CC BY
84
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.
