CC BY
12
DOI: 10.53078/20778481 2022 1 31
УДК 621.9.044
М. П. Кульгейко, Н. М. Симанович, Г. С. Кульгейко
К ВОПРОСУ О ВОЗМОЖНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ СОВМЕЩЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ МАГНИТНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ
M. P. Kulgeyko, N. M. Simanovich, G. S. Kulgeyko
ON THE POSSIBILITY OF USING THE COMBINED TECHNOLOGY OF MAGNETOELECTRIC PROCESSING TECHNIQUES
Аннотация
В работе представлен вариант исполнения технологического модуля для совмещенной магнитно-электрической обработки. Предложенное техническое решение позволяет реализовать в одном устройстве (совмещение в пространстве) процесс магнитно-абразивной обработки и магнитно-электрического упрочнения. При этом оба процесса могут осуществляться одновременно (совмещение во времени) с достижением синергетического эффекта, что обеспечивает повышение эффективности технологии формирования поверхностного слоя обрабатываемой детали с заданными свойствами.
Ключевые слова:
совмещенные технологии, технологический модуль, магнитно-абразивная обработка, магнитно-электрическое упрочнение.
Для цитирования:
Кульгейко, М. П. К вопросу о возможности реализации совмещенной технологии магнитно-электрических способов обработки / М. П. Кульгейко, Н. М. Симанович, Г. С. Кульгейко // Вестник Белорусско-Российского университета. - 2022. - № 1 (74). - С. 31-38.
Abstract
The paper presents the version of the technological module for combined magnetoelectric processing. The proposed technical solution makes it possible to realize the process of magnetic-abrasive treatment and magneto-electric hardening in one device (by combining in space). Furthermore, the two processes can be carried out simultaneously (by combining in time), thus achieving a synergistic effect, which provides an increase in the efficiency of the technology used for forming a surface layer of the workpiece with specified properties.
Keywords:
combined technologies, technological module, magnetic-abrasive treatment, magnetoelectric hardening.
For citation:
Kulgeyko, M. P. On the possibility of using the combined technology оf magnetoelectric processing techniques / M. P. Kulgeyko, N. M. Simanovich, G. S. Kulgeyko // The Belarusian-Russian university herald. -2022. - № 1 (74). - P. 31-38.
Введение
В настоящее время одним из главных и основополагающих методологических подходов к созданию современных технологий является принцип совмещенности [1]. Совмещение отдельных процессов обработки - важный
фактор повышения эффективности производства за счет сокращения длительности производственного цикла, числа рабочих мест, уменьшения количества необходимых процессов и операций. Вместе с тем, совмещенность технологий направлена на решение проблем создания качественно новых объектов, из-
© Кульгейко М. П., Симанович Н. М., Кульгейко Г. С., 2022
делий с заданными функциональными свойствами.
Реализация принципа совмещенности предполагает не просто объединение объектов или только суммирование выполняемых ими функций. Речь идет о совмещенности выполнения функций объектами во времени и в пространстве при сокращении их общего количества. Это достигается за счет эффекта совместного действия, т. е. синергетического эффекта. И в этом смысле принцип совмещенности является методологической основой не только создания, но и развития техники и технологии [1].
Постановка задачи
Совмещенные технологии позволяют осуществлять на одном рабочем месте разнохарактерные процессы за счет совмещения их функциональных назначений. Это возможно в условиях преемственности и взаимосвязанности технологий. К таким технологиям относятся, в частности, магнитно-электрические процессы обработки [2].
