Бергер Евгений Эмильевич

доцент, кандидат техничних наук

 Херсонський национальный технический университет,

Украина, Херсон

 

Богачук Игорь Владимирович

магистр прикладной механики

Херсонський национальный технический университет,

Украина, Херсон 

 

Стасюк Максим Михайлович

магистр прикладной механики

Херсонський национальный технический университет,

Украина, Херсон

 

 Анотация: в данной работе рассмотрен процесс механоплазменной обработки металлов и его влияние на износ металлорежущего инструмента и качество поверхностного слоя материала. 

 Ключевые слова: плазма, износ, шероховатость, микротвердость, полимер, водород, деформация.

 

 Принято считать, что твердое тело обладает хорошей обрабатываемостью, если при обработке этого материала резанием износ инструмента и силы резания незначительны, а износостойкость инструмента и качество обработанной поверхности высокие. Следовательно, обрабатываемость является технологической характеристикой не только материала, которая определяется комплексом его физико-механических свойств, но и способа обработки. 

 Известно, что основные энергетические затраты на резание металлов связаны с осуществлением пластических деформаций [1], а также, что в процессе резания образующийся активный водород из полимерной компоненты смазочно-охлаждающего технологического средства (СОТС) взаимодействует с деформируемым металлом. В связи с этим предлагаемый способ механоплазменной обработки (МПО) может найти практическое применение не только в том случае, если все показатели при МПО превышают показатели при обычной механической обработке. В энергетическом балансе процесса резания 90% и более приходится на работу пластической деформации материала обрабатываемой детали [2]. Поэтому принято считать процесс резания - процессом превалирующего пластического деформирования. От пластической деформации зависит тепловой режим и контактные нагрузки на рабочих поверхностях, а следовательно интенсивность и характер их изнашивания [3].

 Целью работы было изучение влияния механоплазменной обработки на износ режущего инструмента, твердости и шероховатости поверхностного слоя обрабатываемой детали.

 Для характеристики МПО были проведены широкие экспериментальные исследования различных конструкционных материалов с различными физико-механическими свойствами, при различных параметрах МПО. Оценивались основные критерии обрабатываемости: износ инструмента, качество обработанной поверхности и энергосиловые параметры обработки. 

 На интенсивность износа режущего инструмента оказывают влияние следующие основные факторы: скорость резания, подача, материал режущей части инструмента и обрабатываемой детали, геометрия инструмента, а также физико-химические процессы сопровождающие механическую обработку. В связи со значительным объемом исследований здесь приводятся только некоторые усредненные показатели, характеризующие преимущества МПО.

 При изучении износа режущего инструмента в процессе обработки металлов, главное внимание удаляется трению и тепловым явлениями существенная особенность процесса трения при резании металлов - высокая химическая активность поверхностей трения к внешней среде. Это объясняется тем, что одна из поверхностей стружки и заготовки является свежеобразованной (ювенильной), а другая - передняя и задняя грань резца - непрерывно очищается поверхностью стружки или свежеобразованной поверхностью заготовки. Эти поверхности характе¬ризуются значительным запасом свободной энергии и высокой адсорбционной и хемосорбционной способностью. В общем случае, температура на площадке трения при резании металлов может достигать температуры плавления обрабатываемого материала. Режущий инструмент постоянно контактирует с чистой поверхностью металла, интенсивно деформируемой при значительных нормальных и касательных напряжениях и высоких температурах; в результате появляются островки сваривания (схватывания) трущихся поверхностей и происходит износ инструмента. Нагрев инструмента вреден еще и потому, что в результате вызванных термическими напряжениями деформаций, нарушается его настройка и точность обработки.

 Опыты показали, что стойкость режущего инструмента, работающего в среде с полимерной присадкой во всем диапазоне скоростей точения конструкционных углеродистых, легированных и нержавеющих сталей значительно выше, чем при обработке в эмульсии ЭТ-2. Газообразный водород по эффективности занимает промежуточное положение между ЭТ-2 и технологической средой с добавкой полимера.

 С увеличением скорости резания преимущества высокомолекулярной полимерсодержащей СОТС, как привило, возрастают по сравнению с СОТС на низкомолекулярной основе. Здесь коэффициент влияния полимерной присадки КТ выражает отношение стойкости резца в полимерсодержащей жидкости и в той же среде без полимерной добавки [5, 6]. 

 Сформированная в процессе резания поверхность, в направлении подачи имеет закономерный геометрический рельеф. Поскольку чистота обработанной поверхности при прочих равных условиях зависит от твердости метала, проводились испытания трех партий образцов термообработанных по НRС 36…37, 57…58 и 63…64, испытания проводились при различной подаче, т.к. шероховатость возрастает с увеличением подачи.

