Технология отделочно-зачистной обработкилистовых заготовок в магнитном поле Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.921

Технология отделочно-зачистной обработки листовых заготовок в магнитном поле

Ю. М. Барон

При вырубке заготовок из листовых материалов и их обработке резанием на кромках образуются заусенцы, удаление которых требует больших затрат ручного труда. Заготовки из листовых материалов обычно имеют малую жесткость, и это особенно затрудняет удаление заусенцев. В статье отражены итоги исследования, направленного на интенсификацию процесса магнитно-абразивного удаления заусенцев без деформации заготовок. Высокий результат — удаление заусенцев по периметру заготовки за 3 с основного времени — получен оптимизацией геометрической формы межполюсного пространства и ряда других условий обработки. Результат получен впервые и рекомендуется к использованию в промышленности.

Ключевые слова: заготовка, листовой материал, магнитно-абразивная обработка, эксперимент, образцы, вырубка, нержавеющая сталь, удельный съем, окружная скорость, осцилляция, магнитная индукция, магнитно-абразивный порошок, форма, рабочая зона, полюсные наконечники, удаление заусенцев, высокая производительность.

Введение

На заготовках из листовой стали после вырубки штамповкой и других операций резания на кромках по периметру образуются заусенцы. Обычно заготовки из листовых материалов имеют малую жесткость и легко деформируются в процессе удаления заусенцев. Из-за этого приходится удалять заусенцы вручную, с большими затратами труда, а применение многих высокопроизводительных технологий невозможно. Особо проблематично удалять заусенцы на заготовках из вязких материалов.

В целях решения задачи выбран метод магнитно-абразивной обработки (МАО), неоднократно использовавшийся для получения высококачественных кромок [1-7].

Схема МАО, использованная в исследовании, показана на рис. 1. Магнитно-абразивная обработка осуществляется магнитно-абразивным порошком, зерна которого обладают

абразивными и ферромагнитными свойствами. Порошок удерживается магнитными силами в рабочей зоне 3 между полюсными наконечниками 4 электромагнитного (магнитного) индуктора и под действием магнитного поля приобретает жесткость, значением которой можно управлять, изменяя напряженность магнитного поля в межполюсном пространстве.

Заготовка 1 закреплена на водиле 2, вместе с ним перемещается со скоростью 1>1 вдоль рабочей зоны по окружности диаметром О и осциллирует со скоростью ^2 в вертикальной плоскости. Во время названных движений заготовка испытывает сопротивление порошковой среды. Воздействие зерен порошка на поверхности и кромки заготовки сопровождается абразивным удалением припуска, уменьшением высоты шероховатости, удалением заусенцев и округлением кромок по всему периметру части заготовки, погруженной в рабочую зону.

зивным методом (вид в плане):

1 — заготовка; 2 — водило; 3 — рабочая зона; 4 — полюсные наконечники магнитного индуктора

Экспериментальный образец, имитирующий заготовку, закреплен на водиле 2, который может вращаться относительно вертикальной оси. При движении по окружности диаметром Б образец с частотой п1 и окружной скоростью пересекает рабочую зону. Дополнительно образцу 1 и водиле 2 сообщают осцилляцию в вертикальной плоскости с частотой П2 и средней скоростью

Основная часть

Оптимизация режима магнитно-абразивной обработки. Полирование поверхностей и удаление заусенцев осуществляются эффективно при интенсивном удалении припуска. По этой причине на большей части экспериментов результативность предпринимаемых решений оценивали удельным съемом металла д1 [мг/(см2 . с)] — массой припуска, удаленного с 1 см2 площади обрабатываемой поверхности за 1 с нахождения образца в рабочей зоне. Для уменьшения разброса значений дх на стадии оптимизации условий обработки заусенцы на кромках по периметру образца предварительно удаляли.

Образцами в эксперименте служили плоские заготовки чайных ложек, вырубленные из листовой коррозионно-стойкой стали Х18Н9Т, толщиной 1,5 мм. Первоначально форма рабочей зоны была выбрана серповидной, сужающейся

по мере приближения от середины к кромкам полюсов, ограничивающим рабочую зону (области к и т на рис. 1). Магнитное сопротивление порошковой среды уменьшается по мере уменьшения ширины 8 рабочей зоны, а магнитная индукция увеличивается. Жесткость порошковой среды и действующие силы резания в областях к и т должны быть увеличенными по сравнению с областью в средней части, чтобы интенсифицировать удаление припуска. Предполагалось (и подтвердилось в эксперименте), что пониженная жесткость порошковой среды в средней части рабочей зоны уменьшит опасность деформации образцов (заготовок) в процессе их обработки. Коэффициент серповидности

,1, — ~вн + 8тах _ 11 ~ _ 11

где ~ н и ~ вн — радиусы наружной и внутренней поверхностей рабочей зоны; 8тах — наибольшая ширина рабочей зоны.