Магнитно-электрические способы обработки представляют собой комплекс взаимосвязанных технологий, характеризующихся рядом общих условий их реализации, т. к. они базируются на использовании одних и тех же энергетических факторов: магнитного поля, электрического тока и механического силового воздействия. Магнитно-абразивную обработку (МАО) и магнитно-электрическое упрочнение (МЭУ) можно проводить на одном и том же оборудовании [3], т. к. в обоих процессах силовым источником и упругой инструментальной связкой является энергия магнитного поля. При этом магнитное поле оказывает непосредственное влияние на материал детали, на структурные и фазовые превращения в поверхностном слое, на физико-механические и эксплуатационные свойства поверхности [3-6]. При различной роли электрической и механической энергии
(первая имеет определяющее значение при МЭУ, а вторая - при МАО) они обе имеют место в процессах реализации технологии. В обоих процессах могут применяться одни и те же порошковые ферроабразивные материалы [7-9], т. е. ферромагнитные абразивы для чистовой обработки деталей могут использоваться для формирования упрочняющих покрытий. Очевидная взаимосвязанность магнитно-электрических технологий позволяет на их основе реализовать различные технологические направления генерации поверхностей деталей [2].
Таким образом, совмещенность способов магнитно-электрической обработки (МЭО) основывается на общности энергетических факторов процессов, их технического и технологического оснащения, а также соответствующих условий их реализации. Здесь важным является не только непрерывность, преемственность и взаимосвязанность технологий, но и свойство инверсионности факторов и параметров процессов обработки. Достоинства и преимущества совмещенной магнитно-электрической обработки с максимальной эффективностью можно обеспечить при реализации процессов на одном оборудовании, в одном технологическом комплексе.
Цель работы - разработка технологического модуля реализации процесса совмещенной технологии магнитно-электрической обработки.
Основная часть
Схема модуля совмещенной технологии магнитно-электрической обработки представлена на рис. 1. В представленном устройстве сердечник 1 электромагнита установлен с возможностью вращения в катушке 2. Совместно с сердечником вращается диэлектрическая втулка 3 с коллектором 4. Через коллектор 4 и ось 5 сердечника с помощью скользящих контактов 6 и 7 в зону обработки подается электрический ток.
Ферроабразивный порошок подается в рабочий зазор между деталью и торцом полюсного наконечника. Величина ра-
бочего зазора поддерживается с помощью диэлектрического шарика 8.
Рис. 1. Модуль совмещенной магнитно-электрической обработки
При работе модуля сердечник электромагнита 1 приводится во вращение, а обрабатываемой детали сообщаются необходимые рабочие движения. Ферромагнитный порошок, расположенный на торце сердечника и охваченный внутренней поверхностью втулки 3, образует жестко-эластичную щетку, которая вращается совместно с полюсным наконечником. При этом шарик 8 наконечника 5 контактирует с обрабатывае-
мой поверхностью, свободно вращаясь в гнезде наконечника и обкатываясь по поверхности детали, и поддерживает необходимый рабочий зазор 5 для размещения порошка. От объема порошка и размеров рабочей области зависит степень уплотнения порошковой массы, что, в свою очередь, наряду с некоторыми другими факторами (характеристикой магнитного поля, магнитными свойствами материала порошка и т. п.),
определяет жесткость порошкового инструмента.
Через порошковую массу пропускают электрический ток заданной величины в пределах до 150 А, замыкая цепь от источника электрического тока посредством двух скользящих контактов 6 и 7 через наконечник 5 и коллектор 4. Электроизоляционное термостойкое покрытие, выполненное на торце сердечника, предотвращает замыкание электрической цепи через сердечник, предохраняя его от оплавления. Плотность тока, проходящего через ферроабразив-ный порошок, зависит от площади соответствующего сечения рабочей зоны и степени ее заполнения зернами ферро-порошка.
Векторная схема процесса изображена на рис. 2. Электрический ток подается через ферромагнитный порошок в объеме, охваченном сектором
с углом а. Величина сектора пропускания тока определяется количеством замкнутых в электрическую цепь пластин коллектора, т. е. а = 2пт/п, где т - количество замкнутых пластин коллектора, п - общее количество пластин коллектора. За счет изменения количества замыкаемых в электрическую цепь пластин коллектора можно изменять угол а сектора пропускания тока, выбирая его величину от 0 до 2п. Таким образом, при отсутствии электрического тока происходит процесс магнитно-абразивной обработки, а при пропускании тока соответствующей величины через весь объем порошка осуществляется процесс магнитно-электрического упрочнения. В промежуточных вариантах реализуется комбинированная обработка, совмещающая в определенном соотношении оба процесса.
