Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
. 3.20. Спектры проб моторного масла: 1 – свежее масло М8В1; 2 – «0» проба; 3 – проба, взятая при ТО-1; 4 – проба при эксплуатации двигателя на масле «ХАДО» Рис . 3.21.Изменение содержания железа (а), хрома (б), и меди (в) в моторном масле в процессе эксплуатации автомобиля до и после включения водомасляного теплообменника в систему охлаждения: –♦– до включения ВМТ; –■– после включения ВМТ 127 При этом отмечается весьма существенное возрастание содержания в масле цинка более чем в 10 раз, интенсивность излучения которого увеличивается от 2775 имп/с (19,1 %) в пробе свежего не работавшего масла М8В1 до 38267 имп/с (63,1 %) в работавшей. При последующей работе двигателя на замененном масле содержание железа и свинца снижается, и особенно заметно возрастает содержание цинка (до 44276 имп/с (75,2 %). Отсутствие заметного роста концентрации меди можно объяснить тем, что медь, находящаяся в ряду напряжений правее водорода, быстро выделяется и прочно удерживается на поверхности стальных и чугунных деталей, состоящих в основном из железа, которое расположено в ряду напряжений левее водорода, и поэтому медь не накапливается в масле в значительном количестве. В то же время при осмотре теплообменника при капитальном ремонте видно покраснение поверхности латунных трубок вследствие диффузии и выделения меди на поверхности или растворения цинка латуни. Отмечаются значительные колебания содержания цинка в пробах работавшего масла, которые обусловлены качеством применяемых моторных масел (прежде всего содержанием цинковой присадки), условиями зимней и летней эксплуатации (температурным режимом), а также длительностью перерывов в работе двигателя. Латунный водомасляный теплообменник, установленный в поддоне и включенный в систему охлаждения, испытывали в двигателе ВАЗ-2103 (рис. 3.19). Автомобиль с таким двигателем эксплуатировали в условиях городского движения. На первом этапе (10 000 км пробега автомобиля) установленный в поддоне теплообменник не включали в систему охлаждения, из системы смазки отбирали пробы масла и определяли содержание продуктов износа. На втором этапе, после замены масла теплообменник включен в систему охлаждения (подсоединены патрубки). Результаты исследования проб масла, периодически отбираемых из системы смазки, показали эффективность работы теплообменника (рис. 3.21, табл. 3.7) Использование теплообменника повышает также экономичность работы двигателя, которую оценивали по продолжительности расхода топлива в поплавковой камере на минимальных оборотах холостого хода двигателя, (бензобак отключен). Из приведенных данных видно, что при пробеге автомобиля до 10 тыс. км после включения ВМТ в систему охлаждения содержание железа и хрома в моторном масле снижается в 1,4 и в 1,78 раз соответственно. 128 Даже при увеличении пробега до 15,0…18,5 тыс. км. с включенным ВМТ содержание железа в масле меньше, чем при пробеге 10,0 тыс. км. без включения ВМТ (рис. 3.21, а, б). Содержание меди и цинка в моторном масле при пробеге до 10,0 тыс. км. с включенным и не включенным ВМТ изменяется незначительно (рис. 3.21, в). Однако увеличение пробега автомобиля до 15,0…18,5 тыс.км. характеризуется резким возрастанием содержания меди в работавшем масле (до 54701 и 51403 имп/с), что вызывается повышением кислотности моторного масла и коррозионным растворением латунных трубок ВМТ. Увеличение содержания меди в масле при этом предотвращает интенсивное изнашивание трущихся деталей цилиндропоршневой группы двигателя и значительное возрастание содержания железа и хрома. Таблица 3.8 Результаты измерений интенсивности скорости счета, имп./с, элементов в пробах масла по данным РСФА Элемент Проба, пробег автомобиля, км Без ВМТ, 10000 Свежее «0» проба, 1000 5000 10000 15000 18500 Fe 1909 507 1099 1147 2179 – – – 758 1375 1458 1838 1618 Cr 72 71 80 87 84 – – – 29 53 59 88 97 Cu 10708 11363 10226 8166 11590 – – – – 11103 10210 9378 54701 51403 Zn 38839 35803 36626 28192 37594 – – – – 34851 36966 34137 34541 33800 Mn 111 73 103 108 56 – – – – 52 75 57 80 37 Pb – – – – 429 – – 463 652 359 Mo 351 4622 443 568 399 – – – – 528 – 354 344 395 Σ 51638 (4562) 45248 (4818) 48577 (4609) 