Применение углеродных нанотрубок в качестве компонентов СОТС

УДК 621.9

Применение углеродных нанотрубок в качестве компонентов СОТС

А. Г. Наумов, В. С. Раднюк, А. А. Разумов, Н. Н. Осипов

В статье представлены результаты исследований по возможности применения углеродных нанотрубок (УНТ) в качестве компонентов СОТС на операциях точения и сверления. Экспериментамиустановлено, что положительное влияние УНТ на процесс резания и стойкость инструментов проявляется в узком диапазоне их концентрации в масляном носителе. Лучшие результаты зафиксированы при использовании в качестве компонентов СОТС УНТ, в полости которых дополнительно содержатся трибоактивные вещества, инициирующие протекание радикально-цепных реакций в зоне контактирования инструмента с обрабатываемым материалом.

Ключевые слова: резание металлов, смазочно-охлаждающие технологические средства, трибология, контактные явления, нанотехнологии, углеродные нанотрубки.

В современном машиностроении предъявляются повышенные требования к функциональным и экологическим свойствам СОТС. При изготовлении СОТС стремятся уменьшить количество минерального масла и минимизировать количественное содержание эффективных, но потенциально опасных для здоровья компонент СОТС, что позволяет существенно уменьшить загрязнение окружающей среды, образование вредных для здоровья человека отходов, затраты на утилизацию СОТС и др. [1].

Развитие и удешевление производства углеродных наноматериалов позволяет расширить область их применения. Углеродные нано-трубки (УНТ) могут быть использованы при разработке новых смазочно-охлаждающих композиций в качестве трибоактивных присадок к СОТС в процессах лезвийной обработки материалов. Новые возможности использования углеродных наноматериалов открываются при модификации их поверхности разнообразными функциональными группами. Модифицированию подвергаются внешняя поверхность, полость УНТ, графеновые слои путем изоморфного замещения углерода.

Целью исследований является оценка эффективности УНТ в качестве трибоактив-ных присадок к СОТС в процессах лезвийной обработки.

Исходные УНТ и методики модификаций подробно описаны в работе [2]. Для испытаний были предложены несколько модификаций исходных УНТ (табл. 1).

Исследуемая смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ) приготовлялась на основе индустриального масла И-40А (ГОСТ 20799-88) путем ультразвуковой кавитации присадок «чистых» (исходных) и модифицированных УНТ на частоте 22 кГц в течение 4-5 часов.

Эффективность полученной СОЖ оценивали на операциях сверления и продольного точения. Эксперименты проводились при сравнении с индустриальным маслом И40А (базовая СОЖ) и при резании без СОТС.

Операцию сверления выполняли на авторском стенде при следующих режимах реза-

Таблица 1

Условные обозначения модифицированных УНТ

Обозначение УНТ

Б-0 Исходные УНТ

Б-1 Модифицированные карбоксильной группой

Б-2 Модифицированные хлорангидридной груп-

пой

Б-3 Модифицированные этилендиамином

Б-4 Модифицированные 4-аминоазобензолом

Б-5 Модифицированные додециламином

обработка материалов резанием

ния: частота вращения шпинделя 1040 об/мин (V = 21,9 м/мин), осевая нагрузка ^ = 270 Н, инструментальный материал — сталь Р6М5, диаметр сверла 6,7 мм. Образец обрабатываемого материала — диск из стали 45 толщиной 10 мм. В качестве интегральной характеристики смазочной способности СОЖ использовали крутящий момент. Концентрация присадок С = 5 • 10-6 % (по массе). Подача СОЖ осуществлялась капельным методом с расходом 2 мл/мин.

Качество обработанной поверхности оценивали по ее шероховатости, которую измеряли на профилографе-профилометре «Абрис ПМ-7» при радиусе закругления иглы 5 мкм на базовой длине интегрирования — 2,4 мм. Оценочным параметром шероховатости служило среднеарифметическое отклонение профиля Иа.

В другой серии экспериментов были проведены модельные исследования по определению продольной усадки стружки на различных скоростях резания для различных концентраций присадок на операции продольного точения упорно-проходным резцом. Была выбрана стандартная методика [3] определения коэффициента продольной усадки как отношения длины среза к длине стружки:

К1 = 10 / 1стр.

В качестве обрабатываемого материала была также использована сталь 45, инструментального — быстрорежущая сталь Р6М5 (63-65 НИС). Геометрия резца согласно [4]: ф = = 90°, ф1 = 15 °, у = 20°, а = 6 °, а1 = 6 °. Резание осуществлялось при подаче 8 = 0,1 мм/об и

глубине £ = 0,5 мм. Подача СОЖ осуществлялась аналогично предыдущему эксперименту. По результатам экспериментов была отобрана наиболее эффективная присадка, а также определены оптимальные концентрации присадок для различных скоростей резания.