Рис. 2. Векторная схема процесса совмещенной магнитно-электрической обработки
Например, в условиях, представленных на рис. 2, через сектор а, охватывающий три пластины коллектора,
проходит электрический ток. В результате порошок, вращающийся совместно с сердечником электромагнита, перио-
дически проходит зону А без тока (сектор в 2п-а радиан) и зону Б пропускания тока (сектор в а радиан). Следовательно, в зоне А порошок осуществляет процесс абразивного микрорезания и пластического деформирования, интенсивность которого определяется силами резания, и в первую очередь тангенциальной составляющей Рх, величина которой, в свою очередь, определяется силами магнитного поля.
В рабочей области пропускания тока (зона Б) частицы порошка представляют собой проводники с током в магнитном поле, на которые в соответствии с законом Ампера действует возникающая магнитная сила Б (см. рис. 2). При этом направление вращения сердечника и электрического тока выбирается таким образом, чтобы вектор силы Б был коллинеарен вектору линейной скорости порошка и, следовательно, вектору составляющей Рх силы резания, действующей на обрабатываемую поверхность. В результате в зоне Б увеличивается сила воздействия порошка на обрабатываемую поверхность, которая складывается из двух составляющих, одна из которых определяется силами магнитного поля, действующими на ферромагнитное тело (порошок), а вторая составляющая представляет собой пондеромоторную силу, действующую на проводник (частицы порошка) с током в магнитном поле. Таким образом, в зоне пропускания тока увеличивается интенсивность процесса микрорезания, что способствует повышению производительности процесса МАО.
При пропускании тока до 10.. .15 А выделенное тепло разогревает поверхность детали и оплавляет вершины микровыступов обрабатываемой поверхности. В результате нагрева происходит разупрочнение границ зерен обрабатываемого материала, снижаются прочностные свойства поверхностного слоя. Это способствует интенсификации съема материала, в первую очередь с вершин микровыступов, и их сглажива-
нию. Следует отметить, что в [6, 10, 11] определенная роль в интенсификации процесса МАО и улучшении физико-механических свойств обработанной поверхности отводится электрическим токам. С целью интенсификации процесса диспергирования материала и выглаживания микрорельефа формируемой поверхности при тонкой финишной обработке под руководством автора [6] были предложены способы и устройства МАО с наложением электрического тока на зону обработки.
При увеличении силы тока до 40.50 А выделенное тепло, наряду с оплавлением микровыступов обрабатываемой поверхности, нагревает и оплавляет кромки ферромагнитного порошка. В результате происходят проникновение элементов материала порошка в поверхностный слой детали, адсорбция поверхностью детали ионов и атомов ферропорошка. Осуществляется процесс легирования поверхности детали химическими элементами, находящимися в составе порошка. При этом происходит упрочнение поверхности без существенного изменения размеров, что соответствует «мягкому» режиму электроискрового упрочнения [12, 13]. Так как одновременно происходит и процесс обработки, т. е. с поверхности детали удаляются окислы, то образуется так называемая ювенильная поверхность [7], или по терминологии, используемой в технологической практике, -«чистый металл» [14]. Это способствует интенсификации процесса диффузии химических элементов.
Дальнейшее увеличение силы тока до 100.140 А [3] приводит к интенсивному выделению тепла в зоне обработки, расплавлению зерен ферромагнитного порошка и оплавлению поверхности детали. Образовавшиеся капли расплава совместным действием электрического и магнитного полей ускоряются и наносятся на обрабатываемую поверхность. В результате, наряду с процессом диффузии химических элемен-
тов, происходит наращивание поверхности детали с увеличением ее размеров за счет материала порошка. Таким образом, по сути, осуществляется выход на режим электромагнитной наплавки, т. е. реализуется технология магнитно-электрического упрочнения.
