Підвищення ефективності механічної обробки деталей з використанням полімервмісних МОТЗ (стр. 6 из 8)

Рентгенівські й мікроструктурні досліди титанових зразків проводилися після їх точіння в різних МОТЗ. В цьому випадку у зв’язку з короткотерміновим перебуванням шару металу – перед лезом інструменту (10³-10⁶ с^-1) здійснюється найбільш „невигідні” умови для відтворення впливу водню, який створюється при розкладі полімерної складової МОТЗ.

На дифрактограмах поверхневого шару титанового зразка, обробленого точінням в МОТЗ з добавкою полімеру, виявлені включення, які розміщені у міжзеренних областях. Якісний аналіз включень у титан (Ті) свідчить про те, що міжплоскосні відстані включень відповідають гідриду титану (ТіН₂). Величина цих включень досягає більше 1 мкм. Характер мікроструктури поверхневого шару (електронний мікроскоп при збільшенні репліки в 15000 раз) свідчить про те, що деформація ковзання захоплює весь об’єм кристалу. Крім цього, на межі окремих кристалітів видно зони деформації, які складаються з великої кількості і пакунків ковзання. Слід відмітити, що у зразках титану, які механічно оброблялися в МОТЗ без полімеру, структурних змін (характерні для обробки титану в МОТЗ з полімером, не зафіксовано.

Таким чином, результати проведених досліджень показали, що при різанні в полімервмісних складах МОТЗ відбуваються сильні структурні перетворення приповерхніх і поверхневих шарів обробленого матеріалу, що варто зв'язувати із впливом атомарного водню й утворенням по границях зерен гідриду титану. Очевидно, атомарний водень утворюється, не тільки безпосередньо в процесі термомеханодеструкції й деполімерізації полімерного компоненту МОТЗ, але й при дисоціації водневмісних продуктів реакції на хімічно чистих оброблюваних поверхнях металу.

Для виявлення водню в обробленому матеріалі було розроблено метод температурно-програмного нагрівання (ТПН) зразку, який розташовується у вакуумній камері, з одночасною мас-спектрометричною реєстрацією водню, що при цьому виділяється. Одержані експериментальні криві (рис.4) являють собою залежності швидкості виділення водню, від температури зразку, що, підіймалася зі швидкістю 0,5 К/сек.

Показано, що пластична деформація, як при тиску, так і при різанні металу в середовищі, яке в результаті механохімічних процесів утворює водень, прискорює його транспорт в метал. При чому, якщо при пластичній деформації в середовищах без полімеру водень концентрується біля поверхні металу, то в середовищах з полімером дифундує на більш значні глибини.

Рентгеноструктурними дослідженнями було встановлено, що загальна концентрація вуглецю в приповерхньому шарі різального інструменту збільшується з часом, а глибина дифузійного насичення залежить від інтенсивності й тривалості роботи інструменту й досягає, приблизно 40-60 мкм. Тому можна вважати, що однієї з причин високої стійкості інструмента при точінні в МОТЗ із полімерною присадкою є збагачення поверхневих шарів леза активним вуглецем з наступним утворенням хімічних сполук – твердих карбідних фаз.

Методом скануючої ожеспектроскопії, вивчався хімічний склад поверхневих шарів матеріалу після точіння в МОТЗ.

Рис. 4. Залежність інтенсивності виділення водню від температури нагріву зразку після свердління у воді. Заміри проводилися через: 1-0,5 год; 2-1год; 3-23 год; 4 – 300 год

Встановлено (рис. 5), що на поверхні матеріалу спостерігається збільшення концентрації вуглецю після механічної обробки з МОТЗ, у складі якого є полімер і практично відсутні сигнали кисню і заліза. Відсутність на обробленій поверхні кисню говорить про те, що поверхня вільна від окісних плівок у зв'язку з тим, що водень і вуглеводневі з'єднання «зв'язують» кисень, тобто відновлює поверхню.

Отже, в основі механічної обробки в полімерної МОТЗ лежать складні фізико-хімічні процеси перетворення полімерної присадки. Фактично перетворення полімерної присадки досягають виникнення в зоні різання низькотемпературної плазми (іонізований водень), що взаємодіє з поверхнею й приповерхневим шаром оброблюваного металу й інструменту, і приводить до поліпшення практично всіх технологічних показників процесу механічної обробки. У цьому випадку процес механічної обробки фактично є механохімічним.

Рис. 5. ОЖЕ – спектри поверхні обробленої сталі в МОТЗ із полімерною присадкою

У шостому розділі надані рекомендації машинобудівним підприємствам по створенню водних МОТЗ та МОТЗ на основі мастила з добавками високомолекулярних сполук для поліпшення обробки сталей на операціях точіння, свердління, фрезерування, різьбонарізання, різьбонакатування, протягування, долбіння, хонінгування.

