способ подачи смазочно-охлаждающих технологических средств

Формула изобретения

Способ подачи смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) в зону резания, включающий подачу СОТС и углеродных нанотрубок в зону контакта инструмента с обрабатываемым материалом посредством жидкого носителя, отличающийся тем, что используют углеродные нанотрубки, имеющие в своем составе микродозы трибоактивных веществ, при этом концентрацию упомянутых углеродных нанотрубок в жидком носителе устанавливают в интервале 0,01-1,50 вес.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а именно, к механической обработке металлов, в частности, к способам подачи смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС).

Известный и наиболее близкий по технической сущности представляет собой способ подачи СОТС в зону резания, включающий подачу СОТС и нанотрубок посредством жидкого носителя в зону контакта инструмента с обрабатываемым материалом [1].

Основным недостатком данного способа является невысокая эффективность действия углеродных нанотрубок на повышение стойкостных показателей инструментов.

Наиболее близким по достигаемому эффекту является способ подачи СОТС в зону резания в виде микрокапсул, которые представляют собой частицы вещества СОТС размером 10-50 мкм, заключенные в тонкую оболочку пленкообразующего материала. Подача микрокапсул в зону контакта осуществляется посредством жидкого носителя свободно падающей струей. В состав микрокапсул дополнительно вводят вещество, обладающее сегнетоэлектрическими свойствами для придания микрокапсулам направленного движения к зоне контакта [2].

Недостатком данного способа является относительно большие размеры микрокапсул, что затрудняет их проникновение в зону контакта инструмента с обрабатываемым материалом и, как следствие, приводит к уменьшению интенсивности образования разделительных смазочных пленок, экранирующих адгезионные взаимодействия трибосопряженных металлических поверхностей.

Целью настоящей работы является повышение стойкости металлорежущих инструментов путем разработки нового способа подачи микродоз СОТС в составе углеродных нанотрубок с улучшенными трибологическими характеристиками на основе их транспортирования в контактную зону инструмента с обрабатываемым материалом посредством жидкого носителя.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве СОТС использовались углеродные нанотрубки, изготовленные по [3], которые имели в своем составе микродозы трибоактивных веществ и подавались в зону резания посредством жидкого носителя. В качестве трибоактивных компонентов использовались: йод, хлор, сера. В качестве жидкого носителя использовались: дистиллированная вода, индустриальные и растительные масла, консистентные смазочные материалы. Жидкий носитель, имеющий в своем составе нанотрубки с трибоактивными компонентами, подавался в зону резания капельным способом из расчета: для дистиллированной воды 1-3 с^-1, масел - 0,5-1 с^-1, консистентной смазки - предварительное нанесение на рабочие поверхности инструментов.

Концентрация нанотрубок, имеющих длину 400-500 нм при диаметре от 1,5 нм до 20 нм, составляла 0,01-1,5% (весовых) от веса носителя. При этом, верхний предел (1,5%) является условной величиной, т.к. превышение концентрации нанотрубок более 1,5% практически не приводило к заметному увеличению стойкостных показателей инструментов по сравнению с теми значениями, которые были зафиксированы при расходе 1,5%.

При попадании углеродной нанотрубки в зону контактирования инструмента с обрабатываемым материалом под действием высоких температур, давлений, относительного перемещения обрабатываемого материала по рабочим поверхностям инструмента нанотрубка разрушалась. При этом происходят два одновременно протекающих процесса, оказывающих влияние на трибологическую обстановку зоны резания. Разрушение нанотрубок приводит к выделению, находящихся в их составе, трибоактивных элементов в зону непосредственного контакта инструмента с обрабатываемым материалом. Эти элементы инициируют протекание радикально-цепных реакций, продуктом которых является образование смазочных структур на границе раздела трибосопряженных металлических поверхностей, что приводит к облегчению условий резания и повышению стойкости режущего инструмента.