38035 (4035) 51840 (4707) – – – – 47321 (4806) 49247 (4526) 45515 (4358) 91905 (4259) 87314 (4234) Примечание: Σ – суммарная интенсивность излучения всех элементов в пробе, в скобках – величина фона в начале спектра. Теплообменник не включен (числитель), ВМТ включен (знаменатель) Таким образом, установленный в масляном поддоне водомасляный теплообменник с латунными трубками не только улучшает температурные 129 условия пуска и работы двигателя, но и способствует поддержанию на оптимальном уровне медь-цинк содержащих противоизносных и противозадирных присадок. При этом наблюдается процесс самоорганизации условий ИП элементов при трении деталей. 3.3 Реализация безызносного трения при металлообработке Работа выполнена при участии преподавателя физики средней общеобразовательной школы №1 Чихачевой Н.Ю., г. Покров, Россия 3.3.1. Совершенствование методов комбинированной обработки инструментом с регулярной микрогеометрией поверхности на основеприменения металлоплакирующих смазок Процессы обработки металлов резанием сопровождаются, как известно, трением между передней поверхностью режущего инструмента и опорной поверхностью стружки, а также задней поверхностью инструмента и поверхностью резания. Трение в процессах механической обработки оказывает большое влияние на износостойкость инструмента. Существуют различные методы повышения износостойкости инструментов: совершенствование геометрических параметров режущей части, оптимизация применяемых режимов резания, использование различных смазочно-охлаждающих средств и т.д. Смазочно-охлаждающие средства, применяемые для уменьшения трения и изнашивания инструмента, разделяют на жидкие, газообразные и твердые. В современном машиностроении в подавляющем большинстве применяют жидкие смазочно-охлаждающие средства. Из твердых смазочно-охлаждающих средств находят применение дисульфид молибдена и графит. Природа трения и изнашивания двух находящихся во фрикционном контакте тел (в данном случае пара инструмент – заготовка) объясняется закономерностями молекулярно-механической теории трения. Трение в процессе резания имеет ряд специфических особенностей, характерных только для механической обработки металлов резанием: наличие высоких температур на контактных площадках инструмента и заготовки; огромные давления, сопровождающие процесс резания; соприкосновение контактных площадок на поверхностях инструмента ювенильными металлическими поверхностями. Одним из путей снижения износа инструмента в процессе резания является создание в зоне контакта пары инструмент – заготовка условий для проявления эффекта ИП, выражающегося в образовании на рабочих поверхностях тонкой пленки меди, имеющей значительную механическую прочность на сжатие и низкое сопротивление тангенциальному сдвигу. Такая твердая смазывающая пленка может быть получена в результате 130 хемосорбционного взаимодействия некоторых медьсодержащих химических веществ, введенных в зону контакта, с поверхностями трения. Если во время работы инструмента в зону контакта его с заготовкой подавать компоненты, из которых образуется такая хемосорбционная пленка, то она будет сохраняться на рабочих поверхностях инструмента непрерывно в течение всего процесса резания. Наличие пленки снижает коэффициент трения за счет уменьшения времени непосредственного контакта поверхностей инструмента и заготовки, снижает температуру резания и, следовательно, уменьшает износ инструмента. Известно, что в условиях работы режущего инструмента с использованием смазочно-охлаждающих жидкостей проникновение этой жидкости на контактные площадки осуществляется по капиллярам, образующимся при "островном" контакте опорной поверхности стружки и поверхности резания с рабочими поверхностями инструмента. Кроме того, этому проникновению способствуют колебания инструмента и обрабатываемой детали, имеющие место в процессе резания и приводящие к систематическим разрывам контакта. Однако возникающие капилляры имеют очень незначительные размеры сечений. Поэтому ввод на контактные площадки медьсодержащих соединений в виде даже высокодисперсных частиц весьма затруднен. Наиболее целесообразна подача медьсодержащего соединения в зону резания в виде раствора в жидкой