Оценка эффективности водорастворимых технологических смазочных средств при алмазно-абразивной обработке материалов на машине трения СМЦ-2

Оценка эффективности водорастворимых технологических смазочных средств при алмазно-абразивной обработке материалов на машине

трения СМЦ-2

Г.И. Шульга1, Е.В. Скринников1, Т.Г. Шульга2

1 Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) имени М.И. Платова, Ростовский государственный университет путей сообщения

Аннотация: Тенденциями современного автомобилестроения являются использование постоянных магнитов для снижения массогабаритных характеристик электрооборудования и автомобиля в целом. Алмазно-абразивная обработка спеченных порошковых постоянных магнитов на основе феррита бария, стронция и кобальта сопряжена с трудностями получения поверхностей с низкими значениями шероховатости вследствие повышенной хрупкости, склонности к трещинообразованию. Разработано функциональное водорастворимое технологическое смазочное средство (ФВТСС) РВ-6, содержащее фрактальные кластеры и генерирующее в контакте алмазный абразивный инструмент-обрабатываемый порошковый магнитный материал пленки с высокой нагрузочной и смазочной способностью.

Предложены критерии оценки эффективности водорастворимых технологических смазочных средств (ВТСС) при алмазно-абразивной обработке на машине трения СМЦ-2. Проведены сравнительные испытания по предложенным критериям эффективности ФВТСС РВ-6 и СОЖ ЫавокШ; 4000 ББ 004 при обработке алмазным кругом 2720-0031 ГОСТ 16167-90 феррита бария 16БА190. Сделан вывод о большей эффективности РВ-6. Ключевые слова: постоянный магнит, феррит бария, функциональное водорастворимое технологическое смазочное средство, фрактальный кластер, алмазный круг, машина трения.

Введение

Новыми тенденциями развития современного автомобилестроения являются: переход на питание бортовой сети 42 В, начиная с 2008 года; экономичность - снижение расхода топлива до 3 л на 100 км пути; повышение безопасности на дорогах улучшением комфортности управления автомобилем; уменьшение массогабартных характеристик электрических двигателей и увеличение их мощностных параметров (стартер-генератора, электрической помпы системы охлаждения привода управления клапанами, двигателей стеклоочистителя, стеклоомывателя, вентилятора

стеклоподъемника); магнитных пробок для удаления железосодержащих примесей из масла коробок передач и заднего моста; применение новых типов тахометрических датчиков, датчиков положения и т.д.

В двигателях, датчиках, приборах, системах зажигания применяют спеченные постоянные магниты на основе феррита бария, стронция, кобальта, спеченные или литые на основе системы А1 - Ш - Со - Си (ЮНДК), из сплава Ев - Сг - Со. Все большее применение в автомобилестроение находит применение новый тип постоянных магнитов на редкоземельной основе Ш - Ев - В, обеспечивающий уменьшение массогабаритных характеристик электрических двигателей и увеличение их мощностных параметров [1].

Магнитотвердые ферриты (оксидные магниты) - это ферромагнетики с большой кристаллографической анизотропией. Ферриты бария и стронция имеют гексагональную структуру с общей химической формулой МвО  пЕв203, где Мв - барий Ва или стронций 8г, п - коэффициент,

изменяющийся в зависимости от марки от 4,7 до 6,0. Магниты на основе феррита бария выпускают изотропными (БИ) и анизотропными (БА), а ферриты стронция - анизотропными (СА). Ферриты кобальта Со имеют кубическую структуру с общей химической формулой Со  Ев203 и

выпускаются анизотропными (КА).

Магнитотвердые ферриты бария, стронция и кобальта труднообрабатываемы. Механическая обработка данных материалов сопряжена с трудностями получения поверхностей с низкими значениями шероховатости вследствие их хрупкости и склонности к трещинообразованию из-за низкой теплопроводности. Основным видом механической обработки магнитотвердых ферритов является шлифование алмазными кругами с использованием водорастворимых технологических смазочных средств (ВТСС).

Новыми тенденциями развития современного машиностроения в области обработки материалов является создание функциональных (адаптирующихся) водорастворимых технологических смазочных средств (ФВТСС), обеспечивающих увеличение долговечности инструмента, технологического оборудования и оснастки, улучшающих качество обрабатываемых поверхностей.

Основоположником синергетики как теории, связанной с изучением процессов в сложных системах далеких от равновесия, Г. Хакеном выделена триада, контролирующая процессы самоорганизации: нелинейность -когерентнось - открытость [2]. Введенное Б.Б. Мандельбротом понятие фрактальной геометрии [3, 4] и установленные связи фрактальности с теорией нелинейных отображений является объективным отражением принципов синергетики. Фракталы («fractional» - дробный) являются объектами, которые при наблюдении при различных увеличениях повторяют одну и ту же (самоподобную) форму.

