Магнито абразивная обработка деталей нашла на заводах. Применение процесса магнитно-абразивного полирования для улучшения качества поверхностей трения. Схемы МАО I группы

Магнитно-абразивная обработка (МАО) (англ. magnetic-abrasive machining, нем. Magnetschleifbearbeitung) - абразивная обработка, осуществляемая при движении заготовки и абразивных зерен относительно друг друга в магнитном поле (согласно ГОСТ 23505-79 «Обработка абразивная. Термины и определения»).

Сущность магнитно-абразивной обработки заключается в том, что порошковая ферромагнитная абразивная масса, уплотненная энергией магнитного поля , осуществляет абразивное воздействие на обрабатываемую деталь.

Магнитно-абразивным способом можно успешно обрабатывать поверхности: цилиндрические наружные и внутренние, плоские, тел вращения с криволинейной образующей, винтовые и др.

Наиболее распространенной областью применения магнитно-абразивной обработки является снижение шероховатости на обрабатываемых поверхностях с одновременным повышением качественных характеристик поверхностного слоя.

История развития технологии МАО

Идея использования энергии магнитного поля для механической обработки деталей принадлежит Н. И. Каргалову , который в 1938 г. предложил способ обработки внутренних поверхностей труб абразивным порошком, обладающим ферромагнитными свойствами.

В 1956-1959 гг. был зарегистрирован ряд патентов в США, Франции и др. странах на способы и устройства для магнитно-абразивной обработки свободным абразивным порошком в переменном, циклически меняющем полярность магнитном поле .

В 1960-1961 гг. в СССР две группы исследователей под руководством В. А. Шальнова и В. Н. Верезуба предложили способы абразивной обработки в поле электромагнита на постоянном токе плоских поверхностей из немагнитного материала.

В СССР в 1980-е - начале 1990-х годов исследованиями в области магнитно-абразивной обработки занимаются в основном научные коллективы Минска (Скворчевский Н. Я. , П. И. Ящерицын , Чачин В. Н. , Сакулевич Ф. Ю. , Хомич Н. С. , Кудинова Э. Н. , Абрамов В. И. , Кульгейко М. П. , Романюк С. И. , Михолап С. В. , Лепший А. П. , Али Хусейн Кадхум ) и Ленинграда (Барон Ю. М. , Приходько С. П. , Кобчиков В. С. , Нестеров В. М. , Желтобрюхов Е. М. ).

В 1990-е годы магнитно-абразивной обработкой занимаются коллективы научных подразделений Физико-технического института НАН Беларуси, БНТУ , научно-инженерного предприятия «Полимаг» (Беларусь). Разработаны и реализованы теоретические и практические задачи полирования в магнитном поле цилиндрических и сферических поверхностей изделий, работающих, преимущественно, в узлах трения машин и механизмов. Поисковые исследования показали перспективность применения магнитно-абразивной обработки для подготовки поверхностей изделий перед операциями сварки и нанесения покрытий.

В последние годы проводятся исследования по магнитно-абразивной обработке поверхностей прецизионных деталей электроники , оптики и лазерной техники (УП "Полимаг" . . , MATI (США)).

В последнее десятилетие технология магнитно-абразивной обработки получила развитие во многих странах мира. Исследованиями в этой области занимаются научные коллективы различных университетов и компаний:

Классификация схем МАО

Классификация по трём признакам :

• Функциональное назначение
  • I - магнитное поле формирует из порошковой ферромагнитной абразивной массы режущий инструмент с управляемой жесткостью и создает силы резания;
  • II - магнитное поле формирует из порошковой ферромагнитной абразивной массы режущий инструмент с управляемой жесткостью, создает силы резания и сообщает режущему инструменту движения резания;
  • III - магнитное поле сообщает силы и движения резания несформированной массе ферромагнитного абразивного порошка;
  • IV - магнитное поле сообщает необходимые для резания движения непосредственно заготовке или абразивному инструменту;
  • V - магнитное поле в зоне обработки интенсифицирует или улучшает качественные характеристики существующих абразивных способов обработки.
• Форма обрабатываемых поверхностей
  • А - схемы обработки наружных поверхностей вращения;
  • Б - схемы обработки внутренних поверхностей вращения;
  • В - схемы обработки плоскостей и линейчатых фасонных поверхностей;
  • Г - схемы обработки трехмерных фасонных поверхностей.
• Тип используемого магнитного индуктора
  • 1 - схемы с электромагнитными индукторами постоянного тока;
  • 2 - схемы с электромагнитными индукторами переменного тока;
  • 3 - схемы с электромагнитными индукторами трехфазного тока;
  • 4 - схемы с индукторами на постоянных магнитах.

Схемы МАО I группы:

а) Обработка наружных цилиндрических или фасонных поверхностей вращения (рисунок 1а). Для этого заготовку 1 помещают между полюсами электромагнита постоянного тока. Зазоры между полюсами 2 и обрабатываемой поверхностью заполняют магнитно-абразивным порошком 3. При этом образуется своеобразный абразивный инструмент, копирующий форму обрабатываемой поверхности. Жесткостью этого инструмента можно управлять, изменяя напряженность магнитного поля в рабочих зазорах. Магнитное поле удерживает порошок в зазорах и прижимает его к обрабатываемой поверхности. Необходимые для обработки движения резания - вращение и осцилляция заготовки вдоль оси.

б) Обработка наружных цилиндрических и фасонных поверхностей вращения небольших диаметров с консольным закреплением заготовок (рисунок 1б) . Обработке одновременно подвергают несколько заготовок 5, каждая из которых закреплена в отдельном шпинделе. Кольцевая ванна 4 выполнена из немагнитного материала и заполнена магнитно-абразивным порошком. По внутреннему и наружному периметрам ванны размещены полюсы электромагнитов противоположной полярности. При их включении порошок образует внутри ванны абразивную среду с регулируемой жесткостью. Заготовкам сообщают три рабочих движения: вращение вокруг собственных осей, осцилляцию вдоль оси и перемещение вдоль средней окружности кольцевой ванны.

в) Обработка винтовых поверхностей (рисунок 1в) . Заготовку помещают внутрь цилиндрической немагнитной камеры 9, укрепленной между полюсами электромагнита 8 постоянного тока, который при включении сообщает магнитно-абразивной порошковой массе внутри камеры заданную жесткость. При вращении заготовки 10 полируемая резьба, как шнек, стремится вытеснить магнитно-абразивный порошок из камеры, а полированию преимущественно подвергается одна сторона профиля резьбы. Для обработки второй стороны профиля изменяют направление вращения заготовки 10. Одновременно изменяется направление движения порошка.

г) Доводка рабочей поверхности резца (рисунок 1г) . Электромагнит 12 служит для удерживания магнитно-абразивного порошка 13 между полюсами и для изменения его жесткости синхронно с вертикальными осцилляциями резца. При движении резца вверх электромагнит включается, при движении вниз - выключается. Такая синхронизация включений-выключений необходима для предотвращения затупления режущих кромок резца.

д) Обработка внутренней поверхности немагнитного тонкостенного контейнера (рисунок 1д) . Порция магнитно-абразивного порошка 15 силами магнитного поля, наведенного электромагнитом 16, прижата к обрабатываемой поверхности и удерживается от вращения вместе с обрабатываемой деталью.

Схемы МАО II группы:

а) Обработка наружных поверхностей вращения (рисунок 2а). Осцилляция полюсных наконечников сообщает силами магнитного поля дополнительные движения магнитно-абразивному порошку в рабочих зазорах взамен осцилляции заготовки. Такая схема эффективна при магнитно-абразивной обработке на токарных станках, где для шпинделя не предусмотрено осциллирующее вдоль оси движение, а также при обработке массивных заготовок.