Одновременно с этим, при разрушении нанотрубки происходит ее геометрическая перестройка - из трубки она разворачивание в плоскость - графен, если стенки трубки представляют собой моноатомный слой. Попадая в контактную зону инструмента с обрабатываемым материалом, графен разделяет трибосопряженные поверхности инструмента и обрабатываемого материала, уменьшая адгезионные взаимодействия между ними. Это способствует уменьшению интенсивности адгезионного изнашивания рабочих поверхностей инструментов и, как следствие, повышению их износостойкости.

Если стенка нанотрубки представляет собой многослойную композицию, то в результате ее разрушения образуется пачка моноатомных плоскостей, связь между которыми достаточно слабая, т.е. физико-механические свойства этой пачки подобны графиту, который относится к твердым смазочным материалам. Таким образом, в этом случае к первому механизму (уменьшение адгезионных взаимодействий) добавляется механизм смазочного действия в результате скольжения моноатомных слоев друг относительно друга.

Апробация предлагаемого способа осуществлялась при лезвийной обработке представителей различных групп конструкционных материалов: углеродистая сталь 45, нержавеющая аустенитная сталь 12Х18Н10Т, титановые сплавы ВТ6, ВТ5-1. Резание проводилось на операциях точения и сверления инструментами, изготовленными из быстрорежущих сталей Р6М5 и оснащенных пластинками твердого сплава Т5К10.

Пример предлагаемого способа.

При точении титанового сплава ВТ6 ГОСТ 19807-74, ОСТ 1.90173-75 упорнопроходными резцами из быстрорежущей стали Р6М5 при глубине резания t=0,5 мм, подаче S=0,1 мм/об и скорости резания V=0,46 м/с в качестве СОТС использовались: распыленные ионизированные СОТС по [2], углеродные нанотрубки по [4], нанотрубки по предлагаемому способу, имеющие в своем составе йод. Подача нанотрубок в зону резания осуществлялась посредством дистиллированной воды капельным способом в количестве 2 капля в секунду. Количество нанотрубок, подаваемых в контактную зону, составляло 0,01-1,5% от веса носителя. За критерий износа принимался износ по задней поверхности резца до достижения фаски износа 0,6 мм. Результаты изменения стойкостных характеристик инструментов приведены в табл.1.

Таблица 1
Результаты стойкостных испытаний быстрорежущих резцов при использовании различных СОТС
№ п/п	Используемая СОТС	Стойкость резцов мин.
Базовый объект
1	Углеродные нанотрубки по [1] подавались в зону резания посредством дистиллированной воды каплями с периодичностью 2 с-1 при концентрации нанотрубок в носителе 0,5%.	25
Прототип
2	Магнитные микрокапсулы по [2] подавались в контактную зону посредством дистиллированной воды каплями с периодичностью 2 с-1 при концентрации микрокапсул в носителе 2,0%.	43
Предлагаемый способ
3	Содержащие йод нанотрубки подавались в зону контакта посредством дистиллированной воды каплями с периодичностью 2 с-1. Концентрация нанотрубок составляла 0,5% от веса носителя.	57
Граничные значения
4	Концентрация нанотрубок составила 0,01%.	45
5	Концентрация нанотрубок составила 1,5%.	59
Запредельные значения
6	Концентрация нанотрубок составила 0,009%.	41
7	Концентрация нанотрубок составила 1,6%.	58

Соотношение полученных результатов лезвийной обработки для других веществ, входящих в состав нанотрубок, а так же для различных операций резания и других обрабатываемых и инструментальных материалов близки к приведенным в таблице 1.

Литература.

1. JP 2004-331737, C09K 3/14, 25.11.2004

2. Патент РФ N 2072291. Способ подачи смазочно-охлаждающих технологических средств (варианты). Авторы: Латышев В.Н., Наумов А.Г., Чиркин С.А., Оношин Н.М., Ключников С.В.

3. Патент РФ № 2146648. Способ получения углеродных нанотрубок. Авторы: Авдеева Л.Б., Лихолобов В.А.