В многоэлектродной системе, образованной уплотненными частицами ферропорошка, взаимное влияние дуговых разрядов способствует нагреву и плавлению порошка. Однако при малой силе разрядного тока (по данным [3], меньше 80 А) и большом объеме порошка в секторе пропускания тока энергии электрического тока может быть недостаточно для возбуждения дугового разряда. В результате возможно прерывание импульсного характера протека-
4,
К
Таким образом, данный модуль позволяет реализовать технологию магнитно-электрической обработки в различных режимах процесса, т. е. в одном устройстве (на одном рабочем месте) представляется возможным осуществлять различные способы МЭО - в диа-
ния процесса, т. к. выделяемой теплоты недостаточно для расплавления порошка и оплавления поверхности детали. В данном случае нарушается стабильность технологического процесса, имеет место переходный режим обработки, характеризующийся нестабильностью параметров. А это, следовательно, обусловливает неопределенность результатов процесса магнитно-электрической обработки.
Изменение режимов процесса МЭО можно представить в виде графической интерпретации в координатах «сила тока I - изменение толщины поверхностного слоя Ип (Иш)» (рис. 3). Здесь Ип и Иш - толщина наносимого покрытия и величина съема материала соответственно.
пазоне от МАО к МЭУ с переходным процессом легирования. Поскольку в зоне с пропусканием тока реализуется преимущественно упрочняющий режим, а в зоне без пропускания тока осуществляется чистовая обработка, то в зависимости от направления движения подачи
возможны два варианта реализации процесса совмещенной обработки.
Первый вариант. Движение подачи направлено таким образом, что обрабатываемая поверхность проходит вначале зону обработки с пропусканием тока (см. рис. 2, зона Б), а затем зону без пропускания тока (зона А). Тогда в зоне Б осуществляется процесс МЭУ, т. е. происходит наплавка поверхностного слоя, а в зоне А - зачистка вновь образованной поверхности. В результате обеспечивается менее развитый рельеф поверхности, т. к. максимальный эффект выравнивания достигается при сглаживании неровностей в размягченном состоянии [3, 6].
Второй вариант. Обрабатываемая поверхность последовательно проходит зону без пропускания тока (см. рис. 2, зона А), а потом зону с пропусканием тока (зона Б). В этом случае вначале происходит чистовая обработка поверхности, а затем упрочнение. При этом процесс наращивания поверхностного слоя идет по очищенной от окислов и загрязнений поверхности, т. е. по чистому металлу. Это способствует ускорению процесса диффузии и улучшению адгезии материала порошка с основным металлом, а следовательно, снижается уровень энергозатрат и повышается качество сформированного
поверхностного слоя.
Таким образом, применением данного модуля достигается совмещенность способов магнитно-электрической обработки не только в пространстве, но и во времени. Изменяя факторы и параметры процесса МЭО на основе принципа технологической инверсии, можно управлять процессом обработки, изменяя его от «убыточного» режима (съем материала) до легирования и наращивания поверхностного слоя. В результате оптимального совмещения процессов обеспечиваются заданные геометрические и физико-механические характеристики поверхности обрабатываемой детали.
Заключение
Представленное конструктивное исполнение технологического модуля позволяет осуществлять функциональное объединение в одном устройстве (совмещенность в пространстве) магнитно-абразивной обработки и магнитно-электрического упрочнения. При этом реализация обоих процессов генерации поверхностного слоя может проходить одновременно (совмещенность во времени) с использованием синерге-тического эффекта, т. е. эффекта совместного действия.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Высокие технологии размерной обработки в машиностроении / А. Д. Никифоров [и др.]. -Москва: Высшая школа, 2007. - 327 с.
2. Кульгейко, М. П. Роль инверсионности способов магнитно-электрической обработки при создании технологических комплексов генерации поверхностей / М. П. Кульгейко, Г. В. Петришин, Н. М. Симанович // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2020. - № 4 (69). - С. 21-30.