б) Обработка плоскостей с помощью индуктора на постоянных магнитах (рисунок 2б). На рабочей торцевой поверхности индуктора 2 по кольцу расположены чередующиеся полюсники и постоянные магниты . Магнитно-абразивный порошок, закрепленный силами магнитного поля на торцевой поверхности индуктора, вращается вместе с индуктором и производит полирование поверхности поступательно движущейся заготовки 1.

в) Обработка линейчатой фасонной поверхности (рисунок 2в). На заготовке 3 с помощью осциллирующего индуктора 4 на постоянных магнитах, сообщающего силы резания и осцилляции зернам магнитно-абразивного порошка, размещенного в рабочем зазоре .

г) Обработка наружной сферической поверхности (рисунок 2г)(а.с. 531715 СССР). Магнитное поле в рабочих зазорах наводится электромагнитом 5 постоянного тока . Обработка осуществляется при вращении заготовки 6 и полюсных наконечников 7; последние передают вращение магнитно-абразивному порошку 8 в рабочих зазорах.

д) Обработка внутренних беговых дорожек на кольцах шарикоподшипников (рисунок 2д)(а.с. 20444 НРБ). Осуществляется при введении внутрь обрабатываемого кольца 9 - вращающегося полюса 10 электромагнита 11 с удерживающимся на периферии его полюса магнитно-абразивным порошком.

е) Обработка внутренних поверхностей труб с помощью вращающегося электромагнита (рисунок 2е)(а.с. 21083 НРБ, а.с. 657978 СССР). Электромагнит имеет несколько секций катушек 12, размещенных в пазах корпуса 13. При этом кольцевые участки 14 становятся противоположно заряженными полюсами, удерживают на себе магнитно-абразивный порошок и передают ему рабочее вращательное движение. Дополнительно электромагнит перемещается вдоль оси трубы, увлекая за собой магнитно-абразивный порошок в рабочих зазорах.

Схемы МАО III группы:

а) Обработка внутренних поверхностей труб (рисунок 3а)(а.с. 55507 СССР). Помещают в трубу 1 магнитно-абразивный порошок 2 и заставляют его вращаться с помощью вращающегося магнитного поля, созданного трехфазным электромагнитным индуктором 3.

б) Обработка поверхностей произвольной формы (рисунок 3б) . Заготовку 4 произвольной формы закрепляют внутри немагнитного контейнера 5, окруженного электромагнитами 6. При поочередных импульсных включениях электромагнитов масса магнитно-абразивного порошка 7 перемещается внутри контейнера по направлению к включенному в данный момент электромагниту.

в) Обработка нижней поверхности листового материала (рисунок 3в). Листовой материал 8, протягивается между электромагнитом 9 и контейнером 10, содержащим магнитно-абразивный порошок 11 (Пат. 1507495 Франция).

Одним из новых перспективных способов отделочной обработки является магнитно-абразивное полирование (МАП), позволяющее на разнообразных по физико-механическим свойствам материалах (сталях, твердых сплавах, цветных металлах и сплавах, стекле и других неметаллах) получать низкие параметры шероховатости поверхности с высотой микронеровностей 0,05-0,4 мкм и благоприятными для эксплуатации другими характеристиками. Роль режущего инструмента при МАП выполняют магнитно-абразивные порошки, обладающие одновременно высокими магнитными и режущими свойствами. Гамма таких порошковых материалов создана в СССР и изготовляется промышленным способом. Силы резания создаются с помощью магнитного поля, воздействующего на зерна магнитно-абразивного порошка, размещенного между полюсами магнитного индуктора и обрабатываемой поверхностью.

Сущность МАП заключается в том, что обрабатываемой поверхности детали или порошку с магнитными и абразивными свойствами, помещенными в магнитное поле, сообщают принудительное движение относительно друг друга. Съем металла осуществляется в результате силового воздействия порошка на поверхность детали и указанных относительных движений.

Многообразие геометрических форм поверхностей, требующих отделочной обработки, и широкие возможности магнитных полей, способных выполнять в процессе абразивной обработки различные функции, привели к созданию различных схем магнитно-абразивного полирования. В частности, на рисунке 3.50 показаны некоторые схемы полирования деталей. В этом случае магнитное поле формирует из порошковой ферромагнитной абразивной массы 3 своеобразный режущий инструмент, воспроизводящий форму обрабатываемой поверхности, и создает нормальные и тангенциальные силы, прижимающие зерна порошка к детали 1 и удерживающие их в рабочем зазоре. Движения резания обрабатываемой детали сообщаются обычным электромеханическим способом. Кроме вращения детали, являющегося в этой схеме главным движением резания, детали или полюсам электромагнитов 2 может быть сообщена осцилляция вдоль оси вращения.

Силы резания независимо от схемы полирования создаются магнитным полем, а величина и направление этих сил определяются напряженностью и структурой поля в рабочем пространстве.

Рис. 3.50. Схемы полирования деталей.

На величину сил резания можно влиять, изменяя силу тока в обмотках электромагнитов, величину зазоров между деталью и полюсами электромагнита, а также структуру поля в рабочем пространстве, которая в известной мере определяется конфигурацией полюсов электромагнитов и размерами межполюсного пространства.

Особенностями магнитно-абразивного полирования являются устранение динамических нагрузок абразивных зерен при резании абразивным инструментом и появление в результате этого вспышек высоких критических температур в локальных зонах обрабатываемой поверхности, отсутствие трения связки о детали и резкое уменьшение общей температуры резания, отсутствие необходимости периодической фасонной правки абразивного инструмента и отсутствие вообще необходимости изготовления абразивного инструмента на жесткой связке.

Многократное пространственное перемагничивание обрабатываемой поверхности детали и силовое воздействие зерен порошка на нее способствует упрочнению тонкого поверхностного слоя материала, увеличению микротвердости и износостойкости, снижению величины растягивающих остаточных напряжений.

МАП предусматривает работу с относительно невысокими скоростями вращения (1-3 м/с) детали, малыми амплитудами (0,5-2 мм) осцилляции при магнитной индукции в рабочем зазоре 1-2 Т и зернистости порошка 0,2 мм.

МАП снижает шероховатость обрабатываемой поверхности с Ra = 1,25-0,32 до Ra = 0,08-0,02 мкм или с Rz = 40-10 до Ra = 0,32- 0,16 мкм, улучшает отдельные характеристики точности геометрической формы детали: уменьшает волнистость и гранность; обеспечивает высокую для отделочных операций интенсивность удаления металла (до 1 мкм/с на диаметр; за 10-50 с магнитного времени съем составляет 0,01-0,05 мм), сохранение размеров, полученных в результате предшествующей операции, в пределах допуска, повышение контактной прочности и износостойкости деталей в 1,5-2 раза. Обработка деталей при МАП ведется в основном поштучно в ориентированном состоянии.

Практическое применение метод МАП в настоящее время получил преимущественно при обработке наружных и внутренних поверхностей тел вращения (плунжеров, осей и др.) для полирования плоскостей.

Централизованного производства оборудования для магнитно-абразивного полирования в настоящее время нет, и поэтому для применения этого процесса могут быть с некоторой модернизацией приспособлены токарные, фрезерные, шлифовальные станки.

дним из прогрессивных финишных процессов обработки свободными абразивами является способ магнитно-абразивного полирования (МАП). Первые его теоретические исследования выполнены в Физико-техническом институте АН БССР .