Фракталы, кроме свойства самоподобия, обладают свойствами универсальности, заключающимися в их инвариантности к природе объекта. Фрактальную размерность используют как единую количественную меру разупорядоченности структур различной природы. Фрактальное материаловедение связывают с созданием материалов с заданными свойствами путем управления фрактальной структурой, возникающей в условиях нелинейной динамики. Фрактальные структуры обладают всеми свойствами биологических материалов [5], так как они инвариантны к анализируемому объекту, обладают свойствами адаптации к внешнему воздействию, способны к самоуправлению путем перестройки структуры в критических точках.

Концепция разработки ФВТСС основывается на следующих положениях [6, 9-11]: создание нанокластеров с фрактальной структурой из

компонентов с высоким уровнем неравновестности, формирование фрактальных гетерогенных структур в объеме материала, слоистых (ламеллярных) в зоне контакта трибосопряжений, обеспечивающих долговечность инструмента, оснастки, оборудования, улучшение качество обрабатываемых поверхностей, встраивание компонентов ФВТСС в пищевые цепи экосистем. На данных принципах разработан ФВТСС РВ-6, который используется при алмазно-абразивной обработке различных материалов, в том числе постоянных магнитов.

Целью исследований является разработка методики оценки эффективности ВТСС, используемых при алмазно-абразивной обработке компактных и порошковых спеченных материалов.

Методика исследований и материалы

Разработана оперативная методика комплексной оценки эффективности водорастворимых технологических смазочных средств (ВТСС) [6] на машине трения СМЦ-2 [7,8] при алмазно-абразивной обработке материалов. Схема испытания образцов контактирующей пары абразивный круг-шлифуемый металлический образец на машине трения СМЦ-2 приведена на рис.1.

На верхний неподвижный вал машины трения СМЦ-2 устанавливают неподвижную обойму 1, в которой закреплены шлифуемые металлические образцы 2, 3, 4. На нижний вал машины трения устанавливают шлифовальный круг 5. Ванну 7 заполняют ВТСС 6. Оценку эффективности ВТСС производят при увеличении радиальной силы Ру на 100 Н, начиная с

200 Н, до критической нагрузки Рук, при которой появляются прижоги на компактных образцах или происходит разрушение спеченного порошкового

Рис. 1. - Схема испытаний водорастворимых технологических смазочных средств при алмазно-абразивной обработке на машине трения СМЦ-2: 1 - обойм; 2, 3, 4 - образцы материалов; 5 - абразивный круг; 6 -

ВТСС; 7 - ванна; ру - радиальная сила; Рг - тангенциальная сила.

образца. Время испытания при фиксированной радиальной силе Ру - 5 с. В

зону шлифования ВТСС подают при окунании в ванну шлифовального круга, вращающегося с частотой вращения 300, 500, 1000 мин ^(соответственно

линейные скорости равны 0,78, 1,31, 2,62 ). Объемы снятого материала и

изношенной части абразива определяли весовым методом на аналитических весах ВЛР-200 ГОСТ 24104-2001 в мг

В качестве шлифуемого материала выбран спеченный феррит бария ВаО  03 16БА190, размер образца в виде призмы 12х11х6, марка абразивного круга 2720-0031, ГОСТ 16167-90, размер круга 1А1 40х16х16. В качестве ВТСС для сравнения выбраны ФВТСС РВ-6 (Россия) и СОЖ ЫаБоки 4000 ББ 004 (Швейцария). Критерии оценки эффективности ВТСС при алмазно-абразивной обработки материалов с использованием ВТСС приведены в табл.

Результаты исследований и их обсуждение

Проводились сравнительные испытания оценки эффективности водорастворимых технологических смазочных средств (ВТСС) на машине трения СМЦ-2 при частоте оборотов шлифовального круга 300 мин1,0-процентных водных растворов РВ-6, содержащих фрактальные кластеры, и СОЖ ЫаБоки 4000 ББ 004 (Швейцария) на процесс алмазно-абразивной обработки феррита бария 16БА190. Сравнительные испытания эффективности ВТСС проводили по пунктам критериев эффективности 1-13, приведенных в табл. Результаты сравнительных испытаний ВТСС приведены на рис.2,3.

