Главная » Архивы-2 » Вопросы термодинамики процесса резания и ресурсосберегающей технологии

Вопросы термодинамики процесса резания и ресурсосберегающей технологии

в машиностроении

Развитие любой отрасли экономики связано с машиностроением. Поэтому в Крыму работает большое количество машиностроительных предприятий, удовлетворяющих потребности приборостроительной, радиоэлектронной, судоремонтной, сельскохозяйственной, химической, пищевой, горнодобывающей, строительной и других производств.

Дефицит твердосплавных материалов

Главные текущие технические условия это острый дефицит вольфрама — основного компонента режущих инструментов, приводит к систематическому повышению цен на машиностроительную продукцию во всем мире. В Украине и Крыму вольфрам не добывается и его промышленное производство не планируется, что вынуждает ставить проблему инструментального обеспечения машиностроения в разряд приоритетных. И если раньше вопрос эффективного использования инструмента связывался в основном с повышением его эксплуатационных свойств — стойкости и экономии инструментального материала на стадии создания инструмента, то сейчас не менее актуален вопрос повторного использования (переработки) его отходов.

условия дефицит вольфрама

Настоящий доклад включает две принципиальные части: одна, детально разработанная, связана с термодинамикой процесса резания и стойкостью режущего инструмента, вторая, развиваемая в настоящее время, связана с переработкой (измельчением) отходов инструментов и повторного их использования .

 

 

 

 

Она обусловлена тем, что современные конструкции инструментов (как напайные, так и многогранные неперетачиваемые) созданы так, что непосредственно для резания используется всего около 1% его массы, остальная же часть, не выполняя режущих функций, удаляется при переточках или остается как неиспользуемая крепежная, подлежащая переработке. Современная технология переработки, основанная на механическом измельчении спеченных пластин, энергоемка, обладает низким коэффициентом выхода и не обеспечивает получения качественных порошков, которые, как правило, используются только на не ответственных изделиях. После разработки соответствующей технологии понадобятся услуги по изготовлению технической документации.

Разработанная нами в Крымском государственном индустриально-педагогическом институте технология позволяет получать экономически выгодным (в 5, 0…8, 0 раз дешевле базового сырья) и экологически безопасным путем неповрежденные карбиды. Вторая стадия технологии базируется на реализации оригинального метода нанесения полученных порошков на металлические поверхности и возможности получения на этой основе широкого спектра изделий машиностроения: инструментов для металла, дерево, камнеобработки, деталей и узлов с тяжело нагруженными поверхностями, измельчителей.

Фрезы и сверла в условиях Крыма

Специальные сверла, созданные с использованием указанной технологии, прошли успешные испытания при сверлении рельсов в производственных условиях Симферопольского Управления железной дороги.

Получены обнадеживающие результаты при исследовании на различных карьерах камнережущих фрез, оснащенных пластинами, изготовленными по отмеченной технологии. Покрытия, наносимые на рабочие поверхности мельниц данным методом оказываются также весьма эффективными при измельчении зерна, стекол, ряда строительных материалов.

Остановимся подробнее на первой части доклада — термодинамике процесса резания.

Технические условия резания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Закон сохранения энергии в процессе резания выражается, как известно, в превращении работы резания Ap в тепловую Q и скрытую (внутреннюю) энергию деформации деформируемых объемов стружки — стр, поверхностных слоев детали — дет и рабочих поверхностей инструмента — инс т.е.

Так как долевой вклад в общие энергозатраты незначителен — всего 0,5..3,0%, она в исследованиях, как правило, не учитывалась. Это обстоятельство, видимо, отвлекло внимание ученых от целесообразности изучения термодинамики процесса резания, которая до последнего времени оставалась не раскрытой [1]. Тем не менее именно эта часть энергии — , вносящая изменения в энергию межатомных связей деформируемого материала, ответственна за изменение свойств контактных слоев стружки, детали и инструмента, соотношение твердостей которых, как известно, и определяет стойкость инструмента.

Действительно, действие всех параметров нагружения и сопутствующих процессов на интенсивность износа инструмента проявляется, в конечном итоге, через изменение (трансформацию) свойств взаимодействующих поверхностей инструмента, стружки и детали.

