Том 25 № 2 2023 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Кисель А.Г., Чуранкин В.Г. Прогнозирование смазочных свойств СОЖ по их плотности и смачивающему действию................................................................................................................................................ 6 Березин И.М., Залазинский А.Г., Крючков Д.И. Аналитическая модель равноканального углового прессования титановой губки............................................................................................................................ 17 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Куц В.В., Чевычелов С.А. Теоретическое исследование кривизны обработанной поверхности при косоугольном фрезеровании сборными фрезами.................................................................................... 32 Скиба В.Ю., Зверев Е.А., Скиба П.Ю., Черников А.Д., Попков А.С. Гибридное технологическое оборудование: к вопросу рационального выбора объектов модернизации при проведении работ, связанных с дооснащением стандартной станочной системы дополнительным концентрированным источником энергии........................................................................................................................................... 45 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Воронцов А.В., Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. In-situ анализ многослойных покрытий ZrN/CrN в процессе термического воздействия........................................................................................................ 68 Корниенко Е.Е., Гуляев И.П., Кузьмин В.И., Тамбовцев А.С., Тырышкин П.А. Структура и свойства покрытий WC-10Co4Cr, полученных высокоскоростным плазменным напылением............................. 81 Балановский А. Е., Нгуен В. В., Астафьева Н.А., Гусев Р.Ю. Структура и свойства низкоуглеродистой стали после плазменной наплавки борсодержащей обмазки......................................................................... 93 Эмурлаева Ю.Ю., Лазуренко Д.В., Батаева З.Б., Петров И.Ю., Довженко Г.Д., Макагон Л.Д., Хомяков М.Н., Эмурлаев К.И., Батаев И.А. Оценка энергии формирования вакансий в ОЦК-, ГЦК- и ГПУ-металлах с использованием теории функционала плотности........................................................... 104 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 117 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 127 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 05.06.2023. Выход в свет 15.06.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 16,0. Уч.-изд. л. 29,76. Изд. № 116. Заказ 173. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 2 2023 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 2 2023 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 2 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kisel’ A.G., Churankin V.G. Predicting the coolant lubricating properties based on its density and wetting eff ect.................................................................................................................................................................... 6 Berezin I.M., Zalazinsky A.G., Kryuchkov D.I. Analytical model of equal-channel angular pressing of titanium sponge.............................................................................................................................................. 17 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Kuts V.V., Chevychelov S.A. Theoretical study of the curvature of the treated surface during oblique milling with prefabricated milling cutters....................................................................................................................... 32 Skeeba V.Yu., Zverev E.A., Skeeba P.Yu., Chernikov A.D., Popkov A.S. Hybrid technological equipment: on the issue of a rational choice of objects of modernization when carrying out work related to retrofi tting a standard machine tool system with an additional concentrated energy source................................................ 45 MATERIAL SCIENCE Vorontsov A.V., Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. In-situ analysis of ZrN/CrN multilayer coatings under heating................................................................................................................................................................. 68 Kornienko E.E., Gulyaev I.P., Kuzmin V.I., Tambovtsev A.S., Tyryshkin P.A. Structure and properties of WC-10Co4Cr coatings obtained with high velocity atmospheric plasma spraying.................................... 81 Balanovsky A.E., Nguyen V.V., Astafi eva N.A., Gusev R.Yu. Structure and properties of low carbon steel after plasma-jet hard-facing of boron-containing coating............................................................................. 