Материаловед

УДК 621.923.7

Н.Л. Павлюкова, В.А. Полетаев

(Ивановский государственный энергетический университет)

Представлена конструкция стенда для исследования режимов отделочной обработки изделий из цветных металлов методом магнитно-абразивного полирования (МАП). Описаны преимущества применения в установке индуктора на постоянных магнитах. Выявлены особенности МАП. Сформулированы направления дальнейших исследований.

Шлифовка и полировка ювелирных изделий считается трудной и дорогостоящей работой. На финишную обработку поверхности в ювелирной промышленности приходиться примерно 60 % стоимости продукции. Попытки ускорения финишной обработки и снижения затрат посредством технических средств делались всегда. На смену традиционным барабанам и виброустановкам приходят более производительные методики.

Обработка свободным абразивом в ювелирной промышленности применяется традиционно, так как большинство обрабатываемых деталей имеют поверхность сложной формы. Однако она изучена менее, чем методы обработки закрепленным абразивом.

Современный этап развития технологии финишной обработки характеризуется поиском путей совершенствования параметров технологического оснащения с целью повышения к.п.д. процесса обработки, снижения энергоемкости, универсализации и специализации.

Одним из перспективных методов финишной обработки деталей является метод магнитно-абразивного полирования (МАП). Сущность метода заключается в том, что обрабатываемой детали или наполнителю с магнитными и абразивными свойствами, помещенными в магнитное поле, сообщают принудительное движение относительно друг друга. Магнитно-абразивный наполнитель создает режущий инструмент, плотность которого можно варьировать, изменяя напряженность магнитного поля. Силами магнитного поля зерна наполнителя прижимаются к поверхности детали, оказывая давление на деталь в каждой точке ее поверхности, что приводит к съему металла и сглаживанию микронеровностей. Обработка производится при наличии жидкого наполнителя (СОТС), который в данном процессе выступает как носитель поверхностно-активных веществ, а не как средство охлаждения детали.

В качестве режущего инструмента при магнтно-абразивной обработке невозможно использование традиционных абразивных материалов. Так как они должны обладать не только абразивными, но и высокими магнитными свойствами.

Основным свойством магнитно-абразивных порошков является прочность соединения ферромагнитной и абразивной составляющих. Последнее существенно влияет на стойкость зерен порошка при воздействии термических и механических нагрузок. Важное значение имеет также микротвердость, форма частиц, технологичность в изготовлении и стоимость магнитно-абразивного порошка. Таким образом, в качестве режущих элементов при МАО используются порошки ферросплавов, железа, керметов и других веществ, которые подбираются в зависимости от материала обрабатываемых изделий, состояния его поверхности и исходной шероховатости.

Магнитно-абразивным полированием можно обрабатывать детали любой геометрической формы и габаритных размеров из магнитных и немагнитных материалов. Материалами образцов для экспериментальных исследований выбирались металлы, наиболее широко применяемые в ювелирной промышленности для изготовления изделий бижутерийной группы (медь, латунь, нейзильбер, мельхиор).

Для проведения экспериментов сконструирован стенд, состоящий из неподвижной рабочей камеры (изготовлена из немагнитного материала) и диска вращающегося на оси двигателя с закрепленными на нем постоянными магнитами (рис. 1). Достоинством применяемого оборудования является простота конструкции и удобство эксплуатации.

Рис. 1. Схема магнитно-абразивной обработки деталей сложной формы из немагнитных материалов: 1 – вращающийся диск; 2 – индуктор на постоянных магнитах; 3 – обрабатываемые детали; 4 – наполнитель

Техническая характеристика экспериментальной установки:

Объем рабочей камеры, дм³ – 1,5

Количество рабочих камер, шт. – 1

Мощность электродвигателя, кВт – 0,7

Габаритные размеры, м – 0,38×0,3×0,3

Для создания магнитного поля в рабочем пространстве установки использовались постоянные магниты. Это позволило отказаться от электрических схем питания индукторов, уменьшить вероятность остановок процесса полирования в связи с выходом из строя электрических аппаратов или электрического пробоя намагничивающих катушек. Отпадает необходимость в тщательной герметизации индуктора от попадания внутрь СОТС. Из-за отсутствия намагничивающих катушек резко уменьшаются габаритные размеры и масса индуктора, что несет за собой много конструктивных преимуществ.

Для конструирования индуктора на постоянных магнитах был выбран магнит SmCo₅ марки КС37 (ГОСТ 21559) из группы интерметаллических соединений с редкоземельными элементами. Согласно расчетам [3], при одинаковых размерах l_м×h_м×b_м=5×20×20 мм магниты SmCo₅ обеспечивают при полировании заготовок в 2 раза более высокое давление порошка на обрабатываемую поверхность, чем ферриты бария, и в 5 раз более высокое давление – при полировании немагнитных заготовок.