Технические условия для изменений

Степень этих изменений в соответствии с принципами термодинамики определяется уровнем приращения их внутренней энергии за счет поглощения (или выделения) части энергии, развиваемой процессом в целом. Трансформация свойств деформируемых поверхностей — явление присущее всем контактным процессам, оно имеет место при всех условиях резания и сопутствует в той или иной форме всем видам износа, вследствие чего представляет наиболее широкие возможности для управления этими процессами. Таким образом, проблема повышения стойкости инструментов, связанная в общем случае с разработкой как оригинальных методов, так и с усилением эффективности традиционных, должна основываться на следствиях, вытекающих из термодинамики процесса резания, то есть технологические инструкции и меры, направленные на повышение стойкости, должны обеспечивать реализацию в непосредственных условиях резания одну из следующих задач:

  1. Упрочнение рабочих поверхностей инструмента, то сеть увеличение их внутренней энергии за счет поглощения части подведенной внешней энергии;
  2. Разупрочнение контактных поверхностей срезаемого слоя, то сеть выделение накапливаемой ими в процессе деформации (или предыдущих операций) внутренней энергии;
  3. Направленную трансформацию свойств взаимодействующих поверхностей за счет перераспределения составляющих энергобаланса и, как следствие.

Вторая и третья задачи принципиально известны. Прямыми методами, направленно решающими эти задачи, является резание с искусственным нагревом и применением смазочно-охлаждающих жидкостей: в первом случае за счет теплонагрузки зоны резания, во втором, наоборот,- теплоразгрузки, т.е. путем воздействия на требуемые составляющие баланса. Однако отсутствие экспериментальных данных по влиянию искусственного нагрева и СОЖ на теплоэнергобаланс процесса резания затрудняет реализацию указанных методов в оптимальном режиме.

Как создать условия упрочнения рабочих поверхностей инструмента

Первая задача, связанная с упрочнением рабочих поверхностей инструмента самим процессом резания, оригинальна. Остановимся на ней подробнее.

Достижения смежных наук, и в первую очередь физики твердого тела и материаловедения, выявили следующие условия, позволяющие прогнозировать возможности упрочнения поверхностей инструмента в процессе резания:

  1. Удельный расход энергии на нагрев и приращение внутренней энергии, определяющей степень упрочнения деформируемых объемов металла, соизмеримы…

Так, для нагрева a — железа массой М=1 кг и удельной теплоемкостью С=554 Дж/кг oС на температуру Delta Teta=300 oС потребуется тепловой энергии

(2)

Приращение внутренней энергии для случая достижения плотности дислокации r=1016…1018м-2 составит:

(3)

где

G=8,22 1010 Па-модуль упругости,
b=2,5 10-10 м— параметр кристаллической решетки,
q=7,8 103 кг/м3— плотность,
n=0,3…0,4— коэффициент Пуассона,
a=90o— угол между вектором Бюргерса и осью дислокации.
  1. Уровень скрытой энергии деформации, составляющий при резании 0,5…3,0%, соизмерим с уровнем, развиваемым при различных методах деформационного нагружения металлов, сопровождающихся, как известно, существенным упрочнением.
  2. Аустенитно-мартенситные превращения (бездифузионные по своей природе) протекают с приращением внутренней энергии порядка 3% (по данным [2]-17,6 Дж/г), что также указывает на возможность аналогичных процессов упрочнения при резании.
  3. Изменение внутренней энергии экспериментально фиксируется по плотности дислокации и прочности деформируемых объемов. Ниже приведены значения приращения внутренней энергии , и упрочнения Delta sigma, рассчитанные по изменению плотности дислокации r контактных слоев резцов из Р6М5 [1] по формуле (3) и как

(4)

 

1,921,27,94,7
1,20,80,560,36
1,421,20,920,71

Небольшое поглощение упругой внутренней энергии (менее 1,0 Дж/мм3) приводит к значительному упрочнению.

  1. Уровень задаваемых нагрузок (силовых, тепловых, скоростных) при различных методах упрочняющей технологии соответствует таковым при резании, то есть упрочнение рабочих участков инструмента возможно самим процессом резания и может протекать самопроизвольно, являясь неизбежным следствием превращения приложенной энергии в энергию внутренних процессов контактных слоев.

Таким образом, изотермическое поглощение упругой энергии деформации — DUинс, увеличивая внутреннюю энергию (в удельном выражении химический потенциал) контактных объемов инструмента обуславливает формирование в них структур повышенной износостойкости — упрочнение. Эти условия реализуются при определенных режимах, как правило, не соответствующих технологическим. Однако данное положение открывает возможности упрочнения инструментов путем их приработки кратковременным резанием (соответствующим периоду приработки- 5…7 мин.) на оптимальных с этой точки зрения режимах, подобно фрикционным парам [3].

Более чем 20-ти-летними исследованиями в лабораторных и промышленных условиях установлено существенное (в 1,5…3,5 раза) повышение стойкости стандартных инструментов, упрочненных предварительной приработкой.

Эффект повышения стойкости для данных тех условия обнаружен:

  • при эксплуатации основной группы инструментов (быстрорежущих, твердосплавных, безвольфрамовых, эльборовых, с покрытиями);
  • при обработке различных по свойствам материалов (конструкционных, нержавеющих, титановых);
  • при различных операциях (точения, фрезерования, отрезки, развертывания) и использования различных сред.