Таблица

Критерии эффективности алмазно-абразивной обработки материалов

с использованием ВТСС

№ п/п Критерии Размерность Формулы, методы определения

1 Радиальная сила, Ру Н Задается

2 Критическая радиальная сила, РуК Н Определяется экспериментально

3 Тангенциальная сила, Рг Н Р МтР г Я

4 Эффективная мощность, N э кВт Р  V Nэ = Р У° э 998

5 Коэффициент трения, и и II Я 1

6 Температура в объеме ванны, Т 0С Измерение

7 Объем снятого материала, Qм мг Взвешивание

8 Объем изношенной части абразива, ба мг Взвешивание

9 Коэффициент шлифования по массе, Кш мг • мг ТГ бм К ш = от

10 Коэффициент режущей способности, Кр мг • ммн— •Н ТУ' бм К' =

11 Удельная мощность шлифования, К Вт • мин • мг к = " б.

12 Комплексный критерий, К м мг • мин• Вт• мкм К бм ^ 1 • N э • Яа

13 Шероховатость поверхности, Яа мкм Измерение

Обозначения: М тр - момент трения между алмазно-абразивным инструментом и шлифуемым образцом, Н • см, определяют по трибограмме прибора машины трения СМЦ-2; Я -радиус шлифовального круга, см; У0 -линейная скорость абразивного круга, м/с.

На рис.2 показана эффективность абразивной обработки образцов феррита бария 16БА190 алмазным кругом 2720-0031 с использованием 1,0 процентных водных растворов ФВТСС РВ-16. Критическая нагрузка

разрушения феррита бария 16БА190 составила Рук =700 Н. В диапазоне

радиальных на грузок ру = 200. ..700 Н коэффициент трения л

соответственно уменьшился с 0,23 до 0,13, съем феррита бария Qм

1

увеличился с 30 до 120 мг, износ алмазного шлифовального круга Qа увеличился с 2 до 6 мг, температура Т в объеме ванны практически не изменилась и составила 16 0С, тангенциальная сила Рг увеличилась с 48 до 90 Н, эффективная мощность Nэ увеличилась с25 до 55 Вт.

(2м1 Qa, _ тс, р ^

н к

II-1 1-1 к 1-1

5ч л

и

200 400 600 Д,,Н

Рис.2. - Эффективность абразивной обработки образцов феррита бария 16БА190 алмазным кругом 2720-0031 с использованием 1,0 процентного водного раствора ФВТСС РВ-16.

При испытании ФВТСС РВ-6 и приложении радиальной силы Р = 400

Н коэффициент шлифования по массе Кш =29,16

мг  мг

, коэффициент

режущей способности составил Кр =5,27 мг  ммн 1 Н 1, удельная мощность шлифования - К =0,021 Вт  мин  мг, комплексный критерий - Км =74,37 мг  мин Вт мкм.

На рис.3 показана эффективность абразивной обработки образцов феррита бария 16БА190 алмазным кругом 2720-0031 с использованием 1,0 процентного водного раствора СОЖ ЫаБоки 4000 ББ 004.Критическая нагрузка разрушения феррита бария 16БА190 составила Рук =400 Н. В

диапазоне радиальных нагрузок Ру = 200...400 Н, коэффициент трения и соответственно уменьшился с 0,40 до 0,28, съем феррита бария Qм

1

увеличился с 20 до 155 мг, износ алмазного шлифовального круга Qа увеличился с 8 до 22 мг, температура Т в объеме ванны практически не изменилась и составила 17 °С, тангенциальная сила Рг увеличилась с 40 до 55 Н, эффективная мощность Nэ увеличилась с 20 до 40 Вт.

400 350 300 250 200 150 100 50 0

400 350 300 250 200 150 100 50 0

1^1

II л

1 II

/5ч1 5г——

У— ""б7"""

200

300 Ру, Н

Рис.3. - Эффективность абразивной обработки образцов феррита бария 16БА190 алмазным кругом 2720-0031 с использованием 1,0 процентного водного раствора СОЖ ЫаБокШ; 4000 ББ 004

При испытании СОЖ ЫаБоки 4000 ББ 004 и приложении радиальной силы Ру = 400 Н коэффициенты, приведенные выше, принимали следующие

значения: Кш =6,91 мг  мг- , Кр =4,58 мг  ммнН_1, К =0,02 Вт  мин  мг, Км =64,59 мг  мин Вт мкм.

м у

Анализ полученных результатов показал, что смазочный материал РВ-6, содержащий фрактальные структуры, образует в зоне контакта феррит бария-алмазный абразивный круг пленки, обладающие повышенными смазочными свойствами. Данные пленки снижают коэффициент трения,

уменьшают износ алмазного круга, повышают критическую нагрузку разрушения феррита бария Pyk до 700 H.

Таким образом по предложенным критериям можно определять эффективность применения и проводить сравнительные испытания различных ВТСС при алмазно-абразивной обработке материалов. На основании сравнительного анализа значений критериев эффективности ФВТСС РВ-6 и СОЖ Blasokut 4000 SF 004 сделан вывод о большей эффективности РВ-6.

