспериментальной партий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вейц В. Л. Перспективы развития технологий на основе фуллероидных наномодификаторов / В.Л. Вейц, Ю.М. Зубарев, В.М. Петров // Инструмент и технологии. 2007. № 26-27. С. 15-23.

2. Петров В.М. Применение модификаторов в узлах технологических машин для решения триботехнических задач / В.М. Петров. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. 282 с.

3. Решение частных триботехнических задач энергомашиностроения за счет наноструктуризации технологических сред / Ю.М. Зубарев, В.М. Петров, В.А. Никитин и др. // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. № 3 (41). Вып. 2. С. 179-184.

4. РТМ-44-62. Методика статистической обработки эмпирических данных. М.: Госстандарт, 1963. 112 с.

5. Сойту Н.Ю. Основные эксплуатационные требования, предъявляемые к СОТС для механической обработки резанием / Н.Ю. Сойту // Инструмент и технологии. 2008. № 28-29. С. 115-118.

6. Белецкий Е.Н. Особенности процесса резания композиционных углепластиков лезвийным инструментом без охлаждения и с модифицированными СОТС / Е.Н. Белецкий, В.М. Петров, Н.Ю. Сойту // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. № 3 (40). Вып. 1. С. 42-46.

Петров Владимир Маркович -

доктор технических наук, профессор, декан технологического факультета Санкт-Петербургского института машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ)

Сойту Наталья Юрьевна -

старший преподаватель кафедры «Технологии машиностроения» Санкт-Петербургского института машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ)

Петров Юрий Владимирович -

студент кафедры «Технологии машиностроения» Санкт-Петербургского института машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ)

Petrov Vladimir Markovich -

Doctor of Technical Sciences,

Professor, Dean of the Department of «Technology»

of St.-Petersburg Institute of Machine Building

Soitu Nataliya Yuriyevna -

Senior Lecturer of the Department

of «Technology Engineering»

of St.-Petersburg Institute of Mechanical Building

Petrov Yuriy Vladimirovich-

Student of the Department

of «Technology of Mechanical Engineering»

of St.-Petersburg Institute of Machine Building

Статья поступила в редакцию 14.05.10, принята к опубликованию 14.07.10