Криогенная обработка как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента

Рассмотрена криогенная обработка как один из основных методов повышения износостойкости металлорежущего инструмента, способствующая увеличению сроков его службы.

Ключевые слова:криогенная обработка, криогенная температура, криоагент, криососуд, криогенный продукт.

В настоящее время в машиностроении применяется криогенная обработка как один из перспективных методов повышения износостойкости металлорежущего инструмента.

Основой криогенной обработки является применение низкотемпературного воздействия. Материал металлорежущего инструмента охлаждается до криогенных температур (-150⁰ С) на заданные периоды времени, а затем выполняется плавное возвращение к нормальной комнатной температуре. Процесс криогенной обработки осуществляется при использовании компьютерных технологий. Компьютер плавно регулирует понижение и повышение температуры в соответствии с заложенной программой. Плавное возвращение к комнатной температуре необходимо во избежание криогенного шока металла, что может вызвать трещины и разломы в материале металлорежущего инструмента или даже изменения в его внутренней молекулярной структуре. Криогенная обработка как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента позволяет улучшить его твердость, механические и режущие свойства [1]. Сегодня криогенная обработка способна конкурировать с другими методами обработки, способствуя при этом повышению производительности и снижению износа металлорежущего инструмента.

Криогенная обработка основана на обработке холодом в криогенной установке при температуре достигающей температуры жидкого азота.

Основными преимуществами криогенной обработки являются:

-          повышение износостойкости и прочности металлорежущего инструмента;

-          изменение физико-химических свойств материала;

-          высокие показатели упрочнения металлорежущего инструмента;

-          высокая производительность;

-          экологичность.

К основным недостаткам криогенной обработки относятся:

-          опасность обмораживания при контакте с криогенными продуктами;

-          увеличение хрупкости металла при низкой температуре и возможности разрушения оборудования по причине взрыва;

-          возможная утечка криогенных продуктов вследствие разгерметизации оборудования;

-          высокая стоимость криогенных установок и комплексов.

Криогенная обработка металлорежущего инструмента включает в себя охлаждение материала до температуры жидкого азота, проводится однократно и не нуждается в повторении, так как материал металлорежущего инструмента приобретает свойства, которые сохраняются в течение всего срока службы. Криогенная обработка повышает производительность, и износостойкость металлорежущего инструмента порядка на 10–20 %.

Отечественные ученые Положенцев В. С., Гуляев А. П., Воробьев В. Г. и Вязников Н. Ф. внесли огромный вклад в развитие криогенных технологий и определили путь их развития в машиностроении нашей страны.

Криогенная установка — это совокупность технологически объединенного оборудования, предназначенного для переноса теплоты в окружающую среду от объекта при криогенной температуре.

Криогенная установка включает в себя:

-          персональный компьютер;

-          процессор;

-          криокамера;

-          емкость с жидким азотом;

-          электромагнитный клапан;

-          датчик температуры;

-          криососуд;

-          контроллер.

Управление процессом криогенной обработки осуществляется процессором. К изменяемым параметрам относятся: температура, скорость понижения и повышения температуры, временные периоды выдержки.

В криогенных резервуарах (емкостях) находятся соединения, которые обеспечивают проведение криогенной обработки. Используемые соединения разделяют на холодные (кислород и азот) и очень холодные (водород и гелий). Температура кипения холодных газов доходит до минус 270⁰ С, что и обеспечивает применение криогенных технологий.

Криогенные резервуары включают в свой состав внутренние и внешние ёмкости. Внутренние криогенные емкости используются для размещения рабочих сред, внешние — служат внешней оболочкой, позволяя создавать эффект термоса. Между внешней и внутренней ёмкостями засыпается перлит, и создаётся эффект вакуума, который позволяет практически свести к минимуму тепловые потери. Внутренние криогенные ёмкости покрываются специальной изоляцией. Криогенные ёмкости бывают объемом от 3000 до 60000 л. Такие устройства изготавливаются в соответствии с требованиями ГОСТ-Р и подлежат сертификации.

Криоагентом при криогенной обработке является вещество или смесь веществ, используемые в криогенной технике как рабочее тело в газообразном или конденсированном состоянии и находящееся при криогенных температурах хотя бы на одной из стадий рабочего цикла [2]. Чаще всего в качестве криоагента выступает жидкий азот. Криососуд — это сосуд, предназначенный для хранения или транспортирования криопродукта.

Криогенными называются машины (установки), в которых хотя бы один процесс рабочего цикла протекает при температурах ниже -150⁰ С. Их можно подразделить на машины, производящие холод, и на машины, обеспечивающие сжатие и транспортировку криоагенто, работающие при температурах ниже -150⁰ С.

Криогенный продукт — это продукт криогенной установки, находящийся при криогенной температуре. Криогенная температура- это температура в интервале от -270⁰С до -150⁰С. К основным криогенным продуктам относятся: криптон, ксенон, азот, аргон, метан, водород, озон, фтор, гелий.

Работе с криогенными продуктами требует строгого выполнения мер техники безопасности для исключения:

-          ожогов вследствие попадания криогенных продуктов на открытые участки тела, в глаза и легкие;

-          обморожения вследствие глубокого охлаждения участков тела при контакте с криогенными продуктами.

Конструкции помещений, в которых ведутся работы, и хранятся криогенные продукты должны учитывать высокую взрывоопасность продуктов, а также в обязательном порядке должны быть оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией (приток воздуха должен быть сверху, а вытяжка — снизу). Для удаления пролитых криогенных продуктов оборудуются вдоль стен специальные сливные каналы с уклоном в сторону аварийной вентиляции [3].

Помещение должно быть оборудовано автоматическим включением вентиляции при достижении концентрации криогенных продуктов выше допустимой.

При работе с криогенными продуктами необходимо использовать специальную обувь, одежду, рукавицы и защитные очки, исключающие попадание криогенных продуктов на открытые участки тела. Верхняя одежда должна быть закрытой, а брюки должны прикрывать обувь. Для исключения соприкосновения персонала с оборудованием с низкой температурой необходимо применять герметизацию, термоизоляцию и защитные ограждения. На оборудовании необходимо устанавливать знаки безопасности [4].

Открытые переливания, слив криогенных продуктов, при которых возможно разбрызгивание жидкости необходимо проводить в защитных рукавицах и защитных очках.

Криогенное оборудование должно быть обязательно зарегистрировано в органах Госнадзора и проходить периодическое, техническое освидетельствование. Работать с криогенным оборудованием допускаются лица не моложе 18 лет, после прохождения обучения и аттестации комиссией с выдачей удостоверения на право производства работ. Периодическая проверка знаний производится не реже 1 раза в год.

Криогенная обработка является эффективным и перспективным методом повышения износостойкости металлорежущего инструмента.

Литература:

1.       Основы криологии. Энтропийно-статический анализ низкотемпературных систем. — М. изд.МГТУ имени Н. Э. Баумана. 2014г. — 507 с.;

2.       Солнцев, Ю.П, Ермаков, Б.С., Слепцов, О. И. Материалы для низких и криогенных температур. — М. изд.Химиздат. 2008г– 768 с.

3.       www.kazreferat.info/read/bezopasnost-pri-ekspluata...h-ustanovok-MTY3ODA0

4.       revolution.allbest.ru/life/00065286_0.html