ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОЦЕССОВ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ

УДК:

 Изетуллаев Ю.Л.

группа М-МС-14

науч. рук.: Якубов Ч.Ф.

к.т.н., доцент

кафедры технологии машиностроения

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОЦЕССОВ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ

Актуальность работы: Работоспособность режущего инструмента является основным показателем, отвечающим за его эксплуатационные свойства. Применение смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) при металлообработке оказывает эффективное влияние на повышение стойкости инструментов.

Работы многих ученых свидетельствуют о сложности физико-химических взаимодействий между инструментом и обрабатываемым материалом. В настоящее время нет цельного представления о процессах, протекающих в зоне контакта при резании металлов.

С увеличением производительности современных производственных процессов  возрастают и требования к экологической безопасности. Таким образом, СОТС при металлообработке используются на основе минеральных масел они являются одними из основных загрязнителей окружающей среды и следовательно влекут за собой финансовые затраты предприятий. Эта ситуация рождает новые решения в области обработки материалов с применением СОТС. Одним из таких решений является возможность использования в качестве СОТС масел растительного происхождения, которые по своей природе являются безвредными для окружающей среды и человеческого организма.

Так же, в процессе эксплуатации растительных масел в чистом виде проявляются недостатки вследствие их склонности к высыханию с образованием прочных пленок и разложению с выделением свободных органических кислот, вызывающих коррозию, а также приводят к увеличенному по сравнению с минеральными маслами отложению нагара и лака. Необходимо отметить, что СОТС на основе растительных масел попадая на узлы станка, инструмент, деталь с течением времени высыхают и требуют проведения специальных мероприятий по очистке загрязненных поверхностей. Устранение перечисленных недостатков СОТС растительного происхождения является актуальной научной проблемой.

Постановка проблемы: на  сегодняшний  день, с учетом накопленного научно-технического потенциала, возрождение отечественного машиностроения занимает одну из лидирующих позиций в области приоритетных направлений развития Крыма. Однако интенсификация производства неизбежно влечет за собой и увеличение негативного воздействия на окружающую среду. Таким образом, одной из острейших проблем стоящих перед машиностроительной отраслью является переход на экологически ориентированные процессы механической обработки материалов.

Эффективность смазочно-охлаждающих технологических сред содержащих в своём составе высокодисперсные присадки глубоко не изучен и требует проведения дополнительных научных исследований, позволяющих объективно судить об триботехнических свойствах СОТС и управлять ими с позиций полученных сведений о механизме их смазочного действия. Для повышения работоспособности металлорежущего инструмента предполагается использование многоуровневых моделей, которые с достаточной полнотой позволят отразить особенности их влияния на процессы контактного взаимодействия и в случае необходимости, внести в процессе эксплуатации инструмента необходимые изменения условий трибоконтакта за счет введения в базовый состав СОТС ультрадисперсных материалов содержащих трибоактивные присадки гетерогенного типа.

В последние десятилетия в материаловедении интенсивно развивается новое научное направление, связанное с получением ультрадисперсных порошков, исследованием их свойств и созданием материалов на их основе. Принципиально новые возможности в этом направлении материаловедения предопределяются аномально высокой дисперсностью (1-100 нм) и развитой удельной поверхностью (до 600 м2/г) ультрадисперсных порошков (УДП), имеющих следующие отличительные особенности: доля поверхностных атомов становится соизмеримой с числом атомов в объеме частиц, избыточная (поверхностная) энергия соизмерима с внутренней энергией равновесной микроскопической фазы, внутренняя структура частиц отличается от свойств массивного образца того же состава, отсутствует плотная упаковка, изменены расстояния между атомами и некоторые другие.

Как показывают многочисленные исследования в ультрадисперсных материалах (УДМ), включающих или состоящих из сверхмалых морфологических элементов - кристаллов, зерен, пор, дисперсных включений, находящихся в термодинамически неравновесном состоянии, могут быть получены повышенные, новые или уникальные свойства, недостижимые традиционными методами. Область применения УДМ чрезвычайно широка. Это - катализаторы, сорбенты, ингибиторы; активаторы в реакциях полимеризации; модификаторы трения в смазочных материалах и твердых покрытиях; использование в качестве упрочняющей фазы в композиционных электрохимических и химических покрытиях; модификаторы для литейных металлов и сплавов; компоненты сверхтонких абразивных притирочно-доводочных паст и суспензий; компоненты припоев, паст для пайки и низкотемпературной сварки; материалы со специальными свойствами, взаимодействующие с излучениями; высокопористые мембраны и фильтры; высокоплотные, высокопрочные и сверхтвердые материалы; керамика; функционально-градиентные материалы; функциональные добавки и активаторы спекания в порошковой металлургии; технологии и материалы микромеханики и электронной техники; наноустройства и биомедицинские сенсоры, материалы биотехнологий и т.д.