Также были проведены испытания на износостойкость резцов при аналогичных режимах резания для СОЖ с присадками 8-0, 8-3, 8-4 на скорости резания 40 м/мин. В качестве обрабатываемого материала использовалась аусте-нитная коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т. За критерий износа резца была принята фаска износа по задней поверхности 0,6 мм.

Были проведены исследования корней стружек, полученных методом падающего резца. Были определены углы сдвига Р1, текстуры Р2, ширина зон вторичных деформаций

на обработанной поверхности а* и прирезцо-

*

вой поверхности стружки а стр, вычислен коэффициент усадки стружки К¿:

К =

ео8

8Ш Р1

Результаты эксперимента по сверлению представлены на рис. 1. Присадки 8-1, 8-5 не дали положительных эффектов. При сверлении с присадками 8-0, 8-2, 8-3 наблюдается тенденция к уменьшению крутящего момента по сравнению с базовой СОЖ. Наиболее существенное уменьшение крутящего момента дала СОЖ с модифицированным этилендиа-мином УНТ (уменьшение крутящего момента на 35-40 %), однако эта же присадка приводит к ухудшению шероховатости поверхности на 30-35 %.

а) § 1,2

б)

в

И щ

§

о

§

N

В

и

^

а К

1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2

Базовая СОЖ

Нет

Хлоран- Этилен-гидрид диамин

Модификация базовой присадки

г4,0

I 3,5 Ч5 3,0

по 2,5 ¡5 2,0 тост1,5

I 1,0

§ 0,5

ер0,0

Базовая СОЖ

Нет

Хлоран- Этилен-гидрид диамин

Модификация базовой присадки

Рис. 1. Гистограммы крутящего момента (а), шероховатости по Яа (б) при сверлении стали 45 СОЖ с присадками 8-0, 8-2, 8-3

а)

2,0 -

1,5 -

& 1,0

Н '

в т о К

0,5

0,0

ы

¡1

й! 1

V = 0,5 м/с

V = 0,66 м/с

V = 0,99 м/с

Сух И40Л Э-0 Э-1 Э-2 Э-Э Э-4 Э-5

б)

8 7 6

м5

к

м

5 4

Щ

Э 2 1

0

ш Щ

V = 0,48 м/с

V = 0,66 м/с

V = 1,04 м/с

т

Сух И40Л Э-0

Э-2 Э-Э Э-4 Э-5

Рис. 2. Коэффициенты усадки стружки (а) и шероховатость (б) обработанной поверхности при точении стали 45. Концентрация присадок С = 5 • 10-6, в = 0,1 мм/об, t = 0,5 мм

При исследовании усадки стружки при точении стали 45 эта же присадка дала стабильный положительный эффект (уменьшение коэффициента усадки на 5-8 % по сравнению с базовой СОЖ), не зависящий от скорости резания и концентрации присадки, в то время как на эффективность остальных присадок сильно влияли скорость резания и концентрация (рис. 2).

Измерения шероховатости обработанной поверхности на аналогичных режимах резания показали, как и в случае сверления, общую тенденцию к ухудшению шероховатости поверхности. Однако на высоких скоростях они не оказывают существенного влияния на размеры микронеровностей.

Исследование корней стружки показало отсутствие наростообразования при резании с присадками модифицированных УНТ, что не характерно для стали 45 на таких скоростях резания (рис. Э). Анализ полученных результатов (табл. 2) показал, что при резании с присадками угол текстуры снижается на 10-13 ° (при погрешности измерения 2°) по сравнению с базовой СОЖ, незначительно снижается коэффициент усадки стружки. При введении присадки Э-3 уменьшается зона вторичной деформации на прирезцовой стороне стружки а*стр на 10 ± 4 мкм (30 %).

Как показали исследования износостойкости резцов, при точении коррозионно-стойкой стали (рис. 4) введение в состав базовой СОЖ

Рис. 3. Микрофотографии корней стружки стали 45: а — при резании всухую; б — при резании в присутствии СОЖ с присадкой Э-Э. Концентрация присадки С = 5 • 10-6, V = 15 м/мин, в = 0,1 мм/об, t = 0,5 мм

ЕТАПЛООБРАБОТК]

Таблица 2

Исследование корней стружек

Присадка Р1. Р2. К а, мкм астр, мкм * а , мкм а*1тр, мкм Нарост

Сух. 35,5 67,6 1,7 535 920 230 78 +

Базовая СОЖ 60,5 76,3 1,47 505 625 115 61 +

8-0 49,6 65,9 1,32 565 735 175 71 -

8-3 47,5 68,3 1,34 495 640 110 46 -

8-4 42 60,7 1,3 507 745 185 67 -

присадок значительно увеличивает время работы резцов. Присадка 8-4 увеличивает стойкость резца в 7,5 раза, 8-3 — в 3,5 при концентрации 5 • 10-6 % (по массе). При уменьшении концентрации до 2,5 • 10-6 % присадки не оказывают влияния на износостойкость. При введении в базовую СОЖ 2,5 • 10-6 % присадки 8-0 стойкость резца повышается 1,5 раза, однако увеличение концентрации присадки приводит к ухудшению стойкост-ных показателей инструментов по сравнению с базовой СОЖ.