93 Emurlaeva Yu.Yu., Lazurenko D.V., Bataeva Z.B., Petrov I.Yu., Dovzhenko G.D., Makogon L.D., Khomyakov M.N., Emurlaev K.I., Bataev I.A. Evaluation of vacancy formation energy for BCC-, FCC-, and HCP-metals using density functional theory................................................................................................ 104 EDITORIALMATERIALS 117 FOUNDERS MATERIALS 127 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 6 ТЕХНОЛОГИЯ Прогнозирование смазочных свойств СОЖ по их плотности и смачивающему действию Антон Кисель 1, a, *, Вячеслав Чуранкин 2, b 1 Калининградский государственный технический университет, Советский пр., 1, г. Калининград, 236022, Россия 2 Омский государственный технический университет, пр. Мира, 11, г. Омск, 644050, Россия a https://orcid.org/0000-0002-8014-0550, kisel1988@mail.ru, b https://orcid.org/0000-0002-6031-1340, churvg@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 2 с. 6–16 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.2-6-16 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Обработка металлов резанием сопровождается множеством физических процессов, происходящих в зоне резания: высокой температурой, трением между режущим инструментом, стружкой и заготовкой, внутренним трением, большой силой резания, колебаниями режущего инструИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.895 История статьи: Поступила: 24 января 2023 Рецензирование: 27 февраля 2023 Принята к печати: 21 марта 2023 Доступно онлайн: 15 июня 2023 Ключевые слова: СОЖ Машина трения Смазочное действие Коэффициент трения Эффективность СОЖ Плотность Краевой угол смачивания Эмпирическая зависимость Благодарности Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Происходящие в зоне резания процессы способствуют быстрому износу режущего инструмента и снижению качества обрабатываемой заготовки. Уменьшения воздействия негативных факторов при обработке металлов резанием можно достичь за счет рационального выбора смазочно-охлаждающей жидкости. Целью работы является разработка методики ускоренной оценки смазочных свойств СОЖ, применяемых при обработке металлов резанием. Методы. Представлены экспериментальные исследования смазочного действия семи различных марок СОЖ при трении колодки из твердого сплава Т15К6 и вращающегося ролика из углеродистой конструкционной стали 45. В качестве параметра эффективности СОЖ по смазочному действию в статье предлагается коэффициент эффективности Kсм, который равен отношению коэффициента трения, возникающего при применении СОЖ, к коэффициенту трения при трении без СОЖ. Чем меньше коэффициент Kсм, тем более эффективна данная СОЖ по смазочному действию. Результаты. Были установлены эмпирические зависимости коэффициента Kсм от плотности СОЖ ρ и краевого угла смачивания Θ (Kсм = f(ρ;Θ)). Поскольку была установлена низкая значимость параметра ρ, в работе установлена формула зависимости Kсм только от краевого угла смачивания Θ (Kсм = f(Θ)). Установлено, что формула зависимости Kсм = f(Θ) обеспечивает наибольшую точность расчетов. Обсуждение. После оценки результатов исследований, представленных в данной статье, были сделаны следующие выводы: 1) в работе установлены зависимости коэффициента эффективности СОЖ по смазочному действию, определенному для трения между роликом из стали 45 и колодкой из сплава Т15К6, от величины плотности СОЖ и краевого угла смачивания: Kсм = f(ρ;Θ) и Kсм = f(Θ); 2) наибольшую точность расчетов от 2,75 до 15 % обеспечивает формула зависимости Kсм = f(Θ); 3) зависимость Kсм = f(Θ) предлагается использовать для методики ускоренной оценки смазочных свойств СОЖ при трении колодки из сплава Т15К6 и вращающегося ролика из стали 45. Предложенная методика заключается в проведении измерений краевого угла смачивания капли СОЖ на поверхности заготовки и расчете по выведенной эмпирической зависимости коэффициента эффективности СОЖ по смазочному действию. Для цитирования: Кисель А.Г., Чуранкин В.Г. Прогнозирование смазочных свойств СОЖ по их плотности и смачивающему действию // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 2. – С. 6–16. – DOI: 10.17212/1994-6309-202325.2-6-16. ______ *Адрес для переписки Кисель Антон Геннадьевич, к.т.н., доцент Калининградский государственный технический университет, Советский пр., 1, 236022, г. Калининград, Россия Тел.: +7 (999) 458-08-25, e-mail: kisel1988@mail.ru мента и заготовки. Указанные процессы способствуют быстрому износу режущего инструмента и снижению качества обрабатываемой заготовки. Устранение негативных факторов при обработке металлов резанием обеспечивается за счет рационального выбора режимов обработки, режущих инструментов и подачи в зону резания смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Однако рациональному выбору СОЖ на производстве не уделяется должного внимания. При этом известно, что разные СОЖ оказывают на процесс резания различное влияние, поскольку обладают