К настоящему времени предложено достаточно много различных способов получения УДП, отличающихся технологическими возможностями, качеством получения порошка, производительностью и экономичностью. В начале 80-х годов в институте гидродинамики им. М.В.Лаврентьева СО РАН Ставером А.М. с сотрудниками был разработан и доведен до промышленной реализации детонационный метод синтеза ультрадисперсного алмазографитового порошка из взрывчатых веществ (ВВ) с отрицательным кислородным балансом, разлагающихся с выделением свободного углерода (1 - 3). На сегодня этот метод достаточно подробно изучен, имеются экспериментальные соотношения между основными параметрами - массой ВВ, объемом камеры, теплоемкостью газа, позволяющие оптимизировать процесс синтеза и сохранения возникшей фазы. Собранный после взрыва из специальной герметичной взрывной камеры конденсированный продукт (шихта) состоит в основном из графита и алмаза, причем последний может составлять до 80% от веса шихты и до 10% от массы ВВ. Размеры первичных частиц находятся в пределах 20-120A, средний размер - 40A, удельная поверхность - 200-400м2/г. Шихта массового накопления представляет собой достаточно “грязный” продукт, содержащий для некоторых условий синтеза до 10 % по массе несгораемых примесей и до 35 % газообразных продуктов и влаги. В табл. 1 приведены свойства алмазографитового порошка (УДП-АГ), которые могут быть обеспечены в условиях опытно-промышленного и промышленного производства и применения кроме основной операции (синтеза) дополнительных - сушки и просеивания.

Цель работы: Основной целью исследования является повышение работоспособности быстрорежущих лезвийных инструментов за счет применения экологически безвредных СОТС содержащих трибоактивные ультрадисперсные присадки гетерогенного типа.

Технологические  жидкости  для  обработки  металлов (СОЖ).      

Процессы трения, износа и разрушения при обработке  металлов  резанием  и  давлением  существенно отличаются от того, что происходит  в обычных трибосопряжениях машин. Обработка металлов характеризуется  исключительно  высокими  значениями  деформаций.  Среднее  давление  на  контактные поверхности при горячей обработке составляет 50-500  МПа,  при  резании  и  холодной  обработке давлением – 200-2000 МПа.  Такие давления существенно превышают предел текучести обрабатываемого металла и частично инструмента и приводят к их  разрушению.  Применение  высокодисперсных твёрдых (нерастворимых)  добавок,  в  том  числе  и

УДП-АГ, в смазочно-охлаждающих жидкостях расширяет  технологические  возможности  этих  массовых методов обработки, улучшает качество обрабатываемых  поверхностей,  увеличивает  производительность труда.

Технологические  жидкости  для  обработки металлов  резанием. 

 Для  операций  механической обработки  резанием  разработаны  составы  и  технологии изготовления смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) на основе минеральных масел, в которые введены УДП-АГ, хлорсульфидированный жир (ХСЖ)  и  осернённый  полиизобутилен (ОПИБ)

[25,26]. Ультрадисперсный графит, как и обычный, применяемый в качестве твёрдых добавок в различных  смазках  и  СОЖ,  имеет  слоистую  структуру  и обладает высокими смазывающими свойствами. Наличие  в  СОЖ  и  на  поверхности  ультрадисперсных частиц  различного  рода  примесей,  естественных  и техногенных ПАВ активно способствует созданию и

упрочнению граничных плёнок на поверхности  инструмента и обрабатываемого материала за счёт адсорбции и протекания поверхностных электрохимических  реакций  с  образованием  самостоятельных фаз. Эти процессы протекают и на поверхности каждой частицы, способствуя образованию на первичном  молекулярном  слое  дополнительных  слоёв.

Число  таких  частиц,  являющихся,  по  сути,  многослойными композиционными структурами, достигает 1012 в см3.

Разработанные  СОЖ  оказались  эффективными  при  ручном  и  машинном  резьбонарезании, сверлении отверстий, шлифовании ферритов, фрезеровании  и  др.  Их  применение  увеличивает  срок службы инструмента в 1,3-2раза, улучшает процесс резания за счёт снижения и стабилизации сил резания  на 20-40%, позволяет  отказаться  от  некоторых СОЖ (например,  сульфофрезола  и  олеиновой  кислоты),  загрязняющих  окружающую  среду  и  вредных для здоровья работающих [27].