К настоящему времени на способы магнитно-абразивного полирования и устройства для их воспроизведения имеется более 250 изобретений, и в этом разнообразии схем необходимо ориентироваться. Ограничиться каким-либо одним признаком классификации не представляется возможным, поскольку при выборе той или иной схемы руководствуются разными мотивами. Барон Ю.М. предлагает схемы МАП классифицировать по трем признакам:

1) функциональному назначению магнитного поля в каждом конкретном случае;

2) технологическому признаку — форме обрабатываемых поверхностей;

3) типу используемого магнитного индуктора.

Согласно 1-му признаку все известные схемы магнитно-абразивного полирования могут быть разделены на пять групп, которые условимся обозначать римскими цифрами:

Группа I — магнитное поле формирует из порошковой ферромагнитной абразивной массы режущий инструмент с управляемой жесткостью и создает силы резания.

Группа II — магнитное поле форми­рует из порошковой ферромагнитной абразивной массы режущий инструмент с управляемой жесткостью, создает силы резания и сообщает режущему инструменту движения резания.

Группа III -магнитное поле сообщает силы и движения резания несформированной массе ферромагнитного абразивного порошка.

Группа IV — магнитное поле сообщает необходимые для резания движений непосредственно заготовке или абразивному инструменту.

Группа V — магнитное поле в зоне обработки интенсифицирует или улучша­ет качественные характеристики существующих абразивных способов обработки.

Общим для всех групп является присутствие переменного магнитного поля (переменным из-за относительных перемещений заготовки и индуктора, независимо от его типа) в зоне абразивного резания, изменение под его воздействием механических характеристик обрабатываемого металла и активизация химико-физических явлений, способствующих интенсификации резания и полирования.

Согласно 2-му признаку схемы удобно разделить на четыре группы, которые условимся обозначать заглавными буквами русского алфавита:

А — схемы полирования наружных поверхностей вращения;

Б — схемы полирования внутренних поверхностей вращения;

В — схемы полирования плоскостей и линейчатых фасонных поверхностей;

Г — схемы полирования трехмерных фасонных поверхностей.

Поскольку существуют схемы и устройства, позволяющие производить полирование разных по форме поверхностей, то обозначение таких схем могут включать одновременно две или три буквы.

По типу индуктора, создающего в зоне обработки магнитное поле, все схемы МАП подразделяются на четыре группы:

1 – схемы с электромагнитными индукторами постоянного тока;

2 – схемы с электромагнитными индукторами переменного тока;

3 – схемы с электромагнитными индукторами трехфазного тока;

4 – схемы с индукторами на постоянных магнитах.

С учетом принятых нами обозначений каждой схеме магнитно-абразивного полирования или устройству для МАП может быть присвоен шифр, раскрывающий характерные признаки данной схемы полирования и ее технологические возможности. Например, шифр I-А-4 обозначает, что данная схема МАП позволяет осуществлять полирование наружных поверхностей вращения с помощью магнитного поля в рабочих зазорах формируется абразивный инструмент из магнитно-абразивного порошка и создаются силы резания, а необходимые рабочие движения сообщаются заготовке обычными средствами.

На рис. 1.10, а - д представлены примеры схем МАП I группы. Для обработки наружных цилиндрических или фасонных поверхностей вращения заготовку 1 помещают между полюсами электромагнита постоянного тока (рис. 1.10, а ). Зазоры между полюсами 2 и обрабатываемой поверхностью заполняют магнитно-абразивным порошком 3.

Рис. 1.10. Схемы МАП (I группа классификации): а) – обработка наружных цилиндрических поверхностей; б) — полирование наружных цилиндрических поверхностей вращения с консольным закреплением заготовки; в) – полирование винтовых поверхностей; г) – доводка рабочей поверхности резца; д) – полирование внутренней поверхности немагнитного контейнера; 1 , 5 , 10 – заготовка; 2 – полюса электромагнита; 3, 13, 15 4 – кольцевая ванна; 6, 7, 8, 12, 16 – электромагнитные катушки; 9, 14 – немагнитная камера; 11 – рабочая поверхность резца

При этом образуется своеобразный абразивный инструмент, копирующий форму обрабатываемой поверхности. Жесткостью этого инструмента можно управлять, изменяя напряженность магнитного поля в рабочих зазорах. Магнитное поле удерживает порошок в зазорах и прижимает его к обрабатываемой поверхности. Необходимые для полирования движения резания — вращение и осцилляцию вдоль оси - сообщают заготовке с помощью обычных электромеханических приводов.

На рис. 1.10, б показана схема полирования наружных цилиндрических и фасонных поверхностей вращения небольших диаметров с консольным закреплением заготовок. Обработке одновременно подвергают несколько заготовок 5, каждая из которых закреплена в отдельном шпинделе. Кольцевая ванна 4 выполнена из немагнитного материала и заполнена магнитно-абразивным порошком. По внутреннему и наружному периметрам ванны размещены полюсы электромагнитов противоположной полярности. При их включении порошок образует внутри ванны абразивный инструмент (среду) с регулируемой жесткостью. Заготовкам сообщают три рабочих движения: вращение вокруг собственных осей, осцилляцию вдоль оси и перемещение вдоль средней окружности кольцевой ванны.

Для полирования винтовых поверхностей предназначена схема, изображенная на рис. 1.10, в .

Здесь заготовку помещают внутрь цилиндрической немагнитной камеры 9, укрепленной между полюсами электромагнита 8 постоянного тока, который при включении сообщает магнитно-абразивной порошковой массе внутри камеры заданную жесткость. Выходные отверстия камеры соединены трубопроводом (на рисунке не показан). При вращении заготовки 10 полируемая резьба, как шнек, стремится вытеснить магнитно-абразивный порошок из камеры, а полированию преимущественно подвергается одна сторона профиля резьбы. Для увеличения давления внутри камеры на выходах из нее установлены дополнительные электромагнитные катушки 6 и 7 . Включенной должна быть одна из них (например, 7 ). При этом увеличивается сопротивление прохождению магнитно-абразивного порошка через выходное отверстие камеры и тем самым создается дополнительное давление в камере. Силы резания увеличиваются и более равномерно обрабатывается резьба по высоте профиля. Для обработки второй стороны профиля изменяют направление вращения заготовки 10. Одновременно изменяется направление движения порошка. Для создания дополнительного давления в камере необходимо выключить катушку 7 и включить катушку 6.

На рис. 1.10, г приведена схема доводки магнитно-абразивным способом рабочих поверхностей резца 11. Электромагнит 12 служит здесь для удерживания магнитно-абразивного порошка 13 между полюсами и для изменения его жесткости синхронно с вертикальными осцилляциями резца. При движении резца вверх электромагнит включается, при движении вниз — выключается. Такая синхронизация включений — выключений необходима для предотвращения затупления режущих кромок резца. Полирование внутренней поверхности немагнитного тонкостенного контейнера 14 предлагается осуществлять по схеме, изображенной на рис. 1.9, д . Порция магнитно-абразивного порошка 15 силами магнитного поля, наведенного электромагнитом 16, прижата к обрабатываемой поверхности и удерживается от вращения вместе с обрабатываемой деталью.

На рис. 1.11, а — е представлены схемы МАП, относящиеся к группе II. Осцилляция полюсных наконечников при полировании наружных поверхностей вращения (рис. 1.11, а ) сообщает силами магнитного поля дополнительные движения магнитно-абразивному порошку в рабочих зазорах взамен осцилляции заготовки (см. рис. 1.10, а ). Такая схема эффективна при магнитно-абразивном полировании на токарных станках, где для шпинделя не предусмотрено осциллирующее вдоль оси движение, а также при полировании массивных заготовок.

