CC BY
53
МЕТАЛЛУРГИЯ. МЕТАЛЛООБРАБОТКА. МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621
МАГНИТНО-АБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ, СФОРМИРОВАННЫХ СПОСОБОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ НАПЛАВКИ С ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
Докт. техн. наук, проф. МРОЧЕК Ж. А., инж. КОЖУРО С. Л.
Белорусский национальный технический университет
Способ магнитно-абразивной обработки (МАО) [1] значительно расширяет возможности современной технологии машиностроения. Схема МАО цилиндрических деталей представлена на рис. 1. Обрабатываемая заготовка детали помещается между полюсными наконечниками электромагнитных катушек с зазорами, в которые подается порошок, обладающий магнитными и абразивными свойствами. Механическим приводом цилиндрической заготовке сообщаются вращательное движение и движение вдоль образующей (осциллирова-ние). Силами магнитного поля зерна порошка удерживаются в зазорах, прижимаются к поверхности детали, и таким образом проводится обработка ее поверхности. В рабочую зону подается СОЖ, являющаяся носителем поверхностно-активных веществ. Она обеспечивает плотность массы порошка и процесс электролиза, в ходе которого происходит частичное растворение поверхности изделия. В данном случае функции силового источника и упругой связки выполняет энергия магнитного поля. Степень упругой связки легко регулируется изменением напряженности магнитного поля, что позволяет рассматривать МАО как процесс шлифования связанным или свободным абразивом и тем самым использовать преимущества каждого из них в одном рабочем цикле.
МАО представляет собой избирательное абразивное микрорезание и микровыглаживание. Сущность этого процесса состоит в том, что при сравнительно большой шероховатости поверхности зерна порошка контактируют первоначально преимущественно с вершинами гре-
бешков, являющихся концентраторами магнитных силовых линий. Каждый рабочий элемент (зерно) в магнитном поле устанавливается наибольшей осью по направлению к обрабатываемой поверхности. При износе и затуплении вершин происходит переориентация элемента порошка таким образом, что вновь образовавшаяся наибольшая ось направляется вдоль магнитных силовых линий. В результате обработка поверхности заготовки производится острыми кромками, т. е. имеет место процесс ориентированного абразивного резания.
о+ о-
Рис. 1. Схема магнитно-абразивной обработки поверхностей тел вращения: 1 - обрабатываемая заготовка; 2 -полюсный наконечник; 3 - электромагнитная катушка;
4 - порошок
Особенностями МАО являются непрерывный контакт порошка с обрабатываемой поверхностью детали, что обеспечивает возможность снизить циклические нагрузки на систему «станок - приспособление - инструмент -заготовка». Отсутствие жесткого крепления абразивного зерна в связке, способствующее
3
2
1
4
самопроизвольному нивелированию режущего инструмента относительно формы обрабатываемой поверхности, устраняет вероятность появления в зоне резания критических давлений и температур и повышает физико-механические свойства поверхности изделия. Одновременно появляется возможность управлять жесткостью инструмента, регулировать съем металла с формообразующей поверхности и обеспечивать возможность резания наиболее острой кромкой зерна магнитно-абразивного порошка. Процесс позволяет осуществлять обработку, обеспечивающую за 10-20 с съем металла или сплава 0,02-0,5 мм на диаметр; снижать шероховатость Ra с 1,25-0,32 до 0,8-0,01 или с 10,0-2,5 до 0,32-0,08 мкм; сохранять геометрические размеры детали в пределах допуска предшествующей операции, исключать засаливание инструмента, что обеспечивает полирование мягких и вязких материалов.
МАО можно проводить с использованием оборудования для электромагнитной наплавки (ЭМН), так как в устройствах, реализующих эти процессы, силовым источником и упругой связкой абразивного инструмента и микроэлектродов является энергия магнитного поля. Выполнение различных процессов на одном оборудовании позволяет повысить коэффициент использования последнего [2].
При исследовании обрабатываемости поверхностей с покрытием, полученным ЭМН с поверхностным пластическим деформированием (ППД), проведена оптимизация МАО, применяемой в качестве финишной операции. Оптимизация проводилась с использованием метода математического планирования экспериментов. Применялся центральный композиционный ротатабельный униформ-план (ЦКРУП) второго порядка [3]. В качестве параметров оптимизации процесса приняты: Ra - шероховатость поверхности после обработки, мкм; Q -съем материала (производительность), мг. Независимыми переменными являлись основные технологические факторы: V - окружная скорость вращения образца, м/с; т - время обработки, с; А - амплитуда осцилляции, мм; В -магнитная индукция в рабочем зазоре, Тл; 5 -величина рабочего зазора, мм.