Литература

1. Постоянные магниты для автомобильной промышленности. Производство и применение. URL: inttextex.ru/page/postojannye-magnity-dlja-avtomobilnoj-promyshltnnosti-proizvodstvo-i-primenenie.

2. Хакен Г. Синергетика. Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. М.: Мир, 1985. 411 с.

3. Mandelbrot B.B.The fractal geometry of nature N.Y.:Freeman.1983.480 p

4. Mandelbrot B.B, Passoja D.E., Paullay A.J. Fractal character of fracture surfaces of metals // Nature.1984.V.308. pp. 721-722.

5. Иванова В.С. От дислокации к фракталам. Фрактальная синергетика и «интеллектуальные» материалы // Материаловедение, 2001.Ч.2.№1.С.22-29.

6. Шульга Г.И. Функциональные водорастворимые технологические смазочные средства для обработки материалов. Ростов н/Д: Ред. ж. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион», 2004.212 c.

7. Даровский Г.В. Совершенствование механизма нагружения машины трения типа «Амслер» // Инженерный вестник Дона, 2008, №2 URL: ivdon. ru/ ru/ magazine/archive/n2y 2008/72/.

8. Ахвердиев К.С., Мукутадзе М.А., Лагунова Е.О., Солоп К.С. Расчетная модель радиального подшипника скольжения с повышенной несущей способностью, работающего на микрополярной смазке с учетом её

вязкостных характеристик от давления //Инженерный вестник Дона, 2013, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2200/.

9. Шульга Г.И. Шульга Т.Г Экологические проблемы разработки, применения и утилизации водорастворимых технологических смазочных средств // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Проблемы электрохимии и экологии. Естественные науки. Спецвыпуск. 2008. С.126-132.

10. Шульга Г.И., Колесниченко А.О., Скринников Е.В., Шульга Т.Г. Функциональные технологические смазочные материалы, труктурированные нанопорошками цветных металлов для повышения эффективности обработки деталей транспортных систем // Вестник Донского государственного технического университета. 2011. Т. 11. №10(61). С.1867-1873.

11. Шульга Г.И. Функциональные смазочные материалы, содержащие фрактальные кластеры // Физическое материаловедение: сборник тезисов и статей VI международной школы, г. Новочеркасск, 24 июня 2013 г.: /Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ) имени М.И.Платова, Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2013. С.221-229.

References

1. Postoyannye magnity dlya avtomobil'noy promyshlennosti. Proizvodstvo i primenenie. [Permanent Magnets for Automobile Industry. Production and Application]. URL: inttextex.ru/page/postojannye-magnity-dlja-avtomobilnoj-promyshlennosti-proizvodstvo-i-primenenie.

2. Khaken G. Sinergetika. Ierarkhiya neustoychivostey v samoorganizuyushchikhsya sistemakh i ustroystvakh [Synergy. Hierarchy of instability in training systems and devices] M: Mir, 1985.411 p.

3. Mandelbrot B.B. The fractal geometry of nature N.Y.:Freeman.1983.

480p.

4. Mandelbrot B.B, Passoja D.E., Paullay A.J. Fractal character of fracture surfaces of metals. Nature.1984.V.308. pp. 721-722.

5. Ivanova V.S. Materialovedenie. 2001. Ch.2.№1.pp.22-29.

6. Shul'ga G.I. Funktsional'nye vodorastvorimye tekhnologicheskie smazochnye sredstva dlya obrabotki materialov. [Functional water-soluble technological lubricants for material treatment]. Rostov n/D: Red. zh. «Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region», 2004.212 p.

7. Darovskiy G.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2008, №2 URL: ivdon. ru/ ru/ magazine/archive/n2y 2008/72/.

8. Akhverdiev K.S., Mukutadze M.A., Lagunova E.O., Solop K.S. /Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4 URL:ivdon.ru/ru/ magazine/archive/n4y2013/2200/.

9. Shul'ga G.I. Shul'ga T.G Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskiy region. Problemy elektrokhimii i ekologii. Estestvennye nauki. Spetsvypusk. 2008. pp.126-132.

10. Shul'ga G.I., Kolesnichenko A.O., Skrinnikov E.V., Shul'ga T.G. Vestnik Donskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2011. T. 11. №10 (61).pp .1867-1873.

11. Shul'ga G.I. Fizicheskoe materialovedenie: sbornik tezisov i statey VI mezhdunarodnoy shkoly, g. Novocherkassk, 24 iyunya 2013 g. (Physical material Science: Collection of abstracts and papers of the VIth International School): /Yuzh.-Ros. gos. politekhn. Un-t (NPI) imeni M.I.Platova, Novocherkassk: YuRGPU (NPI), 2013. pp.221-229.