Следовательно, предварительная приработка как способ упрочнения применима к любому лезвийному инструменту и может быть рекомендована как один из универсальных методов повышения стойкости.

Специальными исследованиями с привлечением рентгеноструктурного, электронно-микроскопического, ОЖЕ- спектрального анализов, измерениями микротвердости и других параметров упрочнения раскрыт дислокационный механизм процесса трансформации свойств контактных поверхностей инструмента и установлена кинетика формирования микроструктуры этих слоев в процессе их приспособления к условиям эксплуатации. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено существование оптимальных технических условий резания, обуславливающих максимальное приращение химического потенциала и упрочнение контактных слоев инструмента в результате насыщения их скрытой энергией деформации, в 1,5…2,0 раза повышающей внутреннюю энергию исходного инструментального материала. Эти оптимальные условия приработки быстрорежущего инструмента соответствуют температурному диапазону 200…350 С (для твердого сплава — 700…800 С) и ограничиваются в нижнем пределе давлений около 500МПа, в верхнем — сопротивлением режущей кромки хрупкому разрушению. В интервале указанных давлений эффект упрочнения тем выше, чем больше нормальные удельные нагрузки.

Установленные закономерности формирования износостойких структур позволили разработать специальные пути, повышающие эффективность упрочнения инструмента приработкой и расширяющие области применения этого метода. Лабораторными и промышленными испытаниями показана возможность дополнительного (к эффекту приработки) 1,5…2,0 — кратного повышения стойкости:

  • а) приработкой инструмента на прочных материалах;
  • б) комбинированием приработки инструментов, эксплуатируемых на заниженных режимах, с искусственным нагревом;
  • в) низкотемпературным отпуском приработанного инструмента;
  • г) приработкой инструмента упрочненного [4] концентрированными потоками энергии и вещества (электроискровым и лазерным упрочнением и легированием).

На основании следствий, вытекающих из термодинамики процесса резания, вопросы управления стойкостью сводятся к созданию условий для упрочнения рабочих поверхностей инструмента или разупрочнения контактных поверхностей срезаемого слоя. Вопросы, связанные с упрочнением инструмента, изложены выше. В порядке решения второго вопроса реализован принцип управления стойкостью, связанный со стимулированием процесса разупрочнения контактных поверхностей срезаемого слоя за счет выделения накапливаемой в процессе деформации внутренней энергии. С привлечением специально разработанной методики, позволяющей реализовать процесс резания в условиях независимости скоростного (упрочняющего) и температурного (разупрочняющего) факторов, впервые показано, что путем направленного влияния на процессы разупрочнения уровнем тепловой энергии, соизмеримой с теплотой трения, удается в 2…3 раза повысить стойкость как твердосплавного, так и быстрорежущего инструмента. Что дает возможность получить обратившись в орган сертификации продукции сертификат соответствия.

В реализации основной концепции, развиваемой в настоящей работе, роль СОЖ определяется тем, что она существенным образом перераспределяет составляющие энергобаланса, включая нетепловые.

В порядке изучения этого вопроса впервые экспериментально оценено влияние СОЖ на энергетические соотношения процесса резания. Показано, что смазочно- охлаждающие жидкости обеспечивают интенсивную теплоразгрузку зоны резания, отбирая 60…80% выделяемого в целом от процесса резания тепла и 30…40% от развиваемого на контактных поверхностях. С увеличением скорости резания охлаждающее действие СОЖ резко снижается. При допустимых (по красностойкости) скоростях даже СОЖ на водной основе забирает 10…20% теплоты, развиваемой на контактных поверхностях, на масляной — всего на 5…8%. При этом основная доля тепла (до 65…75%), забираемого СОЖ от контактных поверхностей, транспортируется через резец, что повышает градиенты температур и стимулирует развитие термотрещин, неизбежного результата неравномерного распределения упругой внутренней энергии в поверхностных слоях инструмента.

Введением газовой фазы в охлаждающую жидкость удается управлять этим процессом и, как следствие, влиять на интенсивность износа инструмента.

Роль газов в протекании контактных процессов весьма значительна. Нашими исследованиями, проведенными резанием в вакуумной камере, показано, что протекание контактных процессов во многом определяется содержанием несвязанных газов в металлах. Их состав позволяет управлять износом сопряженных пар и на этой основе проектировать изделия для работы в условиях космоса.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Якубов Ф.Я. Энергетические соотношения процесса механической обработки материалов. Ташкент. Фан.1985, 104с.
  2. Лившиц Б.Г. [и др.]. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980, 320с.
  3. Якубов Ф.Я. [и др.]. Способ повышения стойкости металлорежущего инструмента. Авторское свидетельство N 1055991, 1983г.

4. Ким В.А. Повышение эффективности упрочняющих технологий за счет резервов структурной приспосабливаемости режущего инструмента. Докторская диссертация. Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, 1995г