Постоянными условиями на этой стадии экспериментов были:

• размеры рабочей зоны: ~н — ~вн — 150 мм; Н — 15 мм, Ь — 80 мм;

• наибольшая ширина рабочей зоны 8тах — — 14,5 мм;

• частота вертикальной осцилляции образца посц — 600 мин-1; амплитуда Аосц — 3 мм; средняя скорость ^2 — 7,2 м/мин;

• объем порции порошка в насыпном виде Уп равен объему рабочей зоны Ур.з, коэффициент заполнения рабочей зоны порошком кз — 1 Фя — Уп/Ур.з);

• охлаждающая жидкость — 5%-ная эмульсия олеиновой кислоты в воде;

• магнитно-абразивные порошки: кермет ЭБМ40 + 80 % Ге, зернистость 100/160 мкм; закаленный чугун, зернистость 600 мкм.

Эксперименты с серповидной рабочей зоной показали, что порошок кермета плохо удерживается в рабочей зоне. Образец 1, двигаясь в рабочей зоне, выталкивает большую часть объема порошка из рабочей зоны в направлении окружной скорости 1>1. В оставшемся порошке уже после однократного прохода образца образуется незарастающий след (после прохождения образца). Осцилляция образца в вертикальной плоскости сопровождается частичным выталкиванием порошка вниз.

При скорости = 68 м/мин уже после однократного прохода образца остающийся объем порошка оказывается недостаточным для продолжения обработки.

Очевидными направлениями сохранения порции порошка в рабочей зоне являются снижение скорости 1>1 и увеличение магнитных сил, удерживающих порошок, путем увеличения магнитной индукции В в рабочей зоне. Магнитную индукцию измеряли на поверхности полюсного наконечника, контактирующей с порошком; в тексте указаны средние значения В по длине рабочей зоны.

Снижение скорости 1>1 с 58 до 50 м/мин при В = 0,95 Тл привело к уменьшению удельного съема #1, но сопровождалось улучшением удерживания порошка.

Использование диапазона малых скоростей 1>1 = 2 + 14 м/мин (табл. 1) привело к существенному улучшению удерживания порошка с увеличением съема в 10 раз по сравнению с предыдущими результатами. Однако выбрасывание порошка было все еще активным.

Попытка улучшить удерживание порошка увеличением магнитной индукции В с 0,86 до 0,95 Тл привела к увеличению удельного съема д1 в 4 раза, но задачу удерживания порошка полностью не решила. При этом появился и отрицательный эффект: жесткость порошковой среды возросла настолько, что листовые образцы деформировались при прохождении через зауженные участки рабочей зоны.

Последующее исследование было направлено на поиск формы рабочей зоны, в которой участки повышенной жесткости порошковой среды периодически сменялись бы на участки пониженной жесткости.

Оптимизация формы рабочей зоны. Оптимизация формы рабочей зоны осуществлена с учетом известных положений о динамике взаимодействия магнитного поля с помещенным в него ферромагнитным телом.

Таблица 1

Влияние окружной скорости на удельный съем металла

Скорость Г1, м/мин Удельный съем д1, мг/(см2 . с)

2 0,013

5 0,015

8 0,023

11 0,025

14 0,026

На ферромагнитное тело в вакууме действует магнитная сила, определяемая интегралом по поверхности тела [13, 14]:

^о £

(Вп)В - 1 В2 п

ав.

(1)

Здесь в — площадь поверхности тела; В — вектор магнитной индукции на единичной площадке ёв; п — единичная нормаль на площадке йв; Цо = 4п10-7 — магнитная проницаемость в вакууме, Гн/м.

При допущении, что ферромагнитное тело (в нашем случае зерно порошка) имеет симметричную форму (сфера, куб, эллипсоид), формулу (1) можно преобразовать к виду [15]:

,0 (, + 2,0)

В grad В,

(2)

где , — абсолютная магнитная проницаемость материала зерна; V — объем зерна; В — магнитная индукция в точке расположения зерна; grad В — градиент магнитной индукции в этой же точке (вектор).

