Применение триботехнологий на основе самоорганизации для системного совершенствования методов комбинированной обработки

Язык труда и переводы:
УДК:
621.7.014.2
Дата публикации:
20 сентября 2021, 16:21
Категория:
А13. Реновационные технологии в машиностроении
Авторы
Бекаев Андрей Анатольевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Чихачева Надежда Юрьевна
ОИТ МОО «Академия проблем качества»
Аннотация:
Показана эффективность триботехнологии на основе самоорганизации для системного синтеза комплексных перспективных методов технологической и комбинированной обработки. Приведена инновационная конструкция инструмента для реализации метода ротационного резания в виде токарного резца, содержащего рабочий элемент с регулярным микрорельефом поверхности, твердо смазочные стержни, абразивный элемент для самозатачивания. Предложна новая технология применение металлоплакирующей жидкой смазки при ротационном резании инструментом с регулярной микрогеометрией путем ее электрической активации.
Ключевые слова:
триботехнологии на основе самоорганизации, методы механической и комбинированной обработки, регулярный микрорельеф, латунирование, сервовитная пленка
Основной текст труда

К основным триботехнологиям на основе самоорганизации относятся: финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО) в виде латунирования поверхности; регуляризация микрогеометрии поверхности; технологии применения инновационных металлоплакирующих смазок, реализующих фундаментальное научное открытие эффекта безызносности при трении Гаркунова — Крагельского (дипломы №№ 41, 378 Государственного реестра научных открытий СССР, патент РФ № 2277579) [1, 2].

С помощью данных триботехнологий на основе самоорганизации с применением алгоритмических процедур «искусственного технологического интеллекта» [3–6] системно синтезированы комплексные перспективные методы механической и комбинированной обработки. Цель настоящей статьи — провести оценку технологических возможностей применения триботехнолгий для совершенствования методов комбинированной обработки.

На рис. 1. Представлена принципиальная конструкция инструмента для ротационного резания в виде токарного резца. Резец состоит из державки 1, оси 7, гаек 3, 2, рабочего элемента — режущей чашки 6, стопорного винта 4, железо — графитовой шайбы 5. На поверхности рабочего элемента 6 выполнен регулярный микрорельеф (РМР)  13, представляющий из себя систему выступов и впадин правильной геометрической формы (рис. 2). Внутри державки 1 может располагаться абразивный брусок 8, осуществляющий заточку самовращающегося элемента 6.

Рис. 1. Системно усовершенствованные методы ротационногорезания на примере токарного резца

Другое исполнение — графитовый стержень 11 для нанесения твердой смазки, или стержень 12, состоящий из глицериновой и латунной композиции для аналогичных целей. При изолировании инструмента от заготовки и подаче на него отрицательного потенциала (–0,5 … –1,5 В) в случае применения технологической смазки в виде водной эмульсии сульфата меди сложно реализовать электрическую активацию трибологической самоорганизации — образования более мощной сервовитной пленки на передней и задней поверхности элемента 5. При этом сами канавки РМР (см. рис. 2) являются мощными аккумуляторами технологической смазки, существенно минимизирующими трение и износ [7]. Дополнительно РМР на задней поверхности элемента 6 можно выполнять различными методами и соответствующими способами воздействия [5]:

  • виброобкатыванием (выдавливание алмазным выглаживателем);
  • вышлифовыванием; электроэррозией (патент РФ № 2261781, рис. 3);
  • электроискровой обработкой [8];
  • комбинированным способом воздействия.
Рис. 2. Продольная профилограмма поверхности инструмента с регулярным микрорельефом в виде винтовых канавок радиусом 1,5 мм, шагом 0,5 мм: а — глубина канавок 17 мкм; б — глубина канавок 7 мкм
Рис. 3. Пример выполнения регулярного микрорельефа передней поверхности токарного резца электроэррозионной обработкой

Синтезированные принципы самоорганизации можно применить для создания ротационных торцевых фрез, зенковок, протяжек для обработки сварных швов. При этом корпуса таких инструментов целесообразно выполнять из композиционных материалов (гранитол, синтегран), армированных металлической сеткой и вставками.

Например, возможна следующая конструкция:  головка ротационного резца, где крепится режущий элемент 6 (см. рис. 1) выполнена из конструкционной стали и приварена к стальной полой державке из трубной заготовки соответствующего сечения. С противоположной стороны полой державки приварена стальная заглушка с резьбовым отверстием, в которое ввернута распорная шпилька или болт. Это позволяет предварительно напрягать стальную полую державку за счет растяжения перед заполнением её полости композитом и таким образом увеличить изгибную жесткость и виброустойчивость при чистовой обработке. Дополнительно экономятся конструкционные и легированные стали, используемые для изготовления вспомогательных элементов ротационных инструментов.

