ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Достаточно значимой проблемой с точки зрения экологии является использование смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) в процессе металлообработки. В качестве альтернативы применения СОЖ в мировой практике внедряют экологически ориентированную технологию минимального смазывания (MQL – minimum quantity lubrication). Однако в процессе абразивной обработки, где наблюдаются высокие контактные температуры, использование технологии MQL не всегда достаточно эффективно. В связи с этим в научном сообществе было предложено, например, добавление в смазочные композиции наночастиц различных веществ или использование дополнительного охлаждения зоны резания холодным воздухом (CAMQL – сold air with minimum quantity lubrication). В рамках нашей статьи проводились исследования применения данных способов как отдельно, так и в синтезе с целью оценки возможности повышения эффективности технологии MQL при шлифовании жаропрочного никелевого сплава. Цель работы: – определить влияние технологии подачи MQL и CAMQL на эксплуатационные показатели процесса шлифования и свойства поверхностного слоя. В качестве смазочной среды использовали растительное соевое масло, в том числе и с добавлением наночастиц Al2O3. Методы исследования. Шероховатость обработанной поверхности контролировали профилографом-профилометром Mitutoyo Surftest SJ-410. Составляющие силы резания измеряли с использованием шестикомпонентного силоизмерительного комплекса Amti MC36-1000. Элементный анализ и оценку морфологии обработанной поверхности проводили с помощью растрового электронного микроскопа Versa 3D с микрорентгеноспектральной приставкой. Контактную разность потенциалов измеряли посредством атомно-силовой микроскопии методом зонда Кельвина. Результаты и обсуждение. Установлены наилучшие условия применения технологии MQL и CAMQL: расход смазочной среды – 30 мл/ч, величина воздушного потока для технологии CAMQL – 12 м3/ч. Результаты измерения силы резания показали, что при использовании в качестве смазки соевого масла наиболее эффективна технология CAMQL. При добавлении 0,4 мас. % наночастиц Al2O3 с концентрацией в 0,4 мас. % наблюдается значительное снижение силы резания, например, составляющая Py относительно шлифования без СОЖ уменьшается на 30 %, параметр шероховатости обработанной поверхности Ra – в среднем в 1,5 раза. При использовании технологий MQL и CAMQL составляющие силы резания практически одинаковы. При использовании смазочных композиций с наночастицами имеется тенденция на более низкие значения шероховатости поверхности при шлифовании с технологией CAMQL. Исследования состояния тонкого поверхностного слоя после шлифования показали, что применение технологии CAMQL обеспечивает снижение окисления поверхности и улучшение ее свойств. При использовании составов с наночастицами Al2O3 наблюдается уменьшение следов адгезионного взаимодействия на обработанной поверхности.
Митрофанов Артем Петрович
Носенко Владимир Андреевич
1. Role of frozen lubricant film on tribological behaviour and wear mechanisms in grinding / E. García, D. Méresse, I. Pombo, M. Dubar, J. Sánchez // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2016. – Vol. 82. – P. 1017–1027. – DOI: 10.1007/s00170-015-7397-3.
2. Reddy P.P., Ghosh A. Some critical issues in cryo-grinding by a vitrified bonded alumina wheel using liquid nitrogen jet // Journal of Materials Processing Technology. – 2016. – Vol. 229. – P. 329–337. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2015.09.040.
3. Nguyen T. An assessment of the applicability of cold air and oil mist in surface grinding // Journal of Materials Processing Technology. – 2003. – Vol. 140. – P. 224–230. – DOI: 10.1016/S0924-0136(03)00714-3.
4. Choi H.Z., Lee S.W., Jeong H.D. The cooling effects of compressed cold air in cylindrical grinding with alumina and CBN wheels // Journal of Materials Processing Technology. – 2002. – Vol. 127. – P. 155–158. – DOI: 10.1016/S0924-0136(02)00117-6.
5. Improvement of surface grinding process performance of CK45 soft steel by minimum quantity lubrication (MQL) technique using compressed cold air jet from vortex tube / A. Saberi, A.R. Rahimi, H. Parsa, M. Ashrafijou, F. Rabiei // Journal of Cleaner Production. – 2016. – Vol. 131. – P. 728–738. – DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.04.104.
6. Lee P.A. Study on thermal characteristics of micro-scale grinding process using nanofluid minimum quantity lubrication (MQL) // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. – 2015. – Vol. 16, N 9. – P. 1899–1909. – DOI: 10.1007/s12541-015-0247-2.
7. Shen B. Application of nanofluids in minimum quantity lubrication grinding // Tribology Transactions. – 2008. – Vol. 51. – P. 730–737. – DOI: 10.1080/10402000802071277.
8. Sharma A.K., Tiwari A.K., Dixit A.R. Mechanism of nanoparticles functioning and effects in machining processes: a review // Materials Today: Proceedings. – 2015. – Vol. 2, iss. 4–5. – P. 3539–3544. – DOI: 10.1016/j.matpr.2015.07.331.