Постоянные факторы при экспериментах: физико-механические свойства магнитно-абразивного порошка Ж15КТ зернистостью 180/160;
свойства СОЖ - 50%-й раствор эмульсола Э2 в воде; скорость осцилляции образца Vo - 0,2 м/с. Образцами служили заготовки из стали 45 с покрытием, полученным ЭМН с ППД порошка из быстрорежущей стали Р6М5К5 зернистостью 250/180. Диаметр образцов - 40 мм, твердость покрытия - 50-54 HRC. Исходная шероховатость обрабатываемой поверхности Ra = = 1,25 мкм была сформирована на операции шлифования.
Обработка результатов экспериментов, полученных по матрице ЦКРУП второго порядка, на ЭВМ позволила получить модели, определяющие характер зависимости шероховатости поверхности покрытия от технологических факторов и величину съема материала с поверхности заготовки:
Y1 = Ra = 0,82 - 0,011Х - 0,03Щ + 0,006Хз -
- 0,006X4 + 0,022X5 - 0,001ХХ2 - 0,003ХХ3 + + 0,006ХХ4 - 0,004ХХ5 - 0,007X2X3 -- 0,017ХХ4 - 0,005ХХ5 + 0,002ХХ4 -- 0,002ХХ + 0,009ХХ5 +0,005Х12 +0,019 Х 22 + + 0,003Х32 + 0,001Х42 + 0,009Х52; (1)
Y2 = Q = 148,40 + 10,38Х + 26,23Хг + 0,2Щ + + 25,06Х4 - 20,22Х5 - 0,44ХХ> + 1,56ХХ3 + + 2,81ХХ4 + 7,56ХХ5 + 0,19ХХ + 5,94ХХ + + 9,19ХХ5 - 5,33Х12 - 0,12Х2 - 2,34Х32 -
- 0,46 Х42 + 1,66Х52. (2)
Определение влияния факторов МАО V, т, А, В, 5 на величину шероховатости поверхности Ra и производительность Q процесса, а также оптимизацию режима обработки проводили по моделям (1) и (2).
Графически модели (1) и (2) представляли при помощи одномерных сечений функций отклика Yl и Y2 (рис. 2). Для этого из общей модели для параметров процесса составлялось уравнение регрессии, которое включало в себя две переменные, исследуемый технологический фактор (аргумент) и функцию отклика. При этом величины всех остальных факторов стабилизировались на нулевых уровнях для данной матрицы.
Яа, мкм Q, мг
0,20
0,12
,. 170
- 130
0,04 1- 90
1,5 2,0
Яа, мкм Q, мг
0,20
0,12
170
130
0,04 90
0,5 1,0
Яа, мкм Q, мг
0,20
0,12
0,04
170
130
1,5 2,0 А, мм
д
90 0,4
0,8 1,2 1,6 5, мм
0,7 0,8 0,9 1,0 В, Тл
Рис. 2. Зависимость шероховатости поверхности Яа (1) и производительности Q (2) от: а - окружной скорости вращения заготовки V; б - времени обработки т; в - амплитуды осцилляции А; г - магнитной индукции в рабочем зазоре В; д - величины рабочего зазора 5
Анализ полученных моделей (1) и (2) и результатов экспериментов (рис. 2) позволил установить степень влияния факторов на параметры оптимизации. Влияние технологических факторов на шероховатость поверхности Яа в порядке убывания их значимости можно расположить в следующей последовательности: Яа: т > 5 > V > В >А, а съем материала Q: т > В > 5 > > V > А.
Время обработки т оказывает наибольшее влияние на процесс (рис. 2б). Оно слагается из продолжительности воздействий большого количества взаимосвязанных энергией магнитного поля зерен порошка на обрабатываемую поверхность и тех микропроцессов электромаг-
нитного и электрохимического характера, которые сопровождают МАО. Влияние этого фактора связано с изменением числа контактирующих зерен, зависящих от количества порошка и его распределения в рабочем зазоре, угла охвата обрабатываемой поверхности заготовки полюсными наконечниками и т. д. Установлено (рис. 2б), что оптимальным является время обработки 50 с < т < 70 с.