Варьируя способом установки ротационного резца (см. рис. 1) относительно оси центров токарного станка можно реализовать различный способ воздействия на обрабатываемый материал [9]. При расположении режущей кромки выше оси центров реализуется способ воздействия опорным пластическим деформированием задней поверхностью элемента 6 (см. рис. 1). При расположении режущей кромки на оси центров реализуется способ воздействия резанием [3]. Особенно данные ротационные инструменты будут эффективны при обработке газотермических покрытий, так как стандартные инструменты сборной конструкции со сменными многогранными неперетачиваемыми пластинами имеют незначительную стойкость в пределах нескольких минут.

Другое общее решение заключается в выполнении на воздействующих поверхностях рабочих элементов инструмента РМР и пленочного теплозащитного и износостойкого покрытия, толщина которого меньше глубины канавок РМР (патент РФ № 2560477, рис. 4).

Рис. 4. Деформирующий элемент сборного дорна из быстрорежущей стали Р6М5 с последовательно выполненными регулярными микрорельефами (виброобкатывание) и пленочным покрытием из нитрида титана

Существенный комплексный эффект может быть получен, если помимо инструмента РМР (рис. 5) и ФАБО выполнить на обрабатываемой поверхности заготовки изделия, а металлоплакирующую смазку по канавкам РМР подавать в очаг деформации под давлением (патент РФ №№ 2560475,  2593062, 2063861, 2647057) [10–13].

Рис. 5. Образцы-детали, полученные редуцированием образцов-заготовок с регулярным микрорельефом

Это позволит получить на воздействующих поверхностях инструмента сервовитную пленку меди (рис. 6), обладающую феноменальными физическими свойствами:

  • полное отсутствие прямого контакта шероховатых поверхностей заготовки и инструмента;
  • пластифицирование деформируемого (эффект Ребиндера);
  • существенное снижение адгезионной состовляющей коэффициента трения скольжения [14];
  • снижение сил обработки на 25...75 %.

Регуляризацию микрогеометрии обрабатываемых заготовок и ФАБО можно выполнять на универсальных модернизированных станках и станках с числовм программным управлением (ЧПУ). Причем станки с ЧПУ позволяют формировать на поверхности обрабатываемых заготовок необходимую при обработке и эксплуатации анизотропию свойств, включая развитые дислокационные поверхностные структуры, ускоряющие химические реакции с поверхностно-активными веществами металлоплакирующих технологических и эксплуатационных смазочных материалов [1, 2, 12].      

Рис. 6. Деформирующая фильера с регулярным микрорельефом и сервовитной пленкой после волочения в среде металлопрлакирующей смазки

Применительно к методам листовой штамповки листовой материал с регулярным микрорельефом поверхности массово можно получать холодной прокаткой на прокатных станах, валки которых имеют негативный профиль РМР. В общем случае регулярный микрорельеф на поверхности заготовок можно формировать аналогично различными методами с соответствующими способами воздействия:

  • с удалением материала;
  • без удаления материала;
  • с нанесением материала;
  • комбинированно [4–5].

Латунирование (ФАБО) можно выполнить вращающимися щетками с латунным ворсом или осциллирующими брусками.

В металлургическом производстве регуляризацию микрогеометрии поверхности цилиндрических прутков и труб после обточки можно проводить на тех же бесцентровых токарных станках заменяя резец на алмазные выглаживатели. Аналогично на этом же оборудовании можно производить латунирование подпружиненными латунными карандашами. В этом случае однозаходных или многозаходных винтовых канавок (см. рис. 2, 5).

Как показали выполненные исследования методов волочения сплошных цилиндрических профилей [11], на рабочем канале фильеры может формироваться латунная сервовитная плёнка меди (см. рис. 6) из компонентов металлоплакирующей смазки, а также латунированный слой в результате его переноса с обрабатываемой заготовки. При холодной и горячей прокатке заготовок из вязких материалов прокатные валки могут латунироваться без их снятия с прокатного стана. Для этого можно применять специальные накладные (нестационарные) станки, закрепляемые на свободных элементах прокатного оборудования.

Применительно к методам шлифования самоосцилирующими кругами (рис. 7) на бакелитовой связке, добавка порошков олова и меди, а также применение абразивных зерен, отсортированных по форме, позволит снизить до 25 % силы и температуру резания.

Рис. 7. Самоосциллирующий шлифовальный круг

На примере инновационных самоосциллирующих кругов (см. рис. 7) сортировка абразивных зерен по форме подразумевает введение коэффициента их формы, который представляет собой отношение диаметра сферы описанной вокруг единичного зерна к диаметру сферы, вписанной в него. Теоретически коэффициент формы абразивных зерен равен или больше единицы. Это позволяет сепарировать размер крупных фрагментов абразивных материалов по группам формы абразивных зерен; зерна изометричной или близкой к кубу формы.