Присадки на основе УНТ модифицированных этилендиамином и додициламином оказали существенный и стабильный эффект на процесс сверления и продольного точения стали 45. Следует отметить существенное увеличение времени изнашивания инструмента при точении 12Х18Н10Т при столь малых концентрациях присадок. Уменьшение коэффициентов усадки стружки в присутствии присадки УНТ, модифицированной этилендиамином, на наш взгляд, свидетельствует о снижении силы трения на передней и задней поверхностях резца, что приводит к уменьшению тепловыделения на этих поверхностях. Уменьшение тепловыделения, в свою очередь, приводит к уменьшению пластичности материала, следовательно, к облегчению схода стружки, увеличению стойкости резца. О высокой смазочной способности полученной присадки можно судить по уменьшению угла текстуры, ширины зон вторичных деформаций относительно базовой СОЖ, а также уменьшению интегрального значения крутящего момента при сверлении.

Как показали проведенные исследования, введение в состав минеральных масел углеродных нанотрубок оказывает положительное воздействие на процесс стружкообразования

при резании металлов. Причем перенос три-боактивных элементов в зону резания может осуществляться путем модификации поверхностей УНТ функциональными группами.

Проведенные исследования позволяют выдвинуть в качестве рабочей гипотезы следующие положения: при попадании УНТ в зону контакта инструмента и обрабатываемого материала под воздействием высоких температур, давлений и относительного перемещения обрабатываемого материала по рабочим поверхностям инструмента трубка разрушается. При этом происходят два взаимосвязанных процесса:

1) выделение трибоактивных элементов в зону непосредственного контакта обрабатываемого и инструментального материалов, инициирующих радикально-цепной механизм образования смазочных структур на границе раздела трибосопряженных металлических поверхностей;

10 000 9 000 8 000 7 000 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 1 000 0

— Сух - И40А -Б-О -в-З -в-4 —

/ \

/ \ — ,-

/ N \ — • -

/ \ ч

/ / \

/ \

1 / V.

0 12 3

4 5 6 7 С, х10-6

8 9 10 11

Рис. 4. Зависимость стойкости резцов Р18 при продольном точении сплава 12Х18Н10Т от концентрации присадок

MET^WbPA^TKA

обработка материалов резанием

2) при разрушении моностенной трубки происходит ее геометрическая перестройка в графен, который, попадая в зону контакта, разделяет трибосопряженные поверхности инструмента и обрабатываемого материала, уменьшая тем самым адгезионное взаимодействие между ними; многослойные трубки разрушаются в «пачку» (stack) моноатомных плоскостей, связь между которыми достаточно слабая, т. е. физико-механические свойства этой «пачки» подобны графиту.

Литература

1. Наумов А. Г. Улучшение экологии процессов лезвийной обработки металлов // Станки и инструмент. 2002. № 7. С. 9-13.

2. Химическая модификация углеродных нанотру-бок / Н. Н. Осипов, М. В. Клюев, А. А. Разумов [и др.] // Изв. вузов: Химия и хим. технология. 2013. Т. 56, №. 1. С. 100-103.

3. Бобров В. Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. С. 101-105.

4. Долматовский Г. А. Справочник технолога по обработке металлов резанием. М.: Гос. науч.-техн. изд-во машиностр. лит. М., 1982.

УДК 621.923.01

Аналитическое моделирование взаимосвязи силы резания при внутреннем шлифовании с основными технологическими параметрами

П. П. Переверзев, А. В. Попова

В статье представлена модель сил резания при внутреннем шлифовании, учитывающая взаимосвязь сил резания с режимами обработки (радиальная и осевая подачи, скорость вращения заготовки и круга) и основными технологическими факторами (физико-механические свойства шлифуемого металла, геометрические параметры зоны контакта круга и заготовки, характеристика круга, степень его затупления и др.). Представлены результаты проведенных экспериментов, подтверждающих достоверность разработанной модели.

Ключевые слова: внутреннее шлифование, модель сил резания, оптимизация циклов.

Введение

При обработке точных отверстий деталей из закаленных, высокотвердых и труднообрабатываемых материалов, отверстий с пересеченной поверхностью (отверстий с выточкой, со шпоночным пазом), отверстиий в деталях с неодинаковой толщиной стенок или неоднородной твердостью металла, отверстий больших диаметров широко применяют внутреннее шлифование. Область использования внутреннего шлифования охватывает все

виды производства: от единичного (обработка индивидуальной продукции в ремонтно-механическом и инструментальном цехах) до крупносерийного производства (обработка колец подшипников, гильз цилиндров внутреннего сгорания и т. п.).

С появлением нового абразивного инструмента, современных металлообрабатывающих станков, новых марок сталей и сплавов машиностроение столкнулось с проблемой отсутствия нормативных рекомендаций по назначению режимов резания. Имеющаяся на