3. Мрочек, Ж. А. Прогрессивные технологии восстановления и упрочнения деталей машин / Ж. А. Мрочек, Л. М. Кожуро, И. П. Филонов. - Минск: Технопринт, 2000. - 268 с.
4. Барон, Ю. М. Магнитно-абразивная и магнитная обработка изделий и режущих инструментов / Ю. М. Барон. - Ленинград: Машиностроение, 1986. - 176 с.
5. Скворчевский, Н. Я. Эффективность магнитно-абразивной обработки / Н. Я. Скворчевский, Э. Н. Федорович, П. И. Ящерицын. - Минск: Навука i тэхшка, 1991. - 215 с.
6. Алмазно-абразивная обработка и упрочнение изделий в магнитном поле / П. И. Ящерицын [и др.]. - Минск: Наука и техника, 1988. - 270 с.
7. Хомич, Н. С. Магнитно-абразивная обработка изделий: монография / Н. С. Хомич. - Минск: БНТУ, 2006. - 218 с.
8. Хомич, Н. С. Работоспособность ферромагнитных абразивов в условиях автоматизированной обработки длинномерных изделий / Н. С. Хомич, М. П. Кульгейко, А. П. Лепший // Алмазная и абразивная обработка деталей машин и инструмента: межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Пенз. политехн. ин-т, 1991. -Вып. 19. - С. 49-53.
9. Исследование износостойкости покрытий из ферромагнитных порошков в условиях трения скольжения со смазкой / Ф. И. Пантелеенко [и др.] // Вестник БГТУ. - 2004. - № 4 (28). - С. 39-42.
10. Финишная обработка поверхностей при производстве деталей / С. А. Клименко [и др.]; под общ. ред. С. А. Чижика и М. Л. Хейфеца. - Минск: Беларуская навука, 2017. - 376 с.
11. Обработка и упрочнение поверхностей при изготовлении и восстановлении деталей / В. И. Бо-родавко [и др.]; под общ. ред. М. Л. Хейфеца и С. А. Клименко. - Минск: Беларуская навука, 2013. - 463 с.
12. Шемегон, В. И. Электроискровое упрочнение пробивных штампов / В. И. Шемегон // СТИН. -1995. - № 5. - С. 27-29.
13. Химухин, С. Н. Структура и свойства металлов и сплавов при электроискровом воздействии: монография / С. Н. Химухин, Хосен Ри, Э. Х. Ри. - Хабаровск: Тихоокеанский гос. ун-т, 2015. - 127 с.
14. Кочергин, К. А. Контактная сварка / К. А. Кочергин. - Ленинград: Машиностроение, 1987. - 240 с.
Статья сдана в редакцию 23 декабря 2021 года
Михаил Петрович Кульгейко, канд. техн. наук, доц., Белорусский государственный университет транспорта. Тел.: 8-029-141-35-64. E-mail: kulgeyko82@rambler.ru.
Наталья Михайловна Симанович, ассистент, Гомельский государственный технический университет им. П. О. Сухого. Тел.: 8-044-545-83-59. E-mail: nataliasimoniha1991@gmail.com.
Галина Степановна Кульгейко, ст. преподаватель, Гомельский государственный технический университет им. П. О. Сухого. Тел.: 8-044-791-38-69. E-mail: kulgeyko@gstu.by.
Mikhail Petrovich Kulgeyko, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian State University of Transport. Tel.: 8-029-141-35-64. E-mail: kulgeyko82@rambler.ru.
Natalia Mikhailovna Simanovich, assistant professor, P. O. Sukhoi State Technical University of Gomel. Tel.: 8-044-545-83-59. E-mail: nataliasimoniha1991@gmail.com.
Galina Stepanovna Kulgeyko, senior lecturer, P. O. Sukhoi State Technical University of Gomel. Tel.: 8-044-791-38-69. E-mail: kulgeyko@gstu.by.