Величина рабочего зазора 5 определяет длину разрядных цепочек зерен порошка и влияет на их жесткость. При уменьшении рабочего зазора возрастает жесткость порошка, что приводит к увеличению сил резания. Увеличение рабочего зазора приводит к снижению эффективности процесса и росту расхода порошка. Анализ зависимостей, представленных на рис. 2д, показывает, что наиболее оптимальная величина рабочего зазора 1 мм < 5 < < 1,6 мм.
Окружная скорость заготовки V во многом определяет механику процесса и протекание сопутствующих ему электромагнитных и электрохимических явлений. Скорость V оказывает влияние на кинематику и динамику процесса, а также на величину вихревых токов в обрабатываемой заготовке и микротоков, индуцируемых зернами порошка, и определяет процесс перемагничива-ния. Зависимости Яа и Q от окружной скорости вращения заготовки V носят экстремальный характер (рис. 2а). Результаты исследований показали, что наиболее эффективно для МАО использовать окружную скорость вращения заготовки в пределах 2,5 м/с < V < 3,5 м/с.
Магнитная индукция В - технологический фактор, определяющий процесс МАО. Она является силовой характеристикой магнитного поля, и ее влияние на МАО складывается из воздействий на силы абразивного резания и электромагнитные и электрохимические процессы в зоне обработки. Удельная плотность порошка в рабочем зазоре, а следовательно, количество контактирующих с обрабатываемой поверхностью зерен порошка определяется ве-
личиной магнитной индукции. С повышением магнитной индукции в рабочем зазоре увеличивается жесткость порошка и возрастают силы резания (рис. 2г). Однако влияние В на шероховатость поверхности несущественно и обусловлено это тем, что зерна порошка имеют дополнительные степени свободы движений и вращаются под действием образующихся моментов резания и трения. Аналогичные движения зерна получают при осцилляции заготовки детали. Из анализа результатов исследований (рис. 2г) установлено, что наиболее благоприятной является магнитная индукция в рабочем зазоре, равная 0,9-1,1 Тл.
Амплитуда осцилляции заготовки А оказывает по сравнению с другими факторами незначительное влияние на процесс обработки. Она предназначена для придания зернам порошка перемещений вдоль обрабатываемой поверхности и наряду с окружной скоростью вращения детали v и скоростью осцилляции Vo является фактором, определяющим это движение. При осцилляции зерна эллипсоидальной формы активно используют всю свою поверхность, что приводит к снижению шероховатости и повышению съема материала с поверхности изделия. При этом следы обработки единичного зерна порошка на поверхности носят хаотический характер. Наиболее интенсивно процесс обработки происходит при 1 мм < А < 2 мм (рис. 1в).
Для определения оптимального режима процесса МАО поверхностей с покрытием, полученным ЭМН с ППД, решали задачу с двумя параметрами оптимизации. Для этого использовали метод перебора различных вариантов, который позволяет решать компромиссные задачи поиском условного экстремума по мате-
матическим моделям (1) и (2). Используя комплексный показатель параметров оптимизации МАО покрытия, за который была принята обобщенная функция желательности Харринг-тона, методом спирального координатного спуска установлен оптимальный режим: т = = 60 с; 5 = 1,4 мм; v = 3 м/с; В =1 Тл; А = = 1,5 мм.
МАО партии заготовок с покрытиями, полученными ЭМН с ППД порошка Р6М5К5 и имеющими исходную шероховатость поверхности Яа = 1,25-1,6 мкм и твердость 50-56 НЯС, на оптимальном режиме обеспечила шероховатость поверхности Яа = 0,08 мкм. При этом на обрабатываемых поверхностях не наблюдалось шаржирования и прижогов поверхности.
В Ы В ОД
Установлены величины технологических факторов и последовательность их влияния на шероховатость при формировании поверхности электромагнитной наплавкой с пластическим деформированием.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Алмазно-абразивная обработка и упрочнение изделий в магнитном поле / П. И. Ящерицын. - Минск: Наука и техника, 1988. - 272 с.
2. Мрочек, Ж. А. Прогрессивные технологии восстановления и упрочнения деталей машин / Ж. А. Мрочек, Л. М. Кожуро, И. П. Филонов. - Минск: УП «Техно-принт», 2000. - 268 с.
3. Ящерицын, П. И. Планирование эксперимента в машиностроении / П. И. Ящерицын, Е. И. Махаринский. -Минск: Вышэйш. шк., 1985. - 236 с.
Поступила 18.10.2010