Постоянные магниты в индукторе расположены, как это принято в магнитной технологической оснастке [2]. В этом случае магнитная система индуктора состоит из магнитных ячеек, каждая из которых состоит из магнита и двух стальных магнитопроводов, размещенных у полюсных боковых поверхностей магнита.

Магнитная система индуктора с постоянными магнитами представляет собой блок, составленный из магнитных ячеек. Каждый блок состоит из поочередно расположенных магнитов 1 и стальных магнитопроводов 2, причем магниты установлены так, что их одинаковые полюсы в каждых двух соседних ячейках обращены друг к другу (рис. 2). Каждый стальной магнитопровод при этом пропускает через себя поток, созданный двумя соседними магнитами. Верхние плоскости магнитопроводов с чередующейся полярностью являются магнитными полюсами на рабочей поверхности индуктора, обращенной к заготовке.

Рис.2. Картины поля (а) и прохождение магнитных потоков (б) при полировании немагнитных заготовок индуктором на постоянных магнитах:

1 – магниты;

2 – стальные магнитопроводы

При полировании немагнитной заготовки картина силовых линий поля в рабочем зазоре δ имеет вид, изображенный на рис. 2, а. Прохождение основного магнитного потока Ф_о и потоков рассеивания Ф_р показаны на рис. 2, б. Основной магнитный поток проходит от одного полюса индуктора к другому преимущественно вдоль рабочего зазора над магнитом, концентрируясь у боковых кромок стальных магнитопроводов. Из-за этого расположение магнитно-абразивного порошка в рабочем зазоре оказывается иным, чем при полировании ферромагнитных заготовок: порошок концентрируется над магнитами а не над полюсами индуктора. При использовании магнитов из SmCo₅ в рабочем зазоре δ = 0,8÷1,0 мм удается создать индукцию В = 0,8÷1,0 Тл [1].

Конструкция стенда предусматривает вращение магнитных индукторов, что позволяет реализовывать обработку в «бегущем» магнитном поле комбинируя ее с центробежным уплотнением абразивной среды.

Эксперименты проводились со свободной загрузкой образцов в рабочую камеру. Объем загрузки рабочей среды и деталей (образцов) составлял 80% объема рабочей камеры.

Отметим, что МАП обеспечивает высокопроизводительную и качественную обработку деталей, когда происходит сплошное равномерное заполнение порошком рабочей зоны в процессе обработки.

В ходе проведения экспериментов, выявлены следующие особенности МАП:

• универсальность абразивного инструмента, что позволяет обрабатывать детали из различных материалов и конфигураций;
• возможность управления жесткостью инструмента и за счет этого регулирование съема металла с формообразующей поверхности изделия;
• возможность обработки одновременно большого числа деталей;
• резкое уменьшение, по сравнению со шлифованием, общей температуры резания (за счет отсутствия трения связки о поверхность изделия);
• упрочнение поверхностного слоя детали;
• возможность резания наиболее острой кромкой зерна магнитно-абразивного порошка (при этом отпадает необходимость периодической перезаточки режущей кромки инструмента);
• исключение засаливания инструмента, что позволяет полировать мягкие и вязкие материалы (медь, алюминий и др.);
• возможность отделения наполнителя от обрабатываемых изделий и отходов обработки;
• возможность механизации и автоматизации при обработке.

На результаты процесса обработки оказывают влияние следующие факторы: величина магнитной индукции, материалы магнитно-абразивного наполнителя, скорость относительного движения наполнителя и деталей, наличие вспомогательного рабочего движения (наличие вибрации), состояние исходной поверхности (физико-механические свойства и микрогеометрические характеристики), СОТС.

Подобраны и оптимизированы режимы обработки, определены основные зависимости между обрабатываемыми порошками и материалом детали. Продолжается работа по подбору наиболее оптимального состава и концентрации СОТС.

Список литературы

1. Барон Ю.М. Магнитно-абразивная обработка изделий и режущих инструментов. – Л.: Машиностроение. Ленингл. отд-ие, 1986. – 176с.
2. Константинов О.Я. Магнитная технологическая оснастка. – Л.: Машиностроение,1974. – 383с.
3. Приходько С.П. Магнитно-абразивное полирование с применением индукторов на постоянных магнитах. Автореф. дисс. канд. техн. наук. — Л., 1983. – 20с.
4. Тамаркин В.О. Технологические основы оптимизации процессов обработки деталей свободными абразивами. Дис. докт. техн. наук. – Ростов-на-Дону, 1995. – 285с.