сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
студент
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 621.892 Смазочные материалы
ББК 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
Цель исследования заключается в сравнительном анализе влияния нанодобавки в моторном масле на снижение коэффициента трения в процессе осадки. Задача, решению которой посвящена статья, состоит в получении смазочных материалов с различной концентрацией фуллеренов (С60) и анализе сравнительных испытаний смазочных композиций. Методы исследования: смазочные композиции получены путем перемешивания на ультразвуковом диспергаторе в лаборатории узлов трения для экстремальных условий ИМАШ РАН; экспериментальные исследования выполнены в МИРЭА – Российском технологическом университете с использованием лабораторного комплекса «Обработка металлов давлением. Компьютеризированный пресс с ЧПУ» ОМД – 1 ЧПУ, реализующий процесс осадки. Новизна работы: впервые исследовалось влияние различных концентраций фуллереннов (С60) на процесс осадки. Результаты исследования: выполнены эксперименты по осадке заготовки; получены зависимости усилия от перемещения заготовки для испытанных смазочных материалов. Основной вывод по исследованию состоит в том, что моторное масло с введением фуллеренов снижает сопротивление деформированию заготовки и коэффициент трения.
фуллерен, смазочная композиция, усилие, моторное масло, осадка, коэффициент трения
Введение
Осадка является распространенной кузнечной операцией в машиностроении, в процессе которой уменьшается высота заготовки при увеличении площади поперечного сечения [1-5]. Процесс осадки имеет схему (рис. 1), которая применяется для оценки напряженно – деформированного состояния.
Для уменьшения влияния сил трения на результаты испытаний вводятся различные смазочные материалы между торцевыми поверхностями образца и опорными плитами. Однако полностью устранить силы трения и обеспечить в образце при испытании линейное напряженное состояние не представляется возможным, что является принципиальным недостатком испытаний на сжатие [6-7].
Для исследования использовались полусинтетическое моторное масло Mobil Ultra 10W-40 с добавкой наноразмерных частиц. Данный материал использовался как смазочная композиция. В качестве нанодобавки были испытаны порошки фуллеренов (С60) (рис. 2) производства Merck KGaA (г. Дармштадт, Германия). Процентное содержание добавки варьировалось. Максимальное содержание присадки в моторном масле не превышало 2%.
Рис.1. Схема осадки: H0, D0 - начальные
размеры заготовки, H1, D1 - размеры
заготовки после осадки
Fig. 1. Upsetting scheme: H0, D0 - initial
dimensions of the workpiece, H1, D1 –
dimensions of the workpiece after upsetting
Рис. 2. Фуллерен C60
Fig. 2. Fullerene C60
Целью настоящей статьи является сравнительный анализ влияния нанодобавки в моторном масле на снижение коэффициента трения в процессе осадки.
Методика перемешивания смазочной композиции
В жидкой среде частицы обладают способностью образовывать агломераты. С уменьшением размера частиц этот эффект увеличивается. Чем более тонкодисперсным является порошок, тем сложнее диспергировать агломераты до отдельных частиц.
Ультразвуковое диспергирование обеспечивает получение материалов сверхтонкой дисперсности.
Диспергирующее действие ультразвука связано с кавитацией [8] – образованием и схлопыванием полостей в жидкости. Схлопывание полостей сопровождается появлением кавитационных ударных волн, которые разрушают агломераты и приводят к равномерному распределению частиц.
Рис. 3. Ультразвуковой диспергатор:
1 – основание, 2 – стеклянный цилиндр,
3 – пьезоэлемент, 4 – прижимная гайка,
5 – плата генератора, 6 – заглушка
Fig. 3. Ultrasonic disperser:
1 - base, 2 - glass cylinder, 3 – piezoelectric
element, 4 - clamping nut,
5 - generator board, 6 - plug
Рис. 4. Плата генератора
Fig. 4. Generator board
Смазочную композицию, представляющую собой масляную суспензию фуллерена получали путем многократной обработки масляно–фуллереновой системы на ультразвуковом диспергаторе (рис. 3). На рис. 4 изображена плата генератора. Продолжительность одной ультразвуковой обработки, сопровождавшейся нагревом раствора до 60 – 70°С составляла 10 мин. Контроль качества перемешивания производился при помощи микроскопа МБС -10М, с увеличением х800 агломераты не наблюдались (рис. 5).
|
а) |
б) |
|
в) |
г) |
Рис. 5. Снимки смазочных композиций: a – моторное масло + 0,1 % фуллеренов, б – моторное масло + 0,2 % фуллеренов, в – моторное масло + 1 % фуллеренов, г – моторное масло + 2 % фуллеренов
Fig. 5. Pictures of lubricant compositions: a - engine oil + 0.1% fullerenes, b - engine oil + 0.2% fullerenes, v - engine oil + 1% fullerenes, g - engine oil + 2% fullerenes
Методика исследования
Эксперименты по осадке заготовки между опорными плитами проводились на цилиндрах (рис. 6), распечатанных на 3D – принтере с размерами: 
Рис. 6. Образец для испытаний
Fig. 6. Test sample
Процесс осадки реализован на учебном лабораторном комплексе «Обработка металлов давлением. Компьютеризированный пресс с ЧПУ» ОМД – 1 ЧПУ (рис. 7). Измерение усилия проводилось по отсчетным устройствам пресса. Погрешность измерения усилия составило 
Смазка между торцевыми поверхностями образца и опорными плитами осуществлялась капельным способом.
Рис. 7. Учебный лабораторный комплекс
«Обработка металлов давлением.
Компьютеризированный пресс с ЧПУ»
ОМД – 1 ЧПУ Fig.