 Микрогеометрия поверхности стали, обработанной двумя способами: с применением плазменного эффекта в процессе деформации и разрушения и обычной механической обработкой с применением СОТС. Здесь также наблюдается значительное преимущество МПО.

 Геометрический рельеф поверхности образцов после механической обработки в жидкости с полимером значительно менее ярко выражен, чем в жидкости без полимера. Это дает основание полагать, что водород, даже при таких высоких скоростях деформирования и разрушения, при которых происходит резание металла (несколько метров в секунду) успевает проникать в зону пластической деформации, опережающей зону образования новых поверхностей на несколько и более миллиметров [4] и оказывает влияние на весь процесс разрушения.

 Поскольку при МПО водород снижает усилие резания и облегчает протекание процесса деформирования и разрушения, то в результате этого происходит улучшение качества поверхности и снижение микротвердости ( Табл.1).

 Характерным для полученных данных является то, что хотя введение полимера в жидкость приводит к снижению микротвердости на поверхности стали после механической обработки, однако уже на глубине, примерно, 10 мкм микротвердость после обработки с полимером становится больше, чем в среде без полимера.

 Причем повышение микротвердости сохраняется на сравнительно большом расстоянии от поверхности (35 мкм). Аналогичный характер распределения Нµ, имеет место и для других структур, хотя по величине микротвердости наблюдается большое различие.

 Например, при точении стали 9ХС различной твердости в различных средах, в поверхностном слое образцов образуются упрочненные слои различной глубины (Табл.1). На стали сорбитной (HRC 38-37), и тростиной структуры (HRC 38-37) глубина упрочненного слоя достигается 35-40 мкм и в микроструктуре обнаруживаются пластически деформированные слои более высокой микротвердости по сравнению с сердцевиной образца. В образцах из стали мартенситной структуры (HRC 57…64), образуются нетравящиеся белые слои глубиной до 10 мкм. Глубина упрочненных слоев при точении с увеличением подачи возрастает от 3 до 10 мкм. Они представляют собой карбиды, остаточный аустенит, размер частиц которого на порядок меньше по сравнению с обычной закалкой, и сильно дисперсный мартенсит [1]. Механизм воздействия водорода и других активных низкомолекулярных углеводородов, образующихся в результате деструкции полимерной составляющей, на формирование белых слоев пока неясен и требует отдельных исследований. 

Таблица 1.

Микротвердости Нµ (ГПа) на поверхности стали 9 ХС после точения в различных средах 

 

 В связи с большим объемом экспериментальных работ необходимых для оценки обрабатываемости при МПО испытания проводили только на отдельных представителях углеродистых и легированных сталей. Для этого испытуемые стали условно были разделены на три группы: 1 – углеродистые качественные конструкционные стали; 2 – конструкционные легированные и 3 – инструментальные легированные стали. В качестве представителей первой группы испытывались стали Ст.10, 20 и 45; второй – Сталь 40Х, 40ХН и третьей – Сталь ХВГ и СтальХ12М. Стали первой группы обладали твердостью 160–180НВ, второй – 180–200НВ и третьей группы – 220–240НВ. 

 Выводы

 Технологическую эффективность МПО оценивали на операциях точения, сверления и торцевого фрезерования. 

1. Приведенные результаты и их анализ показывают, что введение в СОТС полимера определенного химического состава, не изменяя в целом химическую активность среды, в результате реакции деполимеризации в зоне обработки превращают ограниченный объем СОТС в чрезвычайно химическую активную среду. 
2. Специфическое поведение полимерной присадки в зоне повышенных температур и контакт давлений качественно меняет механизм влияния МПО.

 

Литература:

1. Г.В.Карпенко, Р.И.Крипякевич. Влияние наводороживания в процессе деформации стали на ее механические свойства. // ФХММ,-Киев.-Наук.думка-№5, -1977-с.75

2. В.И.Лихтман, Е.Д.Щукин, П.А.Ребиндер. Физико-химическая механика

 материалов, изд. Ан СССР, М., 1962, с.303

3. Е.Д.Щукин, Л.С.Брюханова, З.М.Полукарова, Н.В.Перцов, ФХММ, Киев, Научна Думка, 12, № 4, 1976, с.43

4. А.И.Сошко, В.А.Сошко. Смазочно-охлаждающие средства в механической обработке металлов. Изд. Олди-плюс, Херсон, 2008, 2, с.388

5. Е.Д.Щукин. Понижение поверхностных энергий и изменения механических свойств твердых тел под влиянием окружающей среды, ФХММ, Киев, Изд. Наукова Думка, № 3, 1986, с.19

6. А.И.Сошко. Механохимическая обработка металлов. Полимеры в технологических процессах обработки металлов.- Киев, 1977, с.16