Полировать плоскости можно с помощью индуктора на постоянных магнитах (рис. 1.11, б). На рабочей торцовой поверхности индуктора 2 по кольцу расположены чередующиеся полюсники и постоянные магниты. Магнитно-абразивный порошок, закрепленный силами магнитного поля на торцовой поверхности индуктора, вращается вместе с индуктором и производит полирование поверхности поступательно движущейся заготовки. На рис. 1.11, в показана схема полирования линейчатой фасонной поверхности на заготовке 3 с помощью осциллирующего индуктора 4 на постоянных магнитах, сообщающего силы резания и осцилляции зернам магнитно-абразивного порошка, размещенного в рабочем зазоре. Схема полирования наружной сферической поверхности изображена на рис. 1.10, г . Магнитное поле в рабочих зазорах наводится электромагнитом 5 постоянного тока. Полирование осуществляется при вращении заготовки 6 и полюсных наконечников 7 ; последние передают вращение магнитно-абразивному порошку 8 в рабочих зазорах.

Рис. 1.11. Схемы МАП (II группа классификации): а) – полирование поверхностей вращения; б) – полирование плоскости; в) – полирование линейчатой фасонной поверхности; г) – полирование наружной сферической поверхности; д) – полирование внутренних беговых дорожек на кольцах шарикоподшипников; е) – обработка внутренней поверхности труб; 1, 3, 6, 9 – деталь; 2, 4 – индуктор; 5, 11, 12 – электромагнит; 7, 10 – полюсные наконечники; 8, 14 – магнитно-абразивный порошок; 13 – пазы корпуса

Полирование внутренних беговых дорожек на кольцах шарикоподшипников осуществляется при введении внутрь обрабатываемого кольца 9 — вращающегося полюса 10 электромагнита 11 с удерживающимся на периферии его полюса магнитно-абразивным порошком (рис. 1.11, д). С помощью вращающегося электромагнита можно обрабатывать внутренние поверхности труб. Электромагнит имеет несколько секций катушек 12 , размещенных в пазах корпуса 13 (рис. 1.11, е). При этом кольцевые участки 14 становятся противоположно заряженными полюсами, удерживают на себе магнитно-абразивный порошок и передают ему рабочее вращательное движение.

Дополнительно электромагнит перемещается вдоль оси трубы, увлекая за собой магнитно-абразивный порошок в рабочих зазорах.

В схемах группы III магнитное поле перемещает порошковую абразивную массу внутри заготовки или снаружи. При перемещениях порошка зерна ударяются об обрабатываемую поверхность или скользят по ней, осуществляя полирование (рис. 1.12, а — в ). Например, предложено обрабатывать отверстия во втулке (трубе) 1, поместив туда магнитно-абразивный порошок 2 и заставив его вращаться с помощью вращающегося магнитного поля, созданного трехфазным электромагнитным индуктором 3 (рис.1.12, а ). Реальность движения порошковой массы, обладающей очень высоким электрическим сопротивлением, представляется весьма сомнительной. Тем не менее зафиксировано уже несколько изобретений, предлагающих аналогичный принцип обработки.

На рис. 1.12, б показана работоспособная схема МАП, относящаяся к этой же группе. Заготовку 4 произвольной формы закрепляют внутри немагнитного контейнера 5, окруженного электромагнитами 6. При поочередных импульсных включениях электромагнитов масса магнитно-абразивного порошка 7 перемещается внутри контейнера по направлению к включенному в данный момент электромагниту. На рис. 1.12, в показана аналогичная схема обработки нижней поверхности листового материала 8, протягиваемого между электромагнитом 9 и контейнером 10, содержащим магнитно-абразивный порошок 11. При импульсных включениях электромагнита порошок поднимается вверх и ударяется об обрабатываемую поверхность.

В схемах группы IV магнитное поле используют для приведения в движение заготовок либо для создания сил резания в контакте немагнитного абразивного инструмента с обрабатываемой поверхностью.

Рис. 1.12. Схемы МАП (III группа классификации): а) – обработка отверстия во втулке; б) – обработка заготовки произвольной формы; в) – обработка нижней поверхности листового материала; 1 – втулка; 2, 7, 11 – магнитно-абразивный порошок; 3 – трехфазный электромагнитный индуктор; 4 – заготовка; 5, 10 – немагнитный контейнер; 6, 9 – электромагнит

При этом необходимые усилия создаются магнитным притяжением или взаимодействием индукционных токов в заготовке (инструменте) с наведенным в рабочей зоне магнитным полем (рис. 1.13, а — г ).

На установке, изображенной на рис. 1.13, а , заготовки 5 размещаются на неподвижном барабане 4, покрытом абразивом, удерживаются на нем и прижимаются к нему силами магнитного поля, создаваемого электромагнитом постоянного тока 5 . Заготовки, намагничиваясь одноименно, не соприкасаются друг с другом и располагаются на поверхности барабана группами, благодаря выступам на торцах сердечников 2 электромагнитов 1. При одновременном вращении сердечников 2 и электромагнита 3 от двигателя 6 заготовки 5 обкатываются по абразивной поверхности барабана 4, а вращение электромагнитов 1 с зубцами на торцах сердечников заставляет заготовки осциллировать вдоль оси. Имеется опыт полирования заготовок из незакаленной стали марки У8А диаметром 2-5 мм. Снижение параметра шероховатости от R a = 0,8÷1 мкм до R a = 0,08÷0,15 мкм на заготовках диаметром 2 мм достигается за 3 мин (отнесенных к одной заготовке), для достижения R a = 0,01÷0,04 мкм на заготовках диаметром 5 мм потребовалось 5 мин.

На рис. 1.13, б показана схема магнитно-абразивного полирования поверхностей вращения, не требующая закрепления заготовок. Заготовка 7 из питающего бункера попадает в рабочее пространство между двумя линейными трехфазными статорами 8 и 10, активные плоскости которых армированы абразивом (брусками, полотном). Если абразивные обкладки 9 расположить параллельно, то заготовка под действием электродинамических сил начнет вращаться и, обкатываясь по одной из обкладок, будет двигаться вдоль межстаторного пространства. Полируемая поверхность при этом будет проскальзывать по второй абразивной обкладке. Если на пути заготовки поставить преграду или (как это показано на рисунке), поворотом статора 10 расположить обкладки не параллельно, то заготовка будет вращаться на одном месте. При этом поверхность вращения ее будет соприкасаться с абразивными обкладками и полироваться. По окончании полирования статор 10 поворотом отводят, и заготовка самостоятельно «уходит» из рабочей зоны. Для полирования таких же заготовок предлагается в зоне между двумя линейными трехфазными статорами сообщать заготовкам — роликам вращение и поступательное движение. При движении по замкнутому треку, заполненному абразивной суспензией, заготовки подвергаются полированию. – постоянные магниты; 19 – головка шпинделя

На рис. 1.13, в приведена схема обработки внутренней поверхности трубы 11 абразивными брусками 12. Бруски выполнены подвижными в корпусе 13 и с помощью резинового баллона 14 со сжатым воздухом прижаты к обрабатываемой поверхности. Вращение корпусу 13 с абразивными брусками передается от вращающегося магнитного поля, наводимого статором трехфазного тока 15 и взаимодействующего с полем электромагнита 16, который закреплен на корпусе 13. При продольном перемещении трубы абразивная головка остается на месте, удерживаемая полем статора 15. На рис. 1.13, г представлена схема обработки отверстия брусками 17, закрепленными на постоянных магнитах 18. Бруски размещены в сквозном пазу го­ловки 19 и обращены друг к другу одноименными полюсами. Отталкивание магнитов друг от друга создает нормальные составляющие силы резания.