Иными словами, сила , действующая на зерно ферромагнитного порошка в рабочей зоне, пропорциональна магнитной индукции и градиенту магнитной индукции в точке расположения зерна и тем больше, чем больше объем и магнитная проницаемость зерна. Направление силы одинаково с направлением grad В (рис. 2).

Рис. 2. Картина магнитного поля около кромки ферромагнитного тела:

1 — полюсный наконечник; 2 — зерно порошка; 3 — линии напряженности магнитного поля; 4 — линии магнитной индукции

3

И 32

№ 4(82)/2014

а)

б)

в)

А «А\

oq ±

^ТТ

\

V R 150*/

к

о

00

ч. R150

f

qu 10-32 мг/ (см2-с)

90

Рис. 3. Сменные полюсные наконечники: а — тип I; б — тип II; в — тип III; г — тип IV; е — тип V

Известно, что кромки ферромагнитного тела являются концентраторами магнитного потока и градиент магнитной индукции в ближайшей области направлен к кромке. Если на рабочей поверхности полюсника сформировать кромки, то зерна порошка, прилегающие к полюснику, будут сильнее прижаты к рабочей поверхности полюсника. Силы трения в контакте полюсника и порошковой среды увеличатся, препятствуя выбросу порошка. Концентрировать магнитный поток могут не только кромки, но и выступы на рабочей поверхности полюсни-ков, увеличивая жесткость порошковой среды на участках расположения выступов и уменьшая жесткость порошковой среды на участках между выступами.

Для проверки этих предположений были изготовлены 16 пар полюсных наконечников типа I (рис. 3, а) и выполнен трехфакторный эксперимент, в котором переменными факторами были количество i пазов на рабочей поверхности полюсника, глубина пазов h, отношение ширины паза к ширине выступа a/b.

Каждый из названных факторов варьировали на четырех уровнях в диапазонах: i = 1 ^ 4, h = 5 ^ 20 мм, а/b = 0,5 ^ 2,0. Условия проведения экспериментов: ^ = 10 м/мин; V2 = 7,2 м/мин; 8 = 10 мм; В = 1,5 Тл; порошок — крошка закаленного чугуна, зернистость 600 мкм; кз = 1,3; обработка с охлаждением 5%-ной эмульсией Э2; суммарная длительность обработки при многократных проходах образца вдоль рабочей зоны т = 9,6 с.

16

12

< 1 S

a/b ^ 1 * V > 1 i

/г Ч V, L

1

—I—

10

—I—

15

20 h, мм

—I—

0,5

1,0

1,5

2,0 a/b

Рис. 4. Зависимости удельного съема от числа пазов (¿), их глубины (й) и соотношения ширины паза и выступа (а/Ь)

В эксперименте получены зависимости, отражающие влияние количества и размеров пазов, образующих кромки на рабочей поверхности полюсника, на интенсивность удаления припуска (рис. 4). Экстремальный характер

= f(i) вызван тем, что наряду с положительным эффектом от увеличения количества кромок-концентраторов магнитного потока, увеличение числа пазов сопровождается уменьшением площади рабочей поверхности полюсов и соответственным уменьшением порошка, участвующего в удалении припуска. Увеличение соотношения а/Ь не изменяет количества концентраторов магнитного потока, но уменьшает рабочую площадь выступов полюсов и тем самым способствует снижению съема металла. Снижение съема ql при увеличении глубины пазов й происходит из-за снижения магнитной проницаемости рабочей зоны и увеличения магнитных потоков, минующих рабочую зону.

Из этого эксперимента следует, что оптимальные полюсные наконечники типа I должны иметь на рабочей поверхности длиной 80 мм два паза глубиной I < 5 мм и с отношением а/Ь < 0,5. В соответствии с этими рекомендациями изготовлены полюсники типа II (см. рис. 3, б). Испытания этих полюсников

v

1

8

4

1

2

3

4

выполнены с прежними условиями, но с порошком кермета вместо чугунной крошки. Несмотря на худшие свойства примененного порошка, по-люсники типа II позволили получить более высокую интенсивность удаления припуска — q1 = =0,022 мг/(см2 . с) — по сравнению с предыдущим экспериментом (сравните с рис. 4). Применение полюсников типа III с рифленой рабочей поверхностью позволило получить еще прирост производительности на 30 %: qi = 0,029 мг/(см2 . с). В обоих случаях сохранность порошка в рабочей зоне улучшилась.