Является целесообразным использовать в качестве присадки ультрадисперсный алмазографитовый порошок, получаемый динамическим методом (методом взрыва конденсированных взрывчатых веществ). Продукт синтеза - смесь алмаза и графита содержит 10-50% алмаза и 50-90% графита со средним размером частиц 40  и величиной удельной поверхности 380-390 м²/г.
Применение ультрадисперсного алмазографитового порошка (УДП-АГ) позволяет в значительной степени снизить коэффициент трения и износ инструмента. Этот эффект объясняется следующим:
а) малые частицы графита и алмаза выполняют роль дисперсных частиц, упрочняющих масляную пленку между поверхностями инструмента и обрабатываемого материала;
б) частицы графита обладают ярко выраженными антифрикционными свойствами;
в) малые частицы алмаза играют роль микрошариков, упрочняют (шаржируя) рабочую поверхность инструмента.

Развитие машиностроения связано с необходимостью применения новых конструкционных материалов со специфическими свойствами, такими как высокая механическая прочность, устойчивость к агрессивным средам, тугоплавкость, вязкость и другие. Обработка резанием новых металлов и сплавов оказалась весьма затруднительной, несмотря на значительные успехи, достигнутые в технологии резания, в изготовлении режущего инструмента, а также, несмотря на появление новых высококачественных инструментальных материалов. В связи с этим особое значение приобрела проблема разработки новых эффективных смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), применение которых позволяет повысить стойкость режущих инструментов, уменьшить шероховатость поверхности обрабатываемых деталей, повысить производительность процесса резания.

Большое разнообразие механических и физико-химических свойств металлов и сплавов, а также специфика различных видов механической обработки позволяет говорить о том, что наиболее эффективными являются специальные СОТС для обработки конкретных металлов и сплавов на определенных механических операциях. Однако условия современного машиностроительного производства не всегда позволяют применять специализированные СОТС. В связи с вышесказанным и с учетом получения наибольшего экономического эффекта в производстве СОТС сложились две тенденции: 1) производство многоцелевых (универсальных) СОТС в основном для мелкосерийного производства и 2) производство специальных СОТС для массового производства. Тем не менее, при высокой культуре и высоком техническом уровне производства применение обоих типов СОТС не исключает друг друга на предприятиях любого типа.

Процесс резания придает специфические особенности механизму действия внешней среды, что определяется высокими давлениями, значитель ным температурным полем, наличием ювенильных поверхностей, протеканием химических реакций, электрохимическими и адсорбционными процессами, высокими скоростями деформации и незначительным временем контакта стружки с режущим инструментом, диффузией компонентов смазочной среды, обрабатываемого и инструментального материа-лов.Используемые при обработке металлов резанием СОТС должны обладать высокой проникающей способностью, образовывать с большой скоростью химические и физически адсорбированные пленки достаточно эффективно разделяющие контактные поверхности и выдерживающие высокие давления в широком диапазоне температур, быть химически активными по отношений к обрабатываемому материалу и достаточно инертными — к инструментальному, не вызывать коррозию оборудования, легко удаляться с обработанной поверхности, быть нетоксичными, не обладать неприятным запахом, не терять рабочих свойств в течение продолжительного времени. Столь противоречивые требования, которые предъявляют к смазочному составу и отсутствие единой методики подхода к составлению рецептур СОТС говорит о сложности проблемы, необходимости совершенствования уже известных СОТС и изыскания новых возможностей формирования и применения СОТС.

В особую группу можно отнести окислительные СОТС, многочисленными исследованиями доказано значительное влияние кислорода на процессы резания и граничного трения. Проводятся работы по определению оптимальных концентраций кислорода в жидкостях. Однако практическое применение кислородосодержащих СОТС затруднено ввиду их интенсивного коррозионного воздействия на оборудование, оснастку и обрабатываемые поверхности. Попытки решить некоторые из перечисленных проблем, в частности, приводятся в настоящей работе.