Схемы магнитно-абразивного полирования группы V включают в себя известные способы абразивной обработки, дополненные наведением в зоне обработки магнитного поля. Так, при шлифовании заготовку 1 можно закреплять между полюсами электромагнита 2 переменного тока. Благодаря снижению предела текучести обрабатываемого материала при доведении его до магнитного насыщения улучшается качество обработки и снижается износ абразивного круга (рис.1.14, а ).

Разместив электромагнит 5 под обрабатываемым листовым материалом 4, при пескоструйной обработке можно получить более равномерное качество поверхности, если использовать ферромагнитный абразивный порошок (рис. 1.14, б). Ферромагнитные частицы, вылетающие из сопла 3 вместе со сжатым воздухом, заряжаются в магнитном поле одноименной полярностью и, отталкиваясь друг от друга, создают поток с более равномерной по сечению плотностью. Следы соударений частиц с обрабатываемой поверхностью имеют одинаковую форму.

Рис. 1.14. Схемы МАП (V группа классификации): а) – обработка заготовки закрепленной между полюсами электромагнита; б) – пескоструйная обработка с использованием ферромагнитного абразивного порошка; 1, 4 – заготовка; 2, 5 – электромагнит; 4 – сопло

Магнитно-абразивная обработка

Резюме. Рассмотрены вопросы разработки технологий и создания оборудования для финишной обработки поверхностей с использованием магнитно-абразивного метода. Показана возможность его применения как для простых, так и сложных по форме деталей из различных материалов - металлов и сплавов, керамики, монокристаллов и др. Ключевые слова: магнитно-абразивная обработка, полирование, формообразование.

Компания «Полимаг» имеет большой опыт разработки оригинальных эффективных технологий и создания специального оборудования различной степени сложности для финишной обработки (чаще всего магнитно-абразивной) изделий, применяемых в машино- и приборостроении, оптической, электронной и других отраслях промышленности.

Процесс магнитно-абразивной обработки (МАО) осуществляет ферроабразивный порошок, уплотненный магнитным полем. Принципиальное отличие МАО от традиционных абразивных методов - отсутствие связки, что позволяет формировать режущий контур из абразивных элементов непосредственно у поверхности, а количество рабочих микро- и субмикроэлементов на единицу площади при этом во много раз больше, чем при шлифовании. В то же время при МАО преобладают процессы субмикроцарапания, упругопла-стического сдвига металла и микровыглаживания поверхности,

Николай Хомич,

директор научно-инженерного предприятия «Полимаг», кандидат технических наук

значения нагрева и давления в зоне обработки значительно ниже. Температура в месте контакта ферроабразивного зерна и детали не превышает 150 °C, не образуются дефекты, свойственные абразивной обработке. При МАО очень важна роль применяемого импульсного магнитного поля. Оно вызывает проявление в приповерхностном слое образца магнитно-пластического, магнитоэлектрического и магнитострикционного эффектов. Под их воздействием приводятся в движение (подобное броуновскому) слабозакрепленные дефекты структуры (дислокации, дисклинации, ротации и др.), образовавшиеся в ходе предше-

ствующей операции обработки детали. Значительная их часть выходит на поверхность, а «мягкая щетка» из ферроабразивного порошка формирует нанорельеф с незначительной шероховатостью и приповерхностный слой с минимумом дефектов структуры - потенциальных очагов разрушения материала детали.

Метод отличается высокой универсальностью и простотой реализации и обслуживания. Благодаря различным конструктивным исполнениям элементов рабочей зоны и широкому выбору кинематических схем можно успешно обрабатывать как простые, так и сложные по форме поверхности - цилиндрические наружные и внутренние, плоские, тел вращения с криволинейной образующей, винтовые с различным профилем, сложнофасонные и др. При этом возможность использования разнообразных по составу и свойствам технологических сред в процессе МАО позволяет обрабатывать изделия из различных материалов в широком

Наномир структур и явлений

диапазоне - металлы и сплавы, керамику, монокристаллы и др.

В зависимости от предъявляемых требований магнитно-абразивным способом можно осуществлять полирование или зачистку детали, а также модификацию приповерхностного слоя. Магнитно-абразивное полирование (МАП) обеспечивает качественную поверхность с низкой шероховатостью (от микро-до наноуровня) с минимальным количеством дефектов структуры. В свою очередь зачистка удаляет загрязнения и изначальную окисную пленку, формируя взамен нее аналогичную тонкую новую, которая с течением времени практически не растет и предохраняет основной материал от коррозии. Магнитно-абразивная модификация создает барьерный приповерхностный слой путем внесения в него определенных легирующих элементов и обеспечения оптимального напряженно-деформированного состояния.

Таким образом, метод МАО может обеспечивать требуемое качество и специальные эксплуатационные свойства поверхности изделий - сопротивление коррозии, износу и механическому разрушению.

На предприятии «Полимаг» большое внимание уделяется исследованиям и разработкам в области супертонкой обработки деталей оптики, лазерной техники и микроэлектроники.

Для магнитно-абразивного полирования плоских, сферических и асферических поверхностей с целью улучшения макрогеометрии и снижения шероховатости создана программно управляемая установка модели А09 (рис. 1). Основные ее технические характеристики приведены в табл. 1.

Параметры МАП вводятся в ЧПУ установки А09 по данным интерферограммы исходной (механически полированной)

Диаметр обрабатываемой детали, мм 10...100

Толщина обрабатываемой детали, мм 0,5.. .30,0

Частота вращения магнитного индуктора, с-1 5.25

Шероховатость после МАП, Рэ, нм < 2

Точность формы обработанной детали, мкм 0,01.0,05

Время обработки, мин 3. 15

Потребляемая мощность, кВт 1,5

Габаритные размеры ДхШхВ, мм 700x600x500

Масса, кг 80

поверхности. Процесс осуществляется путем автоматического сканирования образца эластичным магнитно-абразивным инструментом, а съем материала происходит избирательно на выступающих участках поверхности. Например, МАП плоской пластины из оптического стекла диаметром 28 мм позволило за 6 мин. снизить параметр макрогеометрии РУ с 158 нм до 30 нм и уменьшить шероховатость с 20 до 1,4 нм.

В 2015 г. запланировано завершить работы по созданию установки А14, превосходящей по технологическим возможностям установку А09 и позволяющей полировать детали размерами от 20х20 до 200х200 мм с обеспечением Б.а < 1 нм (для отдельных задач Б.а < 0,2 нм).

Общий вид установки А14 представлен на рис. 2.

