Трудности алмазно-абразивной обработки спеченных порошковых постоянных магнитов на основе феррита бария, стронция и кобальта. Разработка функционального водорастворимого технологического смазочного средства РВ-6, содержащего фрактальные кластеры.
Аннотация к работе
Новыми тенденциями развития современного автомобилестроения являются: переход на питание бортовой сети 42 , начиная с 2008 года; экономичность - снижение расхода топлива до 3 на 100 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 (ЮНДК), из сплава . Ферриты бария и стронция имеют гексагональную структуру с общей химической формулой , где - барий или стронций , - коэффициент, изменяющийся в зависимости от марки от 4,7 до 6,0. 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. Разработана оперативная методика комплексной оценки эффективности водорастворимых технологических смазочных средств (ВТСС) [6] на машине трения СМЦ-2 [7,8] при алмазно-абразивной обработке материалов.
Введение
Новыми тенденциями развития современного автомобилестроения являются: переход на питание бортовой сети 42 , начиная с 2008 года; экономичность - снижение расхода топлива до 3 на 100 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 (ЮНДК), из сплава . Все большее применение в автомобилестроение находит применение новый тип постоянных магнитов на редкоземельной основе , 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 , где - барий или стронций , - 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 имеют кубическую структуру с общей химической формулой 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 изза 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 на 100 , начиная с 200 , до критической нагрузки , 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; - радиальная сила; - тангенциальная сила образца. Время испытания при фиксированной радиальной силе - 5 с. В зону шлифования ВТСС подают при окунании в ванну шлифовального круга, вращающегося с частотой вращения 300, 500, 1000 (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
В качестве шлифуемого материала выбран спеченный феррит бария 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 Blasokut 4000 SF 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 1,0-процентных водных растворов РВ-6, содержащих фрактальные кластеры, и СОЖ Blasokut 4000 SF 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, Задается
2 Критическая радиальная сила, Определяется экспериментально
9 Коэффициент шлифования по массе, 10 Коэффициент режущей способности, 11 Удельная мощность шлифования, 12 Комплексный критерий, 13 Шероховатость поверхности, Измерение
Обозначения: - момент трения между алмазно-абразивным инструментом и шлифуемым образцом, , определяют по трибограмме прибора машины трения СМЦ-2; -радиус шлифовального круга, ; -линейная скорость абразивного круга, .
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 =700 . В диапазоне радиальных на грузок = 200...700 коэффициент трения соответственно уменьшился с 0,23 до 0,13, съем феррита бария увеличился с 30 до 120 , износ алмазного шлифовального круга увеличился с 2 до 6 , температура в объеме ванны практически не изменилась и составила 16 , тангенциальная сила увеличилась с 48 до 90 , эффективная мощность увеличилась с25 до 55 .
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 = 400 коэффициент шлифования по массе =29,16 , коэффициент режущей способности составил =5,27 , удельная мощность шлифования - =0,021 , комплексный критерий - =74,37 .
На рис.3 показана эффективность абразивной обработки образцов феррита бария 16БА190 алмазным кругом 2720-0031 с использованием 1,0 процентного водного раствора СОЖ Blasokut 4000 SF 004.Критическая нагрузка разрушения феррита бария 16БА190 составила =400 . В диапазоне радиальных нагрузок = 200...400 , коэффициент трения соответственно уменьшился с 0,40 до 0,28, съем феррита бария увеличился с 20 до 155 , износ алмазного шлифовального круга увеличился с 8 до 22 , температура в объеме ванны практически не изменилась и составила 17 , тангенциальная сила увеличилась с 40 до 55 , эффективная мощность увеличилась с 20 до 40 .
Рис. 3 Эффективность абразивной обработки образцов феррита бария 16БА190 алмазным кругом 2720-0031 с использованием 1,0 процентного водного раствора СОЖ Blasokut 4000 SF 004
При испытании СОЖ Blasokut 4000 SF 004 и приложении радиальной силы = 400 коэффициенты, приведенные выше, принимали следующие значения: =6,91 , =4,58 , =0,02 , =64,59 .
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 до 700 .
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.
Список литературы
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 ее 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.