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 2 2023 7 TECHNOLOGY разными свойствами. Для выбора СОЖ, обеспечивающей требуемое качество обрабатываемой заготовки, наибольший период стойкости режущего инструмента и высокую производительность процесса обработки, нужны станочные испытания [1–5]. Однако эти испытания требуют больших затрат времени, затрат на закупку режущих инструментов и СОЖ, из которых надо выбрать наиболее эффективную. В свою очередь, лабораторные испытания являются достаточно экономичными и занимают намного меньше времени, чем станочные. Поэтому для разработки методики ускоренной оценки смазочных свойств СОЖ было решено проводить лабораторные испытания взамен станочных. Несмотря на достоинства лабораторных испытаний, при их проведении нет возможности воспроизвести все условия, возникающие при обработке металлов резанием. При таких испытаниях выполняют моделирование не всего процесса, а лишь некоторых его элементов, оказывающих наибольшее влияние на процесс резания [5–16]. Основываясь на научной литературе о СОЖ, можно сделать вывод, что основными функциональными действиями СОЖ являются смазочное и охлаждающее [17]. Однако моделирование даже одного из видов функциональных действий позволит выбрать СОЖ, которая уменьшит влияние негативных факторов, возникающих при обработке заготовки. Важным является только то, какое из функциональных действий наиболее существенно при заданных условиях обработки. Одним из наиболее важных функциональных действий СОЖ является смазочное действие. Это обосновывается тем, что уменьшение силы и коэффициента трения при резании обеспечивает снижение интенсивности изнашивания режущего инструмента, увеличение качества обработанной поверхности заготовки и уменьшение температуры в зоне обработки. Поэтому улучшение смазочного действия СОЖ является важной задачей. Анализ научной литературы, опубликованной в последнее время, показал, что уменьшение влияния трения на процесс резания и сегодня является актуальной задачей. Снижения трения добиваются несколькими способами: – добавлением в состав СОЖ частиц какоголибо вещества, оказывающего антифрикционное воздействие [1–4, 8, 9, 15–20]; – применением твердых смазочных материалов взамен жидких и противоизносных покрытий на поверхностях режущего инструмента [7, 10–12, 21, 22]; – воздействием на СОЖ различных физических явлений, таких как ультразвук, электрический ток и др. [11, 13, 14]; – применением более эффективных масел в качестве основы СОЖ [2, 20]; – повышением срока службы СОЖ за счет ее стерилизации различными способами, что позволяет дольше сохранять низкий коэффициент трения [23]; – применением в качестве СОЖ ионных жидкостей [8, 14, 24]. Несмотря на большое количество способов уменьшения трения в зоне резания, в настоящее время не решена окончательно проблема выбора наиболее эффективной СОЖ для резания металлических заготовок. Кроме того, выбор СОЖ является сложным еще и потому, что на рынке представлен достаточно большой ассортимент СОЖ, который постоянно увеличивается. Настоящая исследовательская работа направлена на разработку методики ускоренной оценки смазочных свойств СОЖ. Полученные результаты облегчат выбор эффективной марки СОЖ по смазочному действию. Следовательно, представленные результаты будут полезны для тех условий резания, при которых возникают большие силы трения (например, при черновом резании). Это связано с тем, что при черновой обработке устанавливают большую глубину резания и величину подачи. Таким образом, целью данной работы является разработка методики ускоренной оценки смазочных свойств СОЖ, применяемых при обработке металлов резанием. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) экспериментально оценить смазочное действие СОЖ на машине трения; 2) в лабораторных условиях оценить плотность применяемых СОЖ и их смачивающее действие; 3) установить зависимости показателя смазочного действия СОЖ от их плотности и смачивающего действия одновременно и по отдельности; 4) установить точность расчетов показателя смазочного действия СОЖ по выведенным зависимостям; 5) разработать методику прогнозирования смазочных свойств СОЖ на основе лабораторных испытаний.