Разнесение вдоль рабочей зоны областей уплотнения порошка (полюсники типов II и III) позволило обрабатывать нежесткие образцы с уменьшенной шириной рабочей зоны до Smax = 7,5 мм и с высокой магнитной индукцией В = 2 Тл, а значит, с повышенными силами резания в областях концентрации магнитного потока.

Дополнительными экспериментами с по-люсниками типа III установлено, что:

• применение в качестве магнитно-абразивного порошка крошки белого чугуна с зернистостью 600 мкм при сохранении остальных условий обработки увеличивает удельный съем q1 с 0,012-0,017 до 0,044 мг/(см2 . с) по сравнению с порошком кермета благодаря более высокой магнитной проницаемости и более крупным зернам белого чугуна;

• увеличение зернистости чугунной крошки с 600 до 1000 мкм еще больше увеличивает удельный съем q1 — до 0,049 мг/(см2 . с);

• увеличение частоты осцилляции образца П2 с 600 до 1200 мин-1 сопровождается повышением q1 в 2 раза — с 0,032 до 0,063 мг/(см2. с);

• увеличение амплитуды осцилляции с 2 до 6 мм повышает интенсивность обработки, но одновременно способствует выталкиванию порошка из рабочей зоны в вертикальном направлении;

• удельный съем q1 при обработке с охлаждением 5%-ным раствором эмульсола Э2 Й1ср = 0,55 мг/(см2 . с)] в среднем на 20 % выше, чем при обработке без охлаждения [q^ = = 0,46 мг/(см2 . с)].

Последующие эксперименты были направлены на повышение надежности удерживания порошка в рабочей зоне.

Для уменьшения выбрасывания порошка в направлении вектора V1 магнитные силы,

действующие на порошковую среду, должны быть направлены навстречу вектору скорости 1>1. Это возможно в рабочей зоне клиновой формы, расширяющейся в направлении вектора + 1>! (см. полюсники типа IV на рис. 3, д).

При такой форме рабочей зоны магнитные силы направлены в сторону сужения рабочей зоны, навстречу вектору и в широкой части рабочей зоны уменьшается магнитная индукция (и жесткость порошковой среды), предотвращая деформацию движущихся через рабочую зону образцов.

В сужающейся части рабочей зоны жесткость порошковой среды повышенная, что интенсифицирует удаление припуска.

Влияние формы расширяющейся рабочей зоны при разных значениях размера 82 показано в табл. 2. Эксперимент выполнен при условиях: 1>1 = 2 м/мин, посц = 1000 мин-1, В = = 1,5 Тл, порошок закаленный, зернистость 1000 мкм; коэффициент заполнения рабочей зоны кз = 1,3.

Длительность обработки каждого образца соответствовала длительности 10 проходов через рабочую зону. Размеры рабочей зоны: 81 = = 4 мм, 82 = 8 + 14 мм.

В этом же эксперименте сравнивали обработку при движении образца в направлениях векторов +1>1 и -1>1.

При движении образца в направлении —>1 интенсивность удаления припуска выше в 1,5 раза, но объем порошка в рабочей зоне уменьшается значительно быстрее. При движении образца в направлении клиновая форма рабочей зоны обеспечивает наибольшую длительность сохранения порции порошка внутри рабочей зоны.

Преследуя цель дальнейшей интенсификации удаления припуска, решили создать в пределах рабочей зоны три клиновых участка (полюсники типа V, см. рис. 4, д). Эксперименты

Таблица 2

Влияние клиновой формы рабочей зоны и направления движения образца на интенсивность удаления припуска

Направление движения образца Размеры рабочей зоны, мм Удельный съем q1, мг/(см2 . с)

81 82

+ V1 4 4 4 4 8 10 12 14 0,350 0,306 0,380 0,490

-V1 4 12 0,560

с такой формой полюсников выполнены с соблюдением предыдущих условий. Размеры рабочей зоны: 81 = 6 мм, 82 = 16 мм. При движении образца в направлении вектора +1>1 получен удельный съем ql За 10 проходов образца через рабочую зону уменьшения объема порошка в зазоре не зафиксировано, а след в порошке, ранее оставляемый после прохождения образца, сразу же заращивается.

Последующие эксперименты показали, что с увеличением количества проходов образца (образцов) через рабочую зону интенсивность удаления припуска постепенно снижается из-за уменьшения порошка в межполюсном пространстве, но значительно медленнее, чем при остальных ранее испытанных формах рабочей зоны. После 20 проходов образцов рабочая зона освобождается от порошка до первого выступа на полюсниках (см. рис. 3, д). После 28 проходов свободной оказывается зона до второго выступа. Таким образом, выбрасывание порошка в направлении движения образцов полностью не исключается, но при периодической дозаправке рабочей зоны порошком (например, после прохождения каждых 30 образцов) схема обработки становится приемлемой для промышленного использования.

