Материаловед

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 [120].

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. [14, 16] 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.

Схемы МАП (I группа классификации)

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 – магнитно-абразивный порошок; 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.

Рис. 1.13.: а) – обработка с помощью барабана, покрытого абразивом; б) – полирование поверхностей вращения; в) – обработка внутренней поверхности трубы; г) – обработка отверстия брусками; 1, 3 – электромагнит; 2 – торцы сердечников; 4 – неподвижный барабан; 5, 7 – заготовка; 6 – двигатель; 8, 10, 15 – статор; 9 – абразивные обкладки; 11 – внутренняя поверхность трубы; 12, 17 – абразивный брусок; 13 – подвижный корпус; 14 – резиновый баллон; 18 – 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