Актуальность работы

Актуальность работы заключается в первую очередь в разработке теоретических положений, обосновывающих создание и оптимизацию состава смазочных композиций, содержащих поверхностно- и химически активные компоненты. На этой основе производится конструирование эффективных и экологически безопасных составов СОТС для обработки резанием труднообрабатываемых материалов, разработка способов и устройств, обеспечивающих процесс активации СОТС внешними энергетическими воздействиями. Актуальным является также применение пластичных смазочных материалов для операций механической обработки, являющихся материалами «разового использования» и не требующих процессов их регенерации и утилизации. Применение в качестве трибоактивных компонентов СОТС недорогих и эффективных стекловидных и стеклообразующих присадок к пластичным смазкам также направлено на исключение из производственного процесса таких компонентов смазочных материалов, которые являются нежелательными в экологическом, санитарно-гигиеническом и медицинском отношении.

Научная новизна

1. Выдвинуто научное положение о механизме совместного действия ПАВ и химически активных компонентов СОТС, основанное на представлении о граничном смазочном слое композитного строения.

2. Обосновано оптимальное соотношение поверхностно- и химически активного компонента СОТС (ПАВ и кислородсодержащего соединения).

3. Предложено использование неорганических перекисей металлов в качестве химически-активного компонента СОТС.

4. Предложено и научно обосновано применение стекловидных и стеклообразующих компонентов в составе пластичных СОТС для резания металлов.

5. Дано обоснование процесса активации СОТС внешними энергетическими воздействиями с позиций механохимии и трибохимии.

Апробация работы

Результаты, изложенные в настоящей диссертации, были представлены автором на следующих научных конференциях, совещаниях и симпозиумах: Науч.-техн. семинаре «Обработка резанием труднообрабатываемых материалов», г. Пенза, ДНТП, 1980; Научно-технич. конф. «Автоматизация производственных процессов в машиностроении», Фрунзе 1986; Международной научно-технич. конф. «Состояние и перспективы развития электротехнологии» («Бенардосовские чтения») — 1987, 1991, 2001, 2003 гг.; Всесоюзном координационном совещания ГКНТ по проблеме СОЖ, г. Новгород, 1984; Всеросс. науч.-техн. конф. «Проблемы технологии машиностроения 2000 года». Н. Новгород, ННГТУ, 2000; Междунар. научно-практич. симпозиуме СЛАВЯНТРИБО-6, С.-Пб, 2004; Ивановском городском трибологическом семинаре при Ивановском гос. ун-те, 1988-2004 гг.; ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Ивановского гос. энергетич. ун-та, 1977-2004 гг.

Применение нанопорошков

Все производимые в настоящее время наноматериалы подразделяют на четыре группы: оксиды металлов и кремния, сложные оксиды (состоящие из двух и более металлов), порошки чистых металлов и смеси. Оксиды металлов составляют не менее 80 % всех производимых нанопорошков. Нанопорошки чистых металлов составляют значительную и все больше возрастающую долю общего объема производства. Сложные оксиды и смеси выпускают в ограниченном количестве. Но ожидается, что потребность в них в долгосрочной перспективе возрастет.

Оксиды металлов

Три нанопорошка составляют около 80 % всех порошков оксидов:

SiO₂
Диоксид кремния, или кремнезем, — это нанопорошок, которого в мире производится больше всего. Широко используемый в электронике и оптике диоксид кремния также широко применяется в обрабатывающей промышленности как абразив, краска и пластический наполнитель, покрытие и грунтовка для строительных материалов, а также как водоотталкивающее средство.

TiO₂
Диоксид титана используется в основном в обрабатывающей промышленности для производства красок, защитных покрытий, абразивов и полировки, этот материал играет важную роль в оптике как фотокатализатор и покрытие линз, задерживающее ультрафиолетовое излучение. Диоксид титана все больше и больше используется в области экологии, например, при очистке сточных вод, в воздушных фильтрах. Кроме того, он применяется при производстве строительных материалов, косметики, пластмасс, печатных красок, стекла и зеркал, а также для уничтожения боеголовок химических ракет.

Al₂O₃
Оксид алюминия, или глинозем, в основном используется в обрабатывающей промышленности как абразив, для струйной очистки, притирки и полировки, особенно в электронике и оптике. Кроме этого, он используется для очистки воздуха, в качестве катализатора, в конструкционной керамике и для производства конденсаторов.

Остальные 20 % производства в основном приходятся на следующие семь нанопорошков — оксиды железа, цинка, церия, циркония, иттрия, меди и магния.

Ряд важных нанопорошков производится в меньших количествах.

Nd₂O₃
Оксид неодимия, используемый исключительно в электронике и оптике, применяется в керамических конденсаторах, в люминофорах для цветных телевизоров, угольно-дуговых электродах, и для вакуумного напыления. Он также находит ограниченное применение в высокотемпературных глазурях и пигментах для стекла.