На предприятии разработаны и реализованы на практике технологии и оборудование для магнитно-абразивной обработки (модификация, полирование) наружных и внутренних поверхностей труб из циркониевых сплавов диаметром 6-15 мм -оболочек тепловыделяющих элементов атомных реакторов. Основная задача - повышение коррозионной стойкости и качества поверхности, а также замена традиционно используемого процесса травления труб во фтористо-водородных растворах, применение которых экологически небезопасно. Исследования процесса магнитно-абразивной

модификации циркониевых компонентов, в том числе реакторные испытания модифицированных оболочек твэлов, показали перспективность его промышленного применения в атомном машиностроении. Разработанная технология и установка Т15 (рис. 3) используются в Инсти-

Основные

технические

характеристики

установки

Рис. 1. Установка А09

Рис. 3. Рабочий модуль установки Т15

Табл. 2. Основные технические характеристики установки Т15

VO Установки

"Z для магнитно-

2 S абразивной

< сс О обработки

Наименование показателя Значение показателя

Диаметр обрабатываемой детали, мм 6...15

Длина обрабатываемой детали, м 0,7...5

Шероховатость после МАП, Ра, мкм < 0,2

Размерный съем металла, мкм 10.30

Скорость обработки, м/мин 0,5.1,5

Потребляемая мощность, кВт 2,5

Габаритные размеры ДхШхВ, м 11,5x0,6x1,3

Масса, кг 200

туте промышленных ядерных технологий Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», а также проходят апробацию на предприятиях Росатома. Технические характеристики установки Т15 приведены в табл. 2.

Заслуживает внимания установка МК12 (рис. 4 а) для магнитно-абразивного полирования сложных поверхностей компрессорных лопаток из титановых сплавов и жаропрочных сталей. Основными задачами здесь являются повышение эксплуатационных свойств лопаток - сопротивления коррозии, эрозии и знакопеременным механическим нагрузкам, что будет способствовать повышению безопасности эксплуатации летательных аппаратов, а также замена ручного труда рабочих на финишных операциях обработки данных изделий. Указанные технология и устройства используются компанией «Мелита-К» (Казань, Россия), а также планируется их внедрение на предприятиях Минавиапрома Российской Федерации.

Разработаны и применяются в производстве технология и установка П12 (рис. 4 б) для магнитно-абразивного полирования торцевых поверхностей пуансонов из инструментальных сталей для прессования таблеток из сыпучих материалов, в том числе лекарственных препаратов. Основная задача - повышение качественных характеристик рабочих поверхностей, а также автоматизация процесса. Данные технология и оборудование используются на предприятии «Точная механика» (Минск) в производстве пуансонов различного применения.

Установка М14 (рис. 4 в) осуществляет магнитно-абразивную зачистку кромок изделий из алюминиевых и других сплавов перед сваркой. В ходе операций удаляются оксидные пленки, формируется поверхность с минимумом дефектов структуры и высокой коррозионной стойкостью. Обработанные детали с течением времени практически не окисляются и пригодны к сварке в течение 30 суток и более (в случае подготовки химическим травлением этот срок составляет лишь 8 часов). Установка содержит 3 наладки,

позволяющие помимо зачистки кромок полировать плоские и цилиндрические поверхности.

Проводятся исследования и разрабатываются способ и установка для магнитно-абразивного полирования твердосплавных сменных многогранных пластин с наконечниками из кубического нитрида бора с целью обеспечения заданного радиуса округления режущей кромки и повышения качества всей поверхности пластины перед нанесением покрытий. В этой технологии заинтересованы многие предприятия, изготавливающие инструменты различного назначения.

Также ведутся работы по созданию способов и устройств для магнитно-абразивного полирования внутренних поверхностей волноводных труб из медных сплавов СВЧ-устройств РЛС. Внедрение данной технологии и оборудования планируется на предприятиях концерна ПВО «Алмаз-Антей» (Россия).

Организовано производство по изготовлению технологических сред (ферроабразивных порошков, абразивных суспензий) для магнитно-абразивной обработки различных материалов, завершается создание опытно-промышленного участка по серийному выпуску оборудования.

В настоящее время компанией «Полимаг» выполняются НИОКР, развивается сотрудничество с заказчиками из стран СНГ, ЕС, а также из Китая. СИ

See: http://innosfera.by/2015/06/ Magnetic_abrasive_machining

Введение

Состояние поверхностей и приповерхностного слоя деталей и режущих инструментов в значительной мере определяют их эксплуатационные свойства.

Для изделий и инструментов, к которым предъявляются требования долговечности и надежности, важны такие характеристики поверхности, как: коэффициент трения, длительность приработки, износостойкость, наличие дефектов в виде микротрещин, внутренние остаточные напряжения, коррозионная стойкость.

Для других изделий могут оказаться важными светоотражающие свойства поверхности, ее способность поглощать газы и атомные частицы, электрическая и магнитная проводимость поверхностного слоя.

Общеизвестно, что физико-химические и механические свойства приповерхностного слоя могут существенно отличаться от свойств основного материала детали. При этом окончательные свойства поверхности являются результатом воздействия на деталь в процессе ее изготовления и особенно на финишных операциях.

Возрастающие и расширяющиеся требования к поверхностям вызывают потребность совершенствовать существующие технологические способы, расширяющие возможности отделочной и упрочняющей технологии.

Отдельное внимание приходится уделять состоянию поверхностей режущих инструментов, поскольку от них зависит стойкость и расход инструментов, а также производительность, качество обработки инструментами, стабильность ее результатов.

Появление магнитно-абразивного полирования (МАП) и магнитной обработки (МО) деталей и инструментов является следствием названных выше тенденций.

Первые предложения использовать магнитное поле для абразивной обработки относятся к 1938 году.

Первые публикации об исследованиях и применении абразивной обработки с использованием магнитного поля появились в 60-х годах ХХ столетия и принадлежат советским ученым: Барону Ю.М., Верезубу В.Н., Герасеменку Ю.В., Хохлову Б.А., Шальнову В.А., Шулеву Г.С.

Большой вклад в эту работу внесли: Калининградский технологический институт рыбной промышленности и хозяйства, Ленинградский политехнический институт, Физико-технический институт А.Н. БССР, Уфимский авиационный институт, Московский технологический институт легкой промышленности, Институт проблем материаловедения А.Н. УССР, Институт сверхтвердых материалов А.Н. УССР.

В процессе магнитно-абразивного полирования обрабатываемый материал подвергается: механическому абразивному воздействию; воздействию переменного по величине и направлению магнитного поля, которое благоприятно отражается на эксплуатационных свойствах поверхностного слоя изделий.

Это обстоятельство позволяет магнитную обработку выделить в самостоятельный способ упрочняющей обработки .

1. Разновидности магнитно - абразивной обработки

1.1 Удаление заусенцев

Рисунок 10.1 - Схема МАО по удалению заусенцев

Заготовка, совершая движение осцилляции в вертикальном направлении, двигается поступательно со скоростью в межполюсном пространстве электромагнита, заполненном ферромагнитным абразивным порошком.

Таким способом на заготовках из стали марки 10Х18Н9Т исходные заусенцы (после вырубки) высотой 0,2...0,4 ммудаляются полностью за 12...15 с машинного времени.

Ферромагнитный абразивный порошок – крошка закаленного чугуна зернистостью 1000/630 мкм.

1.2 Скругление кромок и удаление заусенцев в рассверленных

отверстиях.

Рисунок 10.2 - Схема скругления кромок

1 – пластина; 2 – заготовка;

3 – ферромагнитный абразивный порошок;

Пластина 1 с заготовкой 2 устанавливается в межполюсное пространство электромагнита. Туда же засыпается ферромагнитный абразивный порошок.

Пластина вместе с заготовкой совершает рабочее движение – осцилляцию с частотой с -3 . Один полюс электромагнита вращается с частотой n =12...23 с -3 . При вращении он увлекает вместе с собой ферромагнитный абразивный порошок 3, осуществляющий удаление заусенцев и скругление кромок [Патент 112092 ГДР].

1.3 Очистка катаной проволоки от окалины

Рисунок 10.3 - Схема очитки проволоки

1 – проволока; 4 – воронка подвижная;

2 – бункер для абразивного порошка; 5 – электропривод;

3 – воронки неподвижные; 6 – электромагнитная катушка.