9. Nanofluids as potential solution for minimum quantity lubrication: a review / R.R. Srikant, M.M.S. Prasad, M. Amrita, A.V. Sitaramaraju, P.V. Krishna // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. – 2014. – Vol. 228, iss. 1. – P. 3–20. – DOI: 10.1177/0954405413497939.
10. Vasu V., Pradeep Kumar Reddy G. Effect of minimum quantity lubrication with Al2O3 nanoparticles on surface roughness, tool wear and temperature dissipation in machining Inconel 600 alloy // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part N: Journal of Nanoengineering and Nanosystems. – 2011. – Vol. 225, iss. 1. – P. 3–16. – DOI: 10.1177/1740349911427520.
11. Крутикова А.А., Митрофанов А.П., Паршева К.А. Применение технологии подачи минимального количества смазки в охлажденном воздушном потоке при шлифовании жаропрочного сплава // Технология металлов. – 2019. – № 8. – С. 9–15. – DOI: 10.31044/1684-2499-2019-8-0-9-15.
12. Temperature field model and experimental verification on cryogenic air nanofluid minimum quantity lubrication grinding / J. Zhang, C. Li, Y. Zhang, M. Yang, D. Jia, Y. Hou, R. Li // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 97. – P. 209–228. – DOI: 10.1007/s00170-018-1936-7.
13. Experimental evaluation of MoS2 nanoparticles in jet MQL grinding with different types of vegetable oil as base oil / Y. Zhang, C. Li, D. Jia, D. Zhang, X. Zhang // Journal of Cleaner Production. – 2015. – Vol. 87. – P. 930–940. – DOI: 10.1016/j.jclepro.2014.10.027.
14. An experimental study on micro-grinding process with nanofluid minimum quantity lubrication (MQL) / P.H. Lee, J.S. Nam, C. Li, S.W. Lee // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. – 2012. – Vol. 13, iss. 3. – P. 331–338. – DOI: 10.1007/s12541-012-0042-2.
15. Environment-friendly technological advancements to enhance the sustainability in surface grinding – a review / D. Manu, S.S. Vishal, S.D. Jasminder, S.G. Simranpreet // Journal of Cleaner Production. – 2018. – Vol. 197. – P. 218–231. – DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.05.280.
16. Specific grinding energy and surface roughness of nanoparticle jet minimum quantity lubrication in grinding / D. Zhang, C. Li, D. Jia, Y. Zhang, X. Zhang // Chinese Journal of Aeronautics. – 2015. – Vol. 28, iss. 2. – P. 570–581. – DOI: 10.1016/j.cja.2014.12.035.
17. Cyclic oxidation behavior of IN 718 superalloy in air at high temperatures / K.A. Al-hatab, M.A. Al-bukhaiti, U. Krupp, M. Kantehm // Oxidation of Metals. – 2011. – Vol. 75, iss. 3–4. – P. 209–228. – DOI: 10.1007/s11085-010-9230-6.
18. SEM-EDS and XPS studies of the high temperature oxidation behaviour of Inconel 718 / F. Delaunay, C. Berthier, M. Lenglet, J.M. Lameille // Mikrochimica Acta. – 2000. – Vol. 132, iss. 2–4. – P. 337–343. – DOI: 10.1007/s006040050027.
19. Li W. Influences of tensile strain and strain rate on the electron work function of metals and alloys // Scripta Materialia. – 2006. – Vol. 54, iss. 5. – P. 921–924. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2005.10.064.
20. Hua G., Li D. Generic relation between the electron work function and Young’s modulus of metals // Applied Physics Letters. – 2011. – Vol. 99, iss. 4. – P. 041907. – DOI: 10.1063/1.3614475.
21. Lu H. Electron work function – a promising guiding parameter for material design / H. Lu, Z. Liu, X. Yan, D. Li, L. Parent, H. Tian // Scientific Reports. – 2016. – Vol. 6. – P. 1–11. – DOI: 10.1038/srep24366.
22. Zhou Y., Lu J.Q., Qin W.G. Change in the electronic work function under different loading conditions // Materials Chemistry and Physics. – 2009. – Vol. 118. – P. 12–14. – DOI: 10.1016/j.matchemphys.2009.07.062.
23. Shiyi L., Hao L., Li D.Y. The relationship between the electron work function and friction behavior of passive alloys under different conditions // Applied Surface Science. – 2015. – Vol. 351. – P. 316–319. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.05.125.
24. Wang J., Wang S.Q. Surface energy and work function of fcc and bcc crystals: density functional study // Surface Science. – 2014. – Vol. 630. – P. 216–224. – DOI: 10.1016/j.susc.2014.08.017.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Волгоградской области в рамках научного проекта № 18-48-343004 р_мол_а.
Митрофанов А.П., Носенко В.А. Исследование технологии микродозированной подачи смазочных композиций с наночастицами при шлифовании жаропрочного никелевого сплава с дополнительным воздушным охлаждением // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 4. – С. 6–18. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.4-6-18.
Mitrofanov A.P., Nosenko V.A. Investigation of the technology of microdosed supply of lubricant compositions with nanoparticles during grinding of heat-resistant Ni-based with additional air cooling. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2019, vol. 21, no. 4, pp. 6–18. DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.4-6-18. (In Russian).