Удаление заусенцев. В экспериментах по удалению заусенцев в качестве образцов использованы заготовки чайных ложек из стали Х18Н9Т. Заусенцы на кромках образцов после операции вырубки имели высоту 0,2-0,5 мм. Условия проведения экспериментов: полюс-ники типа V (см. рис. 3, д); скорости рабочих движений 1>1 = 2 м/мин и посц = 1000 мин-1; амплитуда осцилляции образца Аосц = 6 мм; магнитная индукция В = 1,5 Тл; крошка закаленного порошка, зернистость 600 мкм; коэффициент заполнения рабочей зоны при засыпке порошка кз = 2,3; без смазочно-охлаж-дающей жидкости.

Заусенцы с первоначальной высотой 0,2-0,5 мм резко уменьшаются уже после 3 с и полностью исчезают через 7-14 с нахождения образцов в рабочей зоне (рис. 5, длительность одного прохода 2,4 с). Длительность удаления заусенцев зависит не только от первоначальной высоты заусенцев, но и от прочности их закрепления на кромках.

Рис. 5. Снижение высоты заусенцев й в зависимости от числа проходов Ы:

1, 2, 3 — номера опытов

Одновременно с удалением заусенцев снижалась шероховатость (с Яг = 2,6 мкм до Яг = = 1,3 мкм) и удалялись грубые дефекты на поверхностях погруженной в рабочую зону части образца.

Заусенцы удаляются по всему контуру образца независимо от их расположения по отношению к направлению движения образца. Боковая поверхность контура, по которой произведена вырубка образца, полируется только в той части, которая рассекает порошковую среду при движении образцов через рабочую зону. Для полирования боковой поверхности по всему погруженному в рабочую зону контуру потребуются реверсирование движения образца вдоль рабочей зоны либо обработка образца за два перехода с переустановкой образца после первого перехода.

Выводы

Магнитно-абразивный метод позволяет эффективно удалять заусенцы на заготовках произвольного контура после их вырубки из листа. Одновременно с удалением заусенцев полируют-

ся все поверхности на части заготовки, погруженной в рабочую зону.

Производительность удаления заусенцев, представляющая интерес для промышленности, достигнута применением малых скоростей движения заготовки и оптимизацией формы рабочей зоны — межполюсного пространства.

Литература

1. Dehoff A., Krull P., Mattke W. Magnetabrasive-Bearbeitung, eine nichtkonventionelle Methode der Werkstoffbearbeitung. // Fertigungs-technik und Betrieb. 1976. N 26. S. 738-741.

2. Експериментално изследоване на процесса на маг-нитно-абразивната обработване във въртящи магнитни полета / Б. Г. Македонски [и др.] // Науч.-техн. сб. «Технология на машиностроенето». София: ЦМИ, 1977. Вып. 5. С. 29-33.

3. Полищук В. С., Наливко Г. Д., Кисель Н. Г. Композиционные магнитно-абразивные порошки на основе железа, карбидов титана, ванадия и хрома // Порошковая металлургия. 1983. № 3. С. 94-100.

4. Shinmura Takeo, Takazawa Koya, Hatano-Eiju. Study of Magnetic-Abrasive Process Application to Edge Finishing // Bulletin of the Japan Society of Precision Engineering. Sep. 1985. Vol. 19. N 3. P. 218-220.

5. Магнитно-абразивная обработка сложнопрофиль-ного режущего инструмента из быстрорежущих сталей / В. Д. Ефремов [и др.] // Прогрессивные методы отделочной обработки деталей машин и приборов. Пенза. 1986. C. 58-59.

6. Shinmura T., Yamaguchi H., Watanabe M. Study of a New Internal Finishing Process by the Application of Magnetic Abrasive Machining — Development of an abrasives slurry circulating system and its effect on the finishing characteristics // J. JSPE. 2001. Vol. 67. N 4. P. 575-580.

7. Yamaguchi, H., Shinmura, T., Horiuchi, N. Study of the Magnetic Tool Behavior and Its Relationship to the Processing Characteristics in a Magnetic Field Assisted Barrel Finishing Process // Transactions of the North American Manufacturing Research Institution of SME. 2001. Vol. 29. P. 197-204.

Изб

№ 4(82)/2014