Проволока 1 с высокой скоростью протягивается через воронки 3 и 4, заполняемые ферромагнитным абразивным порошком из бункера 2.

Воронки (не магнитные) размещены внутри электромагнитных катушек 6, питаемых постоянным током.

Для повышения интенсивности очистки проволоки нижнюю воронку 4 приводят во вращение с помощью электропривода 5.

1.4 Очитка печатных плат

В процессе изготовления и последующей эксплуатации на печатных платах (на медном покрытии) появляются оксидные пленки, которые ухудшают их электропроводность. Периодически оксидную пленку необходимо удалять. Для этого применяется следующий способ (рисунок 10.4):

Рисунок 10.4 - Схема очистки печатных плат

1,2 – полюсы электромагнита; 3 – печатная плата;

4 – ферромагнитный порошок.

Полюсы электромагнита выполнены в виде рифленых валиков 1 и 2, вращающихся с определенной окружной скоростью навстречу друг другу. В зазоре между ними протягивается загрязненная печатная плата 3, на которую подается ферромагнитный порошок 4. За счет магнитных сил порошок постоянно находится на ведущем валике 1 и удаляет оксидную пленку с печатной платы 3.

1.5 Получение рельефных изображений на поверхностях

Рисунок 10.5 - Схема получения рельефных изображений на поверхностях

1 – соленоид; 5 – форма;

2 – немагнитная труба; 7,10 – полюсы электромагнита;

3,6 – сердечники; 8 – шаблон;

4 – заготовка; 9 – заготовка.

Внутри соленоида 1 размещают немагнитную трубу 2 с вмонтированными в ней сердечниками 3 и 6. Над заготовкой 4 из хрупкого материала располагают форму 5, полость которой своим контуром повторяет контур будущего рельефного изображения. Полость заполняют кусочками постоянных магнитов. Поверхность каждого кусочка покрыта абразивным слоем.

При подключении соленоида к источнику переменного тока магнитики внутри полости формы 5 получают вертикальные перемещения и производят абразивную обработку. (Это устройство может быть использовано для сверления сквозных отверстий в хрупких материалах).

Напряженность магнитного поля составляет 10...100 А/м, а частота импульсов – 10 4 ...10 5 Гц.

Рисунок 10.5 – в .

Здесь заготовку 9 с шаблоном 8 помещают между вращающимися полюсами электромагнитов 7 и 10. Пространство между обрабатываемой поверхностью и верхним полюсом заполнено ферромагнитным абразивным порошком. Заготовке сообщают возвратно - поступательное движение. При этом порошок осуществляет удаление определенного припуска с участков верхней поверхности заготовки, не защищенных шаблоном.

1.6 Измельчение материалов

Установка для измельчения материалов устроена следующим образом.

Рисунок 10.6 - Схема устройства для измельчения материалов

1 – соленоид; 2 – сердечник; 3 – контейнер.

Внутри соленоида 1 размещается сердечник 2 и на нем контейнер 3 из немагнитного материала.

В контейнер помещают смесь измельчаемого материала и постоянных магнитов с абразивным покрытием. При включении переменного магнитного поля магнитным частицам сообщается движение со значительными амплитудами. В контейнер дополнительно подают циркулирующую жидкость.

С помощью наложения магнитного поля можно интенсифицировать галтовку, виброабразивную, пескоструйную обработку.

Например, при включении электромагнита 1 (рисунок 10.7), охватывающего вибрирующий контейнер 2, импульсное или вращающееся магнитное поле препятствует движению ферромагнитных заготовок вместе с абразивной средой.

Рисунок 10.7 - Схема установки для интенсификации обработки с помощью наложения магнитного поля

1 – электромагнит; 2 – контейнер; 3 – вибратор.

В результате увеличивается скорость перемещения абразивных элементов относительно заготовок и увеличивается производительность виброабразивной обработки.

В случае немагнитных заготовок для получения аналогичного эффекта абразивная среда должна обладать ферромагнитными свойствами.

Наиболее распространенной областью применения магнитно-абразивной обработки (МАО) является снижение шероховатости на обрабатываемых поверхностях с одновременным повышением качественных характеристик поверхностного слоя.

Совокупность способов, преследующих именно эти цели, называется магнитно-абразивным полированием (МАП).

2. Магнитно-электрическое шлифование

Сущность магнитно-электрического шлифования (МЭШ) заключается в том, что электропроводный шлифовальный круг вводится в контакт с обрабатываемой поверхностью детали, а на круг и деталь подается постоянный электрический ток, причем зона обработки помещается в магнитное поле, вектор магнитной индукции которого перпендикулярен вектору электрического тока. Деталь и шлифовальный круг приводятся во вращение с разной угловой скоростью.

Рисунок 10.8 - Схема магнитно-электрического шлифовани.

Физическая сущность МЭШ заключается в следующем:

1) При контакте инструмента-круга с поверхностью обрабатываемой детали замыкается электрическая цепь «круг-деталь», при этом происходят все физические явления, свойственные контактной магнитно-электрической обработке (МЭО) (разогрев поверхности, ее размягчение, расплавление, выброс расплава и пластичного материала).

2) При контакте абразивного круга с обрабатываемой поверхностью образуется стружка, которая по мере движения зерна увеличивается и замыкает межэлектродный промежуток δ между деталью и кругом.

Рисунок 10.9 - Схема взаимодействия зерна круга с деталью

Такое короткое замыкание приводит практически к мгновенному ее расплавлению, распылению магнитным полем и удалению продуктов расплава с большой скоростью из зоны обработки, при этом очищается зерно и круг не засаливается, а расплав нагревает и обрабатывает набегающую поверхность детали.

При подобном явлении сзади стоящего (последующего) зерна расплав и пластичный материал создают дополнительную опору задней поверхности зерна, увеличивая режущую способность, так как может воспринимать большее усилие.

Исследованием было установлено, что абразивные зерна обладают пьезоэлектрическим эффектом (изменением объемов при наложении разности потенциалов; либо изменение потенциала при его деформации).

Так как процесс протекает при импульсном токе разных частот и гармоник, то зерна вибрируют, осциллируя с той же частотой, что интенсифицирует процесс шлифования, улучшает качество поверхности и изменяет физико-механические свойства.

Пользуясь этим эффектом, можно управлять процессом МЭШ, так как наибольший импульс происходит при разрушении зерна.

Если звук усиливать через усилитель, то можно услышать как зерно «кричит», что сигнализирует о его предельной режущей возможности.

Так как часто в качестве абразивного материала шлифовальных кругов используется электрокорунд (Al 2 O 3 -рубин), то при наложении электрического потенциала магнитного поля происходит возбуждение энергии кристалла (его «накачка»), следовательно, он может излучать кванты энергии.

Это в свою очередь воздействует на обрабатываемую поверхность, интенсифицирует процесс, дополнительно снимает материал детали и приводит к изменениям физико-механических свойств поверхности.

Все эти основные факторы позволяют вести процесс шлифования с производительностью значительно выше производительности обычного шлифования.

2.1 Особенности абразивного резания при магнитно абразивном полировании

Схема перемещения зерен порошка в рабочей зоне при наружном круглом полировании дана на рисунке 10.10:

Рисунок 10.10 - Схема перемещения зерен порошка в рабочей зоне

Заготовка 1 размещается между полюсами магнитного индуктора. Пространство между полюсами индуктора частично или полностью заполнено магнитно-абразивным порошком. Это - рабочая зона. Пространство между полюсами индуктора и обрабатываемой поверхностью называется рабочим зазором.