На основі аналізу результатів лабораторних дослідів й примінення полімерних МОТЗ на підприємствах сільгоспмашинобудування рекомендовані поправочні коефіцієнти до технологічних параметрів механічної обробки сталевих деталей (швидкості та глибини різання, подачі). Надано також обґрунтування економічного ефекту, який створюється від впровадження полімервмісних МОТЗ. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження результатів роботи на підприємствах сільгоспмашинобудування складає 3600 гривень на одиницю обладнання.

ВИСНОВКИ

1. Вирішена актуальна наукова-технічна задача підвищення технологічних характеристик механічної обробки деталей (продуктивність, точність, якість поверхні, експлуатаційні властивості) шляхом розробки та застосування МОТЗ з додатковою спеціальною полімерною компонентою.

2. Проведений комплекс теоретичних та експериментальних досліджень дає підстави стверджувати, що процес різання матеріалів з застосуванням розроблених МОТЗ може бути віднесений до нових видів технології хіміко-механічної обробки.

3. Експериментально досліджено процес фізико-хімічних перетворень полімерної компоненти в МОТЗ в зоні різання металу. Показано, що при температурі близько 400^оС, деструкція полімерних присадок до МОТЗ (ПВХ і ПЕ) протікає з утворенням суміші високоактивних газоподібних продуктів насичених і перенасичених вуглеводнів, водню й пірополімерного рідкого залишку з високою концентрацією вуглецю. Комбінація хімічних елементів газової суміші визначається хімскладом макроланцюгу полімеру, умовами його деполімеризації, каталітичною активністю поверхні оброблювального матеріалу та його фізико-хімічних властивостей.

4. Встановлено, що створені продукти в результаті піролізу полімерної присадки викликають наступні вторинні процеси і явища в зоні різання:

- результаті взаємодії водню й хлору (у випадку ПВХ) може утворюватися з'єднання НСl, що адсорбується на поверхні сталі з утворенням неорганічної солі FeCl₂, а при її окисленні – FeCl_3. Температура плавлення цих солей низька й не перевищує 672^оС и 309^оС відповідно. Тому при механічній обробці, коли температура в зоні різання значно перевищує температуру плавлення неорганічних солей, вони плавляться й утворять на поверхнях тертя плівки з низьким опором зсуву, що знижує коефіцієнт тертя;

- адсорбція, а потім активна дифузія атомарного водню в зону максимальної концентрації механічних напруг металу (область пластичної деформації перед лезом інструменту) відбувається зі зміною його фізико-механічних властивостей. Дія водню на метал різноманітна, і механізм його впливу до кінця ще не розкрито. Однак водень завжди полегшує процеси деформації й руйнування металів;

- при різанні встановлене зниження концентрації кисню в зоні контакту „інструмент-матеріал”, що сприяє відновленню поверхні і підвищенню зносостійкості різального інструменту;

- в умовах, які моделюють процес різання, наявність полімеру в МОТЗ приводить до різкого зростання ефективності переносу водню в об’єм металу. При цьому пластична деформація значно збільшує швидкість переносу водню вглиб металу.

5. Встановлено, що на кінцевому етапі перетворень полімерної компоненти МОТЗ утворюється газова суміш з якої найбільш трибологічну активність демонструє водень. Показано, що параметри механічної обробки, механічні і хімічні властивості сталі змінюють характер взаємодії водню із металом від фізичної до хімічної з утворенням нових сполук – гідридів, що відбивається на оброблювальності сталі. Різноманіття можливого прояву процесів і явищ у зоні різання приводить до відмінності механізму обробки сталей в МОТЗ з полімером від МОТЗ, які складаються із низькомолекулярних компонентів.

6. Використано методику багатофакторного математичного моделювання при створенні регресивних моделей складної системи за допомогою алгоритму RASTA3 програмного забезпечення «ПС ПРИАМ» – сумісної дії газової суміші полімерної присадки до МОТЗ і леза інструмента на процес різання, що базується на розділі математичної статистики і об’єднує теоретичні методи дослідів регресивної залежності між значеннями за статистичними даними. Проведено аналіз властивостей математичних моделей, які максимально стійкі, тобто cond=1. Розроблену методику можливо використовувати при вивченні причинно-слідчих і структурних зв’язків між факторами і критеріями якості технологічного процесу, що розглядаються в дисертації.

7. Досліджено вплив МОТЗ як на загальну зносостійкість різального інструмента, так і на його розмірну стійкість при обробці різних матеріалів в широких діапазонах режимів різання, що дозволило підвищити точність ряду деталей сільгоспмашинобудування.

8. Запропоновано комплекс методичного забезпечення, що може бути використано при вивчені процесів і явищ, які відтворюються в металі під сумісною дією леза різального інструменту і продуктів термомеханодеструкції полімерної компоненти МОТЗ.