7. Educational laboratory complex
"Metal forming. Computerized press
with CNC "OMD - 1 CNC
Результаты исследований и их обсуждение
При испытании записывающий механизм машины автоматически показывает диаграмму процесса осадки – график зависимости между усилием и перемещением образца. При осадке получены образцы с большим поперечным размером при относительно малой высоте (~ 3 – 5 мм) (рис. 8 и 9).
Диаграмма процесса осадки цилиндра без смазочного материала представлена на рис. 10.
Из него следует, что на участке ОА выполняется закон Гука, на этом участке действуют упругие деформации. На участке АВ нарушается закон Гука, зависимость между силой и укорочением становится нелинейной. На графике горизонтальный участок ВС называемый площадкой текучести [9] показал, что образец сильно деформируется при постоянной нагрузке. СД – участок упрочнения, заготовка приобретает бочкообразную форму. Диаметр образца значительно увеличивается, а высота уменьшается. Участок ДЕ соответствует прекращению испытания.
Рис. 8. Заготовка после процесса осадки
Fig. 8. Billet after upsetting process
Рис. 9. Заготовки до и после процесса осадки
Fig. 9. Blanks before and after upsetting
Рис. 10. Зависимость усилия от перемещения без смазочного материала
Fig. 10. Force versus displacement without lubrication
Анализ диаграмм показал их отличие для смазочных материалов с различной концентрацией фуллеренов. Сопротивление заготовки снижается в результате влияния смазки с фуллеренами на тангенциальное трение между заготовкой и инструментом (рис. 11).
В результате действия силы пластического деформирования при сжатии и тангенциального трения между торцами осаживаемой заготовки и инструментом, заготовка приобретает бочкообразную форму. Показатель бочкообразности 
оценивался по формуле [10] (рис. 12):
где 
- максимальный диаметр образца, 
- минимальный диаметр образца.
Рис. 11. Зависимость усилия от перемещения для испытанных смазочных материалов:
1 – без смазочного материала, 2 – моторное масло, 3 – моторное
масло + 0,1 % фуллеренов, 4 – моторное масло + 0,2 % фуллеренов,
5 – моторное масло + 1 % фуллеренов, 6 – моторное масло + 2% фуллеренов
Fig. 11. Force versus displacement for tested lubricants: 1 - no lubricant, 2 - engine oil,
3 - engine oil + 0.1% fullerenes, 4 - engine oil + 0.2% fullerenes,
5 - engine oil + 1% fullerenes , 6 - engine oil + 2% fullerenes
Коэффициент трения 
определялся по формуле [8]:
где 
- степень деформации.
Таким образом, в результате проведённых испытаний было выявлено, что в одинаковых условиях процесса осадки добавка фуллеренов снижает коэффициент трения, что отражено на представленной диаграмме (рис. 13).
Рис. 12. Значения показателя бочкообразности:
A – без смазочного материала, B – моторное масло,
C – моторное масло + 0,1 % фуллеренов, D – моторное
масло + 0,2 % фуллеренов, E – моторное
масло + 1 % фуллеренов, F – моторное масло + 2% фуллеренов
Fig. 12. Barrel index values: A - no lubricant,
B - engine oil, C - engine oil + 0.1% fullerenes,
D - engine oil + 0.2% fullerenes, E - engine
oil + 1% fullerenes, F - engine oil + 2% fullerenes
Рис. 13. Среднее значение расчетного
коэффициента трения: A – без смазочного
материала, B – моторное масло, C – моторное
масло + 0,1 % фуллеренов, D – моторное
масло + 0,2 % фуллеренов, E – моторное
масло + 1 % фуллеренов, F – моторное
масло + 2% фуллеренов
Fig. 13. The average value of the calculated
coefficient of friction: A - without lubricant,
B - engine oil, C - engine oil + 0.1% fullerenes,
D - engine oil + 0.2% fullerenes, E - engine
oil + 1% fullerenes, F - engine oil + 2% fullerenes
Заключение
Таким образом, из анализа экспериментальных данных с лабораторного комплекса «Обработка металлов давлением. Компьютеризированный пресс с ЧПУ» ОМД – 1 ЧПУ следует, что моторное масло с введением фуллеренов снижает сопротивление деформированию заготовки и коэффициент трения.
1. Подскребко М.Д. Сопротивление материалов/ М.Д. Подскребко. Мн: Высшая школа, 2007.
2. Воронцов А. Свободная осадка полых цилиндрических заготовок. Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2006;11(116):21-31. – EDN HZQAVF.
3. Кухарь В.Д., Бойко О.А. Влияние трения на усилие осадки цилиндрических заготовок. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012;8:239-242. – EDN PYMOSL.
4. Семенов Е.И. Ковка и штамповка: в 4 т. М.: Машиностроение, 1986. Т.2. 592 с.
5. Стругов С.С., Иванов В.А., Шеркунов В.Г. Сравнение методов оценки напряженно-деформированного состояния при осадке цилиндрической заготовки. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2016:16(4):140-146. – DOI 10.14529/met160416. – EDN XDSKKP.
6. Гун Г.Я. Теоретические основы обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1980. 456 с.
7. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. Изд-во УГТУ – УПИ, 2001. 835 с.
8. Ворожцов А.Б., Жуков А.С., Малиновская Т.Д., Сачков В.И. Синтез дисперсных металлооксидных материалов: монография / ответственный редактор Т.Д. Малиновская. Томск: ТГУ, [б. г.]. Книга 2: Плазмохимический метод получения оксидов титана и циркония. 2014. 168 с.
9. Высотин А.С., Кузнецова Е.В. Анализ поля деформаций при испытаниях на растяжение плоских деталей с концентрическим отверстием. Прикладная математика, механика и процессы управления. 2015;1:48-55. – EDN WVIGFR.
10. Грудев А.П. Внешнее трение при прокатке. М.: Металлургия, 1973. 288 с.