среде, обладающей также поверхностно- активными и антикоррозионными свойствами. Как свидетельствует современная научная и промышленная статистика, актуальной традиционной проблемой существующих, а также инновационных методов механической обработки деформированием и резанием является проблема управления контактными процессами, важнейший из которых трение. С другой стороны, как показывает системный триботехнический анализ технологических объектов – целенаправленный синтез перспективных направлений кардинальной реорганизации (уменьшения), а по возможности и самоорганизации контактного трения возможен только на основе новых физических принципов. Наиболее значимыми принципами такого уровня в настоящее время являются регуляризация микрогеометрии воздействующей поверхности обрабатывающих инструментов и применение металлоплакирующих технологических смазок, реализующих фундаментальное научное открытие – эффект безызносности. В работах А.В. Щедрина рассмотрено влияние свойств традиционных технологических смазок на характеристики метода комбинированного волочения инструментом с регулярной микрогеометрией воздействующей поверхности. Как показывает системный анализ методов обработки, применение фундаментальных физических эффектов, к которым относится эффект безызносности, позволяет целенаправленно создавать принципиально новые, или кардинально совершенствовать существующие технологии. Для проверки данного решения были проведены экспериментальные исследования влияния концентрации МСК «Валена» на характеристики метода 131 комбинированного волочения инструментом с регулярной микрогеометрией поверхности. В качестве экспериментальных образцов-заготовок использовались цилиндрические штоки из углеродистой стали марки Сталь 3 (твердость по Бринеллю 1430 МПа) номинальной длиной 150 мм. Образцы предварительно обрабатывались шлифованием с точностью до 0,02 мм и шероховатостью поверхности Rаз=0,423...0,665 мкм. В качестве обрабатывающего инструмента использовалась деформирующая фильера из стали марки 9ХС (60 HRC) с регулярной микрогеометрией поверхности. Диаметр фильеры по калибрующей ленточке – 20,02 мм, угол рабочего и обратного конусов – 5°, ширина калибрующей ленточки – 5 мм. Регулярный микрорельеф рабочей поверхности фильеры представлял собой однозаходные винтовые канавки радиусом 1,5 мм, шагом 0,5 мм, и глубиной на участке калибрующей ленточки 6,5 мкм. В качестве технологической смазки применялось минеральное масло марки «И-40», в которое добавлялась МСК «Валена». Концентрация присадки по объему К составляла 25, 10, 5 и 0 % соответственно. Скорость волочения – около 1 м/мин, номинальный натяг деформирования i н варьировался в диапазоне до 0,5 мм через 0,1 мм. На рис. 3.28 представлена зависимость удельного и процентного уменьшения удельного усилий волочения образцов-заготовок из стали марки Сталь 3 от фактического натяга деформирования iф и концентрации МСК «Валена». Как следует из анализа зависимости (см. рис. 3.22, а) в первом приближении металлоплакирующая присадка уменьшает силу обработки и при концентрации 10 и 25 % полностью исключает адгезионное наростообразование обрабатываемого материала. Наибольшая адгезия наблюдалась при отсутствии присадки в области i н > 0,4 мм. При К=5% адгезия обрабатываемого материала носила весьма локальный характер и возникала также при предельной деформации. Аналитически графическую зависимость, показанную на рис. 3.22,б можно представить в виде следующей системы линейных уравнений, Н/мм: (1) 132 Рис . 3.22.Зависимость удельного (а) и процентного уменьшенияудельного (б) усилия волочения от фактического натяга деформирования и концентрации МСК «Валена»: а) 1 – К = 0 %; 2 – К = 25 %; 3 – К = 10 %; 4 – К = 5 %; б) 1 – К = 25 %; 2 – К = 10 %; 3 – К = 5 % Из анализа зависимости (рис. 3.22,б) следует, что максимальный динамический эффект наблюдается при концентрации К=10%. Причем уменьшение усилия обработки более чем на 25 % стабильно сохраняется во всем диапазоне изменения натяга деформирования. Меньшие динамические эффекты наблюдались при К=5% и К=25%. Однако в отличии от обработки при К=10%, обработка при вышеприведённых концентрациях присадки характеризуется соответствующим увеличением динамического эффекта при возрастании степени деформации. Приравнивая параметры ∆q Д в общем виде при К=10% и при К=25% получим, что при i Ф >1,5мм наиболее эффективна концентрация присадки К=25%, так как при ней на рабочей поверхности фильеры образовывался наибольший по толщине слой меди. Силовые зависимости (рис.3.22) хорошо подтверждаются зависимостью коэффициента уточнения по параметру шероховатости поверхности (рис. 3.23): Ky(Ra) = Ra 3 /Ra Д , (2) где Ra 3 и Ra Д – параметры шероховатости поверхности образцов до и после волочения, или условно образцов-заготовок и образцов-деталей. 