Порция магнитно-абразивного порошка при включении магнитного поля удерживается силами магнитного поля в рабочем зазоре, оказывается прижатой к обрабатываемой поверхности и при вращении заготовки относительно индуктора (или наоборот) осуществляет полирование.

При этом удаляется припуск и формируется поверхность с новым микрорельефом и измененными физико- механическими свойствами поверхностного слоя.

Механизм образования резания (зафиксированный с помощью скоростной киносъемки) сводится к следующему.

Вся порция порошка в рабочем зазоре под действием сил трения со стороны двигающейся заготовки смещается к выходу из рабочего зазора и уплотняется, встречая там основное противодействие со стороны магнитного поля.

Силы трения между зернами и поверхностью полюса помогают магнитному полю удерживать порошок внутри рабочего зазора. Не связанные между собой зерна порошка перемещаются внутри рабочего зазора.

В частности, граничащие с заготовкой зерна «а» медленно двигаются к выходу из рабочего зазора. Скорость зерна значительно меньше скорости обрабатываемой поверхности. При скорости обрабатываемой поверхности в пределах 0,...2,1 м/с скорость зерна составляет всего лишь 0,01...0,02 м/с, то есть меньше в 60...105 раз.

С учетом этого отношения можно принять, что скорость резания – это есть разность между скоростями обрабатываемой поверхности и зерна.

Подойдя к границе рабочего зазора, каждое из зерен «а» может либо остановиться (совершая здесь колебательные движения вдоль дуги окружности), либо выйти из рабочего зазора вместе с обрабатываемой поверхностью.

При небольшой частоте вращения заготовки эти зерна могут переходить в противоположный зазор вместе с вращающейся поверхностью заготовки.

При увеличении скорости заготовки на переходящие зерна действуют увеличенные центробежные силы, которые совместно с магнитными силами заставляют переходящие зерна отрываться от заготовки и оседать на нерабочих поверхностях полюсов.

Разбрасывание зерен является одной из причин постепенного снижения интенсивного удаления припуска с увеличением длительности полирования.

Свободные места зерен «а» могут занимать зерна «в» (кратковременно) из более глубоких слоев порошковой массы.

На каждое зерно действует сила резания Р z (если зерно внедрилось в поверхность и осуществляет микрорезание), либо силы трения F тр .

Рисунок 10.11 - Силы, действующие на зерно

Эти силы стремятся увлечь контактирующее зерно вместе с двигающейся поверхностью и повернуть его относительно собственного момента инерции. Движению зерна вместе с поверхностью заготовки и их поворотам препятствуют окружающие зерна, которые под действием сил магнитного поля образуют достаточно плотную массу.

Если сила резания превысит сопротивление повороту зерна (из-за увеличенной микронеровности), то такое зерно поворачивается и в контакт с заготовкой вступают его новые участки и новые режущие кромки.

Именно этими поворотами объясняется прерывистый характер рисок - следов абразивного резания на поверхности заготовки.

При сообщении порошковой массе дополнительных движений с помощью осцилляции (колебаний) заготовки (или полюсов) или пульсирующего магнитного поля контакт зерен с заготовкой приобретает более прерывистый характер.

Силы трения F тр уменьшаются и порошок лучше удерживается магнитными силами в рабочем зазоре.

Одновременно увеличивается подвижность зерен внутри рабочих зазоров и интенсифицируется вступление в контакт с заготовкой новых режущих кромок. Это явление называется самозатачиванием порошковой массы.

Естественно, в процессе полирования происходит постепенное разрушение зерен путем вырывания из ее мягкой ферромагнитной основы зерна (матрицы) вкрапленных в нее режущих центров или путем истирания матрицы. При этом тоже происходит обнажение новых режущих кромок.

Зерна ферромагнитного порошка в процессе полирования контактируют с заготовкой разными участками своей поверхности, отличающимися твердостью и геометрической формой, а значит и разной способностью производить резание.

Обработанная поверхность представляет собой совокупность рисок - следов резания и выглаженных участков. Направление рисок определяется скоростями рабочих движений заготовки и магнитного индуктора.

2.2 Стружкообразование

Установлено, что 9...15% объема царапин удалено диспергированием (лат. Dispergo -рассеиваю), тонким измельчением металла в стружку, а остальной объем металла вытеснен из царапин пластически в боковые навалы.

Соотношение размеров стружки - длины и толщины, лежит в пределах 5...20. На их поверхности видны отдельные сильно деформированные элементы. Следов оплавления стружек не обнаружено.

При одинаковых размерах радиуса кривизны стружек МАП на порядок меньше (т.е. в 10 раз), чем у стружек, полученных при шлифовании абразивной лентой.

Это косвенно свидетельствует о более высокой степени пластических деформаций измельченного металла в процессе магнитно-абразивного полирования.

Результатом пластического деформирования поверхности является повышение твердости тонкого приповерхностного слоя и образование в нем остаточных напряжений сжатия.

В теории абразивной обработки установлено, что стружкообразование возможно при определенном соотношении между глубинно h внедрения режущих вершин зерен абразивного инструмента в обрабатываемую поверхность и радиусов округлений этих вершин.

Для инструментальной стали У8 (отожженной) это соотношение лежит в следующих пределах: .

При меньшем соотношении возможно лишь пластическое или упругое деформирование.

Для МАП характерно внедрение зерен h ≤0,1...0,4 мкм. Для порошка 23АМ40Fe (белый электрокорунд с зернистостью М40) вершин зерен должен составлять 3...4 мкм.

Образование стружки при МАП сталей (в отличие от шлифования) происходит при ε≤0,005...0,13, то есть при более неблагоприятных условиях.

И силы, необходимые для стружкообразования, при МАП оказываются меньше, чем при шлифовании.

Для МАП ферромагнитных сталей давление порошка на обрабатываемую поверхность составляет 0,3...0,2 МПа.

При пересчете этих давлений к отдельному контактирующему зерну усилие, определяющее внедрение зерна в обрабатываемую поверхность, может составлять 0,025...0,125 Н.

Присутствие в СОЖ поверхностно-активных веществ снижает поверхностную энергию металла, снижает работу, необходимую на разрушение и пластическое деформирование поверхности, увеличивая микротрещины, предразрушает поверхностный слой.

В этом случае производительность МАП резко увеличивается.

Увеличение скорости резания (скорости деформации) сопровождается упрочнением разрушаемого материала. Глубина внедрения зерен порошка в обрабатываемую поверхность автоматически уменьшается и съем металла на одинаковом пути резания уменьшается.

С учетом изложенных особенностей МАП глубина внедрения зерен порошка в обрабатываемую поверхность может быть выражена зависимостью степенного вида:

мкм (10.2)

где – коэффициент, учитывающий изменение прочностных свойств поверхностного слоя по сравнению с основным обрабатываемым материалом (в результате воздействия СОЖ, скорости деформации, предварительного наклепа...);

– сила, прижимающая зерно, Н;

r – радиус вершин зерна, мкм;

Н – твердость обрабатываемого материала;

– коэффициент, учитывающий изменение твердости материала в присутствии переменного магнитного поля;

m,r,s – показатели степени.

3. Контрольные вопросы

1. Когда начали применять магнитное поле для абразивной обработки материалов?

2. Разновидности магнитно-абразивной обработки.

3. Какова сущность магнитно-электрического шлифования?

4. В чем состоят особенности абразивного резания при магнитно-абразивном полировании?