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 8 ТЕХНОЛОГИЯ Методика исследований Исследование смазочных свойств СОЖ В исследованиях смазочного действия СОЖ применялась машина трения модели ИИ5018. Параметром оценки смазочного действия был принят действительный коэффициент трения μ. Для оценки были взяты СОЖ на водной основе, так как этот тип СОЖ является наиболее распространенным при производстве металлических деталей. Применяемые СОЖ различных составов являлись экспериментальными разработками компании ООО НПО «Промэкология» (г. Омск). Поэтому все СОЖ были пронумерованы и обозначены как СОЖ № 1, СОЖ № 2, СОЖ № 3, СОЖ № 4, СОЖ № 5, СОЖ № 6, СОЖ № 7. Исследования выполнялись по схеме «колодка – ролик». Колодка изготавливалась из твердого титано-вольфрамо-кобальтового сплава Т15К6, а ролик – из углеродистой конструкционной стали 45. Принцип действия машины заключается в истирании пары образцов, прижатых друг к другу с силой Р. Применявшаяся схема испытаний «колодка – ролик» позволяет имитировать токарную обработку: роль заготовки играет вращающийся ролик из обрабатываемого материала, а роль инструмента – прижимаемая к ролику колодка из инструментального материала. Исследования проводились при силе давления на колодку Р = 1000 Н и частоте вращения ролика n = 250 об/мин, соответствующих невысоким режимам. Это было сделано целенаправленно, так как при повышении режимов увеличивается сила трения и износ колодки и ролика, а коэффициент трения меняется незначительно. В качестве параметра эффективности СОЖ по смазочному действию в настоящей статье предлагается коэффициент эффективности Kсм, который равен отношению коэффициента трения, возникающего при применении СОЖ, к коэффициенту трения при трении без СОЖ. Чем меньше значение коэффициента Kсм, тем более эффективна СОЖ по смазочному действию. Поскольку целью исследований являлась разработка методики ускоренной оценки смазочных свойств СОЖ, то на следующем этапе было решено выбрать параметры СОЖ, которые потенциально могут влиять на смазочное действие СОЖ и не потребуют применения сложного оборудования для их оценки. Одним из таких параметров является плотность (ρ, кг/м3), которую легко оценить в лабораторных условиях. Еще одним из свойств, влияющих на смазочное действие СОЖ, является ее смачивающее действие, которое оценивают по краевому углу смачивания (Θ, град) [17]. Исследование плотности СОЖ Экспериментальная оценка плотности испытываемых СОЖ производилась с помощью весов AND DL-200 с дискретностью 0,001 г. Внешний вид применявшихся весов представлен на рис. 1. При испытаниях каждая СОЖ заливалась в мерную емкость. Объем исследуемой СОЖ составлял 120 мл. Емкость с СОЖ устанавливалась на весы и выдерживалась 30 секунд для устранения влияния колебаний. После того как величина массы прекращала колебаться, ее значение записывалось в таблицу. Затем рассчитывались значения плотности каждой марки СОЖ по следующей формуле: ρ = m V (1) где m – масса СОЖ, кг; V – объем СОЖ, м3 (который равнялся 120·10–6 м3). Рис. 1. Внешний вид весов AND DL-200 Fig. 1. Analytical balance AND DL-200
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 2 2023 9 TECHNOLOGY Исследование смачивающих свойств СОЖ Смачивающие свойства СОЖ оценивают по величине краевого угла смачивания Θ. Измерения краевых углов смачивания проводились с помощью электронного USB-микроскопа. Для этих исследований использовалась заготовка, выполненная из того же сплава, что и ролик, применявшийся при исследованиях смазочных свойств СОЖ. При испытаниях в одной плоскости с поверхностью заготовки устанавливалась ось объектива электронного микроскопа, так как в этом положении можно определить истинное значение краевого угла смачивания. Применявшийся USB-микроскоп представлен на рис. 2. При испытаниях исследуемая СОЖ с помощью пипетки наносилась на сухую поверхность заготовки. После того как капля СОЖ принимала статическое положение, с помощью микроскопа фиксировалось изображение этой капли. Рис. 3. Капля СОЖ на поверхности стальной заготовки: 1 – капля СОЖ; 2 – заготовка Fig. 3. A drop of a coolant on the surface of a steel workpiece: 1 – a coolant drop; 2 – a steel workpiece Рис. 2. Электронный USB-микроскоп Fig. 2. Digital microscope Рис. 4. Измеренное значение краевого угла смачивания СОЖ Fig. 4. Measured value of the coolant limiting wetting angle По такой методике были получены изображения капель всех СОЖ. Пример такого изображения представлен на рис. 3. Оценка краевого угла смачивания каждой СОЖ на поверхности стальной заготовки производилась в компьютерной программе для черчения КОМПАС v18. При этом проводилась прямая линия, представляющая собой проекцию поверхности заготовки, а также линия, являющаяся проекцией поверхности раздела между каплей СОЖ и окружающим воздухом. В точке пересечения построенных линий строилась касательная к линии поверхности капли СОЖ. Краевым углом смачивания является угол между касательной линией к поверхности капли и проекцией поверхности стальной заготовки. Один из построенных краевых углов смачивания СОЖ представлен на рис. 4. По описанной методике определялся краевой угол смачивания каждой из испытанных марок СОЖ. Результаты и их обсуждение Полученные результаты оценки смазочного действия СОЖ, их плотности и смачивающего действия представлены в табл. 1–3.