133 Наличие адгезионного наростообразования при К=0% и К=5% приводит к ухудшению качества обработки и уменьшению Ky(Ra). Усреднив значения Ky(Ra) при каждой концентрации МСК «Валена» в диапазоне изменения натяга деформирования получим зависимость среднего коэффициента уточнения по параметру шероховатости от концентрации (рис. 3.24). Рис . 3.23.Зависимость коэффициента уточнения по параметру шероховатости поверхности образцов -деталей из углеродистой стали марки Сталь 3 от фактического натяга деформирования и концентрации МСК «Валена»: 1 – К = 0 %; 2 – К = 25 %; 3 – К = 10 %; 4 – К = 5 % Рис . 3.24. Зависимость среднего коэффициента уточнения по параметру шероховатости поверхности от концентрации МСК «Валена» Анализ этой зависимости показывает, что с увеличением концентрации металлоплакирующей присадки качество обработки по шероховатости поверхности увеличивается более чем в 2 раза. После построения характерных профилей образцов-деталей, показанных на рис. 3.25, было установлено, что размерная точность (параметр ∆Д Д ) определяется в большей степени геометрической точностью в продольном, а не в поперечном сечении (овальностью). В свою очередь, отклонение профиля в продольном сечении зависит от деформационных краевых эффектов в начале (Н.О) и в конце (К.О) обработки, которые соответственно проявляются в виде фаски смятия переднего торца образца-заготовки и в виде упругого волнообразного восстановления его заднего торца. 134 Рис . 3.25.Характерные профили образцов-заготовок из углеродистой стали марки Сталь 3 при i Ф ≈ 0,25 мм Как следует из анализа зависимости, представленной на рис. 3.26, с увеличением степени деформации размерная точность ухудшается вследствие роста краевых деформационных эффектов. Рис . 3.26. Зависимость поля рассеяния диаметра образцов- деталей из углеродистой стали марки Сталь 3 от фактического натяга деформирования и концентрации МСК «Валена»: 1 – K = 0 %; 2 – K = 25 %; 3 – K = 10 % Рис . 3.27. Зависимость величины упругого восстановления поверхности образцов- деталей из углеродистой стали марки Сталь 3 от фактического натяга деформирования и концентрации МСК «Валена»: 1 – K = 0 %; 2 – K = 25 %; 3 – K = 10 % Используя характерные профили образцов-деталей, определяли их средний диаметр, который затем сравнивали с диаметром рабочего канала фильеры, таким образом, оценивали остаточную деформацию поверхности, которая выражалась величиной её упругого восстановления ∆в (рис. 3.27). 135 Рис . 3.28. Зависимость процентного удлинения образцов-деталей из углеродистой стали марки Сталь 3 от фактического натяга деформирования и концентрации МСК «Валена» : 1 – K = 0 %; 2 – K = 25 %; 3 – K = 10 % Усредним зависимости (рис. 3.26-3.28), представленные в табл. 3.9 по аналогии с зависимостью, показанной на рис. 3.24 . Таблица 3.9 Усредненные значения K, % 0 5 10 25 Д Д ∆ , мкм 50 52 52 56 В ∆ , мкм 22,439 30,6 33,4 32,55 L ∆ , % 2,461 2,505 2,168 2,1836 Ra) ( K У 4,038 5,2 8,58 8,9 По аналогии также можно сделать анализ производительности обработки в виде увеличения i Ф при одинаковом усилии волочения. Для этого введём величину относительного процентного изменения натяга деформирования: 136 (3) где i Ф (K=0%) и i Ф (К≠0%) – натяги деформирования при равном усилии обработки, а также при отсутствии и наличии МСК «Валена» соответственно. Зависимость параметра i Ф от удельного усилия волочения представлена на рис. 3.29. При этом шкала натяга деформирования i Ф при К = 0 % введена для наглядности. Анализ зависимости показывает о существенном увеличении производительности обработки за счет реализации эффекта безызносности. |