Eu₂O₃
Оксид европия, используемый почти исключительно в электронике и оптике, употребляется в люминофорах для цветных телевизоров и рентгеновских экранов, для вакуумного напыления и в графитовых стержнях в ядерных реакторах.

Dy₂O₃
Являясь важным оксидом для электроники и оптики, оксид диспрозия используется для производства оптической магнитной памяти, а также в галогеновых и металлических галогенидных лампах. Он также применяется в железо-иттриевом и алюминиево-иттриевом гранате в ядерной энергетике.

Порошки чистых металлов

Почти все твердые металлические элементы выпускаются серийно в виде нанопорошков чистых металлов. Промышленное применение многих из них нуждается в дальнейшем развитии. Затраты на производство однородных порошков металлов с высокой степенью чистоты значительно выше, чем на производство оксидов металлов. По объему производства лидируют пять нанопорошков — железа, алюминия, меди, никеля и титана.

Драгоценные металлы и кремний производятся в небольших объемах. Их многочисленные способы применения требуют низкой концентрации, однако, по мере того, как расширяется их применение, мировое производство должно вырасти.

Ag
Металлическое серебро находит широкое применение во многих отраслях. Раньше оно использовалось в электрических контактах и проводящих пастах в электронике. Антибактериальные и антивирусные свойства серебра сделали его привлекательным для использования в косметологии и фармацевтике, а также в текстильной отрасли, в чистящих прокладках, стоматологии и в качестве санитарных покрытий, в воздушных фильтрах и в качестве катализатора.

Au
Хотя золото составляет лишь небольшую часть общего объема мирового производства нанопорошков в год, оно широко используется в электронике в качестве покрытия проволочных контактов, гальванопокрытий и защиты от инфракрасного излучения. В области энергетики и экологии золото используется в химических элементах питания и в качестве катализатора. В последнее время золото стало применяться в медицине в качестве маркеров ДНК.

Pt
Платина в основном используется в электронике и в качестве катализатора. Она играет важную роль в топливных элементах, деталях автомобилей, переработке нефти, медицине и производстве стекловолокне.

Si
Кремний широко используется в электронике в качестве основного компонента полупроводников, микросхем и солнечных элементов. Он также играет важную роль в металлургии как отвердитель железа и сплавов, а также добавка для повышения жаропрочности. Кроме того, он используется в керамике, сварочных прутках, пиротехнике, артиллерии, производстве цемента и абразивов.

Смеси и сложные оксиды

Сложные оксиды, такие как сурьмяно-оловянный оксид и индие-оловянный оксид, составляют небольшую долю объема производства. В противоположность оксидам металлов и порошкам чистых металлов и кремния, производится небольшое количество сложных оксидов. Смеси более разнообразны, хотя они в высшей степени специализированы.

Sb₂O₃/SnO₂
Используемый исключительно в электронике и оптике, сурьмяно-оловянный оксид является важным компонентом дисплеев благодаря своему антистатическому эффекту, способности поглощать инфракрасную часть спектра и светопроводимости.

In₂O₃/SnO₂
Как и сурьмяно-оловянный оксид, индие-сурьмяный оксид является важным компонентом современных дисплеев. При всем многообразии его возможных применений этот оксид в основном используется для создания проводимого и прозрачного покрытия.

Si₃N₄
Нитрид кремния обычно используется в производстве турбин, деталей двигателей, жаропрочных и теплоизоляционных материалов, а также тепло- и коррозиеустойчивых зажимов.

BaTiO₃
Титанат бария является коммерчески значительной наносмесью, используемой в электронике для производства запоминающих устройств, диэлектрических усилителей и сегнетоэлектрической керамики.

C
Наноалмазы используются исключительно в обрабатывающей промышленности, обычно для нанесения прочных покрытий на полирующие и режущие инструменты и сверла, а также смазывающих и износостойких покрытий. При добавлении к стали наноалмаз повышает ее сопротивление коррозии. Производство полупроводников потребляет небольшую часть объема произведенных алмазов.

WCCo
Вольфрамово-кобальтовый карбид широко используется для увеличения срока службы инструментов, особенно металлообрабатывающих и добывающих.

Выводы:

Краткое описание документа:

Научная статья студента инженерно-педагогического вуза, инженерно-технологического факультета специальности технология обработки размерной и формообразующей поверхностей. Диссертация посвящена "Повышению эффективности процесса лезвийной обработки" путем добавления сотс с применением нанопорошков цветных металлов.