Возможна составная конструкция самоосциллирующего круга, состоящего из двух дисковых половин, на соприкасающихся торцах которых наносится твердая смазка, например порошок графита с быстротвердеющим бакелитовым лаком. В результате такой конструкции твердая смазка вводится непосредственно в контакт с обрабатываемой заготовкой. Другое решение основано на комбинированном способе воздействия на обрабатываемый материал путем новой технологии применения смазки, которая представляет собой замороженную в виде стержня водную эмульсию с добавлением сульфата меди. Такой стержень с помощью спиральной пружины прижимается к рабочей поверхности круга и натирает ее частицами льда, что приводит к уменьшению температуры резания.

Аналогично для инструментов в виде абразивных лент, применяемых при ленточном шлифовании, помимо включения в их структуру абразивных зерен по форме и наполнителей в виде порошков олова и меди предлагается дополнительно располагать абразивные зерна не сплошным слоем, а в виде регулярного микрорельефа, например сетки, поперечных и продольных полос, кругов и т. д. Это позволит сократить расход абразивных зерен и связки. Дополнительно повысится производительность ленточного шлифования за счет большей глубины внедрения локально расположенных зерен.

Выполненные разработки и исследования в итоге расширяют информационную базу алгоритмических процедур «искусственного технологического интеллекта» и фундаментального направления трибологии на основе самоорганизации [1–6].

Литература
  1. Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л., Бабель В.Г., Щедрин А.В., Суранов Г.Н., Чихачева, Н.Ю. Трибология на основе самоорганизации. Саарбрюккен: LAP Lambert Academic Publishing, 2015. 245 с.
  2. Гаркунов Д.Н., Бабель В.Г., Мельников Э.Л., Щедрин А.В., Аванесян В.П. Новое научное открытие в трибологии на основе самоорганизации // Ремонт, восстановление, модернизация. 2019. № 6. С. 18–25.
  3. Щедрин А.В., Кострюков А.А., Чихачева Н.Ю. Искусственный технологический интеллект как идеологическая основа всеобщий системы методов обработки материалов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. № 6. С. 20–26.
  4. Schedrin A.V. Generalized space-time model obdeformingcutting process // Russian Engineering Research. New-York: Allerton Press, 1997. Vol. 17. No. 3. Pp. 55–59.
  5. Щедрин А.В., Таненгольц А.Б., Егорова З.И., Скоромнов В.М., Горшков В.Б. Трибологичекая концепция системного анализа-синтеза комбинированных методов деформирующе-режущей обработки // Техника машиностроения. 2001. № 4 (32). С. 53–59.
  6. Щедрин А.В., Игнаткин И.Ю., Чихачева Н.Ю. Системное формирование информационных баз данных характеристик методов обработки для реализации алгоритмических процедур искусственного технологического интеллекта // Упрочняющие технологии и покрытия. 2020. Т. 16. № 10. С. 444–451.
  7. Щедрин А.В., Таненгольц А.Б. Совершенствование характеристик инструмента для деформирующе-выглаживающего прошивания отверстий // Машиностроитель. 2002. № 11. С. 20–23.
  8. Щедрин А.В., Игнаткин И.Ю., Бекаев А.А., Скоромнов В.М., Ульянов В.В. Повышение эффективности методов комбинированного волочения за счет регулирования микрогеометрии поверхности инструмента // Производство проката. 2004. № 12. С. 25–29.
  9. Бойцов А.Г., Машков В.Н., Смоленцев В.А., Хворостухин Л.А. Упрочнение поверхности детали комбинированными способами. Машиностроение, 1991. 144 с.
  10. Щедрин А.В., Кострюков А.А. Применение триботехнологий на основе самоорганизации для системного совершенствования процессов холодного пластического деформирования // Упрочняющие технологии и покрытия. 2017. Т. 13. № 11. С. 495–499.
  11. Щедрин А.В., Козлов А.Ю., Кострюков А.А. Совершенствование охватывающего поверхностного пластического деформирования за счет регуляризации микрогеометрии поверхности обрабатываемой заготовки // Упрочняющие технологии и покрытия. 2017. Т. 13. № 4. С. 162–168.
  12. Щедрин А.В., Кострюков А.А., Мельников Э.Л., Лавриненко В.Ю., Алешин В.Ф., Чихачева Н.Ю. Совершенствование охватывающего поверхностного пластического деформирования заготовок из алюминиевых сплавов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2018. Т. 14. № 7. С. 291–296.
  13. Щедрин А.В., Бекаев А.А., Игнаткин И.Ю. Влияние состава металлоплакирующей смазки и технологии ее применения на контактные характеристики методов комбинированного дорнования отверстий // Упрочняющие технологии и покрытия. 2020.Т. 16. № 11. С. 504–510.
  14. Щедрин А.В., Бекаев А.А., Чихачева Н.Ю. Влияние характеристик поверхностного слоя инструмента и состава технологической смазки на коэффициент трения в методах комбинированного дорнования отверстий // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2020 . № 7. С. 331–336.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.