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 10 ТЕХНОЛОГИЯ В настоящем исследовании предполагается, что коэффициент эффективности СОЖ по смазочному действию Kсм зависит от плотности СОЖ ρ и краевого угла смачивания Θ. Для того чтобы установить эмпирическую зависимость Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Показатели смазочного действия СОЖ Indicators of the coolant lubricating eff ect СОЖ μ Kсм Без СОЖ 0,604 – СОЖ № 1 0,148 0,25 СОЖ № 2 0,117 0,19 СОЖ № 3 0,130 0,22 СОЖ № 4 0,090 0,15 СОЖ № 5 0,082 0,14 СОЖ № 6 0,119 0,20 СОЖ № 7 0,119 0,20 Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Плотности СОЖ Coolant densities СОЖ ρ, кг/м3 СОЖ № 1 947,76 СОЖ № 2 926,56 СОЖ № 3 957,60 СОЖ № 4 945,29 СОЖ № 5 953,43 СОЖ № 6 940,36 СОЖ № 7 945,14 Т а б л и ц а 3 Ta b l e 3 Краевые углы смачивания СОЖ Coolant limiting wetting angles СОЖ Θ, град СОЖ № 1 16,13 СОЖ № 2 12,6 СОЖ № 3 10,02 СОЖ № 4 3,38 СОЖ № 5 6,2 СОЖ № 6 5,72 СОЖ № 7 9,1 этих параметров, в работе применялась компьютерная программа STATISTICA 12. В результате были построены две графические зависимости Kсм = f(ρ; Θ), квадратичная и линейная (рис. 5). Параметром Var1 на рис. 5 обозначен коэффициент Kсм, параметром Var2 – плотномть ρ, кг/м 3, а параметром Var3 – краевой угол смачивания Θ, град. Кроме того, с помощью программы STATISTICA 12 были установлены математические формулы, описывающие представленные зависимости: Kсм = 100,9073 – 0,2001ρ – 1,225Θ + + 9,8915 ∙ 10 –5ρ2 + 0,0013ρΘ – 0,0003Θ2; (2) Kсм = –0,4622 + 0,0006ρ + 0,0071Θ. (3) На следующем этапе исследований с целью определения наиболее точной из полученных зависимостей были выполнены расчеты по формулам (2) и (3). Полученные значения сравнивались с экспериментальными значениями Kсм, и определялись величины относительных погрешностей расчетов. В результате было установлено, что погрешность расчетов по формуле (2) по модулю составила от 1,49 до 41,16 %. Погрешность расчетов по формуле (3) по модулю составила от 3,58 до 28,68 %. Таким образом, точность расчетов по формуле (3) в 1,44 раза выше, чем по формуле (2). Оценка формулы (3) показывает, что постоянный коэффициент при переменной ρ существенно меньше коэффициента при переменной Θ: в 11,83 раза. Это указывает на большую значимость краевого угла смачивания при расчете коэффициента Kсм. Поэтому определение зависимости Kсм = f(ρ) является нецелесообразным, и следующей целью исследования было установление зависимости Kсм = f(Θ). Построенный график представлен на рис. 6. Графическая зависимость (рис. 6) аппроксимируется прямой линией. Формула, описывающая построенную прямую, также приведена на рис. 6. Путем сравнения значений Kсм, полученных расчетным путем, с экспериментальными значениями Kсм была установлена относительная погрешность расчетов: от 2,75 до 23,99 %. Следует отметить, что погрешность расчета, равная 23,99 %, была получена только
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 2 2023 11 TECHNOLOGY а б Рис. 5. Графические зависимости Kсм = f(ρ;Θ): а – квадратичная; б – линейная Fig. 5. Characteristic curves Kсм = f(ρ;Θ): а – quadratic; б – linear Рис. 6. Графическая зависимость Kсм = f(ρ;Θ) Fig. 6. Characteristic curve Kсм = f(Θ) в одной точке. Погрешность определения Kсм в других точках не превышала 15 %. Таким образом, точкой с погрешностью 23,99 % можно пренебречь. Поскольку было установлено, что погрешность расчета по формуле зависимости Kсм = f(Θ) наименьшая, то для прогнозирования эффективности СОЖ по смазочному действию при трении колодки из сплава Т15К6 и вращающегося ролика из стали 45 можно использовать следующую зависимость: Kсм = 0,0069Θ + 0,1308. (4) Таким образом, методика ускоренной оценки смазочных свойств СОЖ, применяемых при обработке металлов резанием, будет заключаться в выполнении исследований по следующему алгоритму: 1) на заготовку из требуемого материала с помощью пипетки нанести каплю исследуемой СОЖ; 2) после того как капля СОЖ приняла статическое положение, зафиксировать ее изображение с помощью электронного микроскопа; 3) с помощью программы для черчения (КОМПАС v18 или другой аналогичной) на полученном изображении провести прямую линию, представляющую собой проекцию поверхности заготовки, а также линию, являющуюся проекцией поверхности раздела между каплей СОЖ и окружающим воздухом; 4) в точке пересечения построенных линий провести касательную